Nghiên cứu đặc tính và phát thải động cơ diesel khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPGDiesel với bộ cung cấp LPG thế hệ mới

Đa dạng hóa ngành năng lượng và giảm sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch là một trong những mục tiêu hàng đầu của các nước lớn như Mỹ, Canada, Brasil, Đức, Nhật Bản… Nhiên liệu thay th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

PHẠM VIỆT CƯỜNG

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL KHI SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU LPG/DIESEL VỚI BỘ CUNG CẤP LPG THẾ HỆ MỚI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS PHẠM HỮU TUYẾN

HÀ NỘI - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong

các công trình nào khác!

Hà Nội, tháng 03 năm 2014

Học viên

Phạm Việt Cường

LỜI CẢM ƠN

Với tư cách là tác giả của bản luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến

TS Phạm Hữu Tuyến, người đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi hoàn thành bản luận văn này

Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô trong Bộ môn Động cơ đốt trong, Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí Động lực, Viện Đào tạo Sau đại học đã giúp đỡ, tạo điều kiện cả về thời gian, về cơ sở vật chất lẫn tinh thần trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong suốt thời gian tôi tham gia học tập

và làm luận văn

Học viên

Phạm Việt Cường

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN ……… ……….……… …… … …….i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ……… ….……… vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ……… vii

MỞ ĐẦU ……… ……… …1

i Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ……… 5

ii Phương pháp nghiên cứu ……….…….5

iii Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ……….………5

iv Các nội dung chính trong đề tài ……… ….… 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU KHÍ DẦU MỎ HÓA LỎNG (LPG) …7

1.1 Tính chất cơ bản của khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) ………… …… 7

1.1.1 Giới thiệu chung về LPG ……… ……… 7

1.1.2 Tính chất vật lý của LPG ……… …….…9

1.1.3 Tính chất hóa học của LPG ……… … 10

1.1.4 Phân loại LPG ……… … 12

1.1.5 Ưu điểm của LPG ……… 13

1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng LPG trên thế giới và ở Việt Nam ……… 14

1.2.1 Tình hình sản xuất và sử dụng LPG trên thế giới ……… 14

1.2.2 Tình hình sản xuất và sử dụng LPG ở Việt Nam ……… 20

1.3 Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu LPG cho động cơ đốt trong ……… 23

1.3.1 Các phương án chuyển đổi động cơ chạy bằng nhiên liệu truyền thống sang sử dụng nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) ……….25

1.3.1.1 Động cơ xăng ……… 25

1.3.1.2 Động cơ diesel ……….…26

1.3.2 Nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu LPG cho động cơ diesel trên thế giới ………29

1.3.2.1 Về tính năng kỹ thuật động cơ sử dụng LPG ……… 30

1.3.2.2 Về chất lượng khí thải động cơ sử dụng LPG ………31

1.3.3 Một số kết quả nghiên cứu sử dụng LPG trên động cơ diesel ở Việt Nam …… ……32

1.4 Kết luận chương 1 ……… 37

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LẮP ĐẶT HỆ THỐNG CUNG CẤP LPG THẾ HỆ MỚI

CHO ĐỘNG CƠ DIESEL D1146TI ……….38

2.1 Hệ thống cung cấp LPG thế hệ cũ ……….38

2.2 Hệ thống cung cấp LPG thế hệ mới ……… …39

2.3 Nghiên cứu lắp đặt hệ thống cung cấp LPG thế hệ mới cho động cơ diesel D1146TI……… 42

2.3.1 Động cơ D1146TI ……… 42

2.3.2 Các hệ thống chính của động cơ D1146TI ……….44

2.3.2.1 Hệ thống nhiên liệu ……….44

2.3.2.2 Hệ thống bôi trơn ………45

2.3.2.3 Hệ thống làm mát ……… 46

2.3.2.4 Cụm tuabin-máy nén ……… 47

2.3.2 Nghiên cứu lắp đặt hệ thống LPG lên động cơ D1146TI ……… 47

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ DIESEL D1146TI SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU LPG/DIESEL TRÊN BĂNG THỬ ……… 50

3.1 Trang thiết bị thử nghiệm ……… 50

3.1.1 Phanh thử động cơ ……….50

3.1.2 Thiết bị điều chỉnh tay ga THA100 (Throttle actuator) ……….50

3.1.3 Cân nhiên liệu 50

3.1.4 Thiết bị phân tích thành phần phát thải .51

3.2 Thử nghiệm động cơ trên băng thử …… 55

3.2.1 Phương pháp bố trí thiết bị thử nghiệm ……….…55

3.2.2 Hiệu chỉnh bộ cung cấp LPG ……….57

3.2.3 Chế độ thử nghiệm ……….57

3.3 Nghiên cứu đặc tính và phát thải động cơ với các tỷ lệ cung cấp LPG khác nhau…59 3.3.1 Đánh giá hàm lượng phát thải theo đặc tính tốc độ với các tỷ lệ cung cấp LPG/diesel 59

3.3.2 Đánh giá phát thải động cơ theo chu trình thử ECE R 49 (tiêu chuẩn Euro II) với giclơ số 5 đã chọn……… …70

3.4 Kết luận chương 3 ……… ……….75

Kết luận chung và kiến nghị ……… …76

Tài liệu tham khảo……….………… ……… … 78

Phụ lục ……… ……… 80

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng

HV Nhiệt trị theo thể tích của LPG A/F Tỷ lệ không khí / nhiên liệu LNG Khí tự nhiên hóa lỏng CNG Khí tự nhiên nén ELC Bộ điều khiển điện tử hệ thống cung cấp LPG

PC Máy tính

CB Cảm biến ADC Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số COM Cổng nối tiếp để kết nối máy tính và vi xử lý VXL Vi xử lý

W0 Chỉ số Wobbe

 Trọng lượng riêng của LPG

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của LPG được quy định theo Quy chuẩn Việt

Nam (QCVN 8:2012/BKHCN)……… …8

Bảng 1.2 Tính chất của các thành phần chủ yếu trong LPG ……… 10

Bảng 1.3 Thành phần các chất chủ yếu có trong khí hóa lỏng LPG ……… 12

Bảng 1.4 So sánh đặc tính của xăng, dầu diesel và LPG ………14

Bảng 1.5 Thị trường LPG – Autogas năm 2007 ……….19

Bảng 1.6 Dự báo cung cầu LPG Việt Nam (nghìn tấn) – Nguồn do Purvin & Gertz 22

Bảng 1.7 Độ khói (FSN) trong khí thải với các áp suất LPG khác nhau ………34

Bảng 1.8 Kết quả đo tiêu hao nhiên liệu (kg/h) ……… …35

Bảng 1.9 Kết quả đo khí thải theo chu trình Châu Âu ECE R49 ………35

Bảng 2.1 Thông số cơ bản của động cơ D1146TI ……….….42

Bảng 3.1: So sánh mức độ thay đổi phát thải với các gic lơ khác nhau ở 100% tải…64 Bảng 3.2: So sánh mức độ thay đổi phát thải với các gic lơ khác nhau ở 75% tải.… 68

Bảng 3.3 Chế độ đo trong chu trình thử ECE R49 với động cơ D1146TI ……….….71

Bảng 3.4 Kết quả đo phát thải theo chu trình thử ECE R49……….… …74

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ

Hình 1.1: Cấu trúc hóa học của các thành phần trong nhiên liệu LPG 11

Hình 1.2: Sản lượng (triệu tấn) LPG trên toàn cầu 15

Hình 1.3: Tỷ trọng tiêu thụ LPG trên toàn cầu năm 2006 16

Hình 1.4: Tỷ trọng tiêu thụ LPG trên toàn cầu theo lĩnh vực sử dụng năm 2006 16

Hình 1.5: So sánh phát thải động cơ đạt tiêu chuẩn Euro 3 và Euro 5 khi sử dụng xăng, diesel và LPG ……… 32

Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống cung cấp LPG cho động cơ 33

Hình 1.7: So sánh hàm lượng HC và CO (g/kWh) 36

Hình 1.8: So sánh hàm lượng NOx và PM 36

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống bộ chuyển đổi LPG thế hệ cũ 38

Hình 2.2: Sơ đồ tổng thể hệ thống cung cấp LPG thế hệ mới cho động cơ diesel … 39

Hình 2.3: Sơ đồ cung cấp LPG vào động cơ 40

Hình 2.4: Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống cung cấp LPG 41

Hình 2.5: Động cơ diesel D1146TI 42

Hình 2.6: Mặt cắt dọc động cơ D1146TI……… 43

Hình 2.7: Mặt cắt ngang động cơ D1146TI ……… 44

Hình 2.8: Hệ thống nhiên liệu động cơ D1146TI……… 45

Hình 2.9: Hệ thống bôi trơn động cơ D1146TI……… 46

Hình 2.10: Hệ thống làm mát động cơ D1146TI……… 46

Hình 2.11: Cụm tuabin- máy nén (hệ thống tăng áp trên động cơ D1146TI)……… 47

Hình 2.12: Lắp đặt hệ thống cung cấp LPG trên động cơ D1146TI 48

Hình 2.13: Vị trí lắp vòi phun LPG và cảm biến áp suất tăng áp 49

Hình 3.1: Thiết bị điều chỉnh tay ga THA100 và hộp tín hiệu của nó 50

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý đo của AVL Fuel balance 733s 51

Hình 3.3: Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích CO 52

Hình 3.4: Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NOX 53

Hình 3.5: Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo CnHm 54

Hình 3.6: Thiết bị đo độ đen Smoke Meter AVL 415 55

Hình 3.7: Hệ thống lấy mẫu chất thải dạng hạt Smart Sampler 55

Hình 3.8: Sơ đồ băng thử động cơ 56

Hình 3.9: 5 loại gic lơ có đường kính khác nhau 57

Hình 3.10: Các vị trí lắp thử nghiệm vòi phun LPG trên động cơ 58

Hình 3.11: Công suất động cơ ở 100% và 75% tải 58

Hình 3.12: Phát thải CO tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 59

Hình 3.13: Phát thải HC tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 60

Hình 3.14: Phát thải NOX tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 61

Hình 3.15: Độ đen của khí thải tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ………… …….62

Hình 3.16: Phát thải CO2 tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ…….……… ………63

Hình 3.17: Mức độ thay đổi các thành phần phát thải ở 100% tải………….… ……64

Hình 3.18: Phát thải CO tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ……… … 66

Hình 3.19: Phát thải HC tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ……… …….…66

Hình 3.20: Phát thải NOx tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ……… …… 67

Hình 3.21: Độ đen tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ……… ……67

Hình 3.22: Phát thải CO2 tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ……… ….68

Hình 3.23: Mức độ thay đổi các thành phần phát thải ở 75% tải……… … 69

Hình 3.24: Tỷ lệ thay thế LPG với 5 loại giclơ……… … 70

Hình 3.25: Chu trình thử ECE R49……… …70

Hình 3.26: Phát thải CO đo theo chu trình thử ECE R49 ……… … 72

Hình 3.27: Phát thải HC đo theo chu trình thử ECE R49 ……… …… 72

Hình 3.28: Phát thải NOX đo theo chu trình thử ECE R49 ……… 73

Hình 3.29: Phát thải CO2 đo theo chu trình thử ECE R 49 ……… 73

Hình 3.30: Hàm lượng phát thải theo chu trình thử ECE R49……… ….…74

MỞ ĐẦU Việt Nam với sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp, thu nhập của người dân và số lượng các phương tiện giao thông vận tải (GTVT) làm cho nhu cầu

sử dụng năng lượng ngày càng tăng cao, đặc biệt là dầu mỏ Trung bình mỗi ngày thế giới tiêu thụ hết khoảng 87 triệu thùng dầu thô, chủ yếu ở các nước như Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản…Việc sử dụng nhiên liệu gốc hóa thạch sẽ thải ra các chất độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe con người, môi trường và phát thải khí hiệu ứng nhà kính, dẫn tới biến đổi khí hậu, trái đất ấm dần lên, hiện tượng băng tan…Ở Việt Nam theo báo cáo Môi trường Quốc gia năm 2007- Môi trường không khí đô thị được Bộ tài nguyên và Môi trường (TN-MT) công bố ngày 12/08/2008 tại Hà Nội thì nguồn gây ô nhiễm không khí lớn nhất tại các đô thị là các hoạt động giao thông vận tải, sau đó là hoạt động công nghiệp và các hoạt động khác Đồng thời, theo số liệu tại hội nghị Fuels and Lubes lần thứ 15 diễn ra tại Hà Nội năm 2009 cũng nêu rõ: Việt Nam là nước có lượng khí thải dạng hạt PM và khí CO2 do các phương tiện giao thông gây ra là lớn nhất Châu Á (khoảng 600.000 tấn/năm khí thải dạng hạt

PM và khí CO2 khoảng 2 triệu tấn/năm) Ngoài ra, còn có một lượng đáng kể các chất gây ô nhiễm khác như CO, NOx, hơi xăng dầu, đặc biệt là bồ hóng,…

Thanh Hóa nằm ở cửa ngõ nối liền Bắc Bộ với Trung Bộ, cách Thủ đô Hà Nội và Vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ khoảng 150 km về phía Nam, có đường biên giới dài 192 km, bờ biển dài 102 km, diện tích tự nhiên 11.116 km2, được chia làm 27 đơn vị hành chính, trong đó có 1 thành phố và 2 thị xã, dân số 3,45 triệu người Thanh Hóa là tỉnh có số dân đông thứ 3 trong cả nước, sau Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh Tại đây, cùng với việc phát triển kinh tế xã hội là sự phát triển về

hệ thống giao thông với đầy đủ loại hình giao thông: đường bộ, đường sắt, đường biển và đường hàng không Tuy nhiên bên cạnh đó, số lượng phương tiện tham gia lưu thông cũng gia tăng gây nên sự gia tăng ô nhiễm không khí, nhất là khu vực đô thị do giao thông gây ra chiếm tỷ lệ khoảng 70% Tốc độ phát triển của các phương tiện giao thông, 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), ngoài ra còn nhiều

khí thải độc hại khác như: CO, NOX, PM, …Qua thực tế lấy mẫu khảo sát và phân tích mẫu tại các trạm đăng kiểm ở Thanh hóa có thể sơ bộ đánh giá chất lượng các loại ô tô lưu hành trên địa bàn (theo tiêu chuẩn TCVN 6436-1998 và TCVN 6438-

1998 ở mức cao nhất) thì có tới 60% số xe ô tô lắp động cơ diesel (chủ yếu là xe tải,

xe khách và xe buýt), gần 15% số xe lắp động cơ xăng và khoảng 25% số xe máy đang lưu hành không đạt yêu cầu về một trong các tiêu chuẩn cho phép Đó là những nguyên nhân chính gây ra tình trạng ô nhiễm môi trường tại Thành phố Thanh Hóa nói riêng và các thành phố lớn khác ở Việt Nam nói chung

Cạnh tranh trong lĩnh vực năng lượng hóa thạch đang ngày càng diễn biến khốc liệt và tiềm ẩn nhiều bất ổn, trong bối cảnh trữ lượng dầu đang dần cạn kiệt so với tốc độ khai thác ngày càng lớn Đa dạng hóa ngành năng lượng và giảm sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch là một trong những mục tiêu hàng đầu của các nước lớn như Mỹ, Canada, Brasil, Đức, Nhật Bản… Nhiên liệu thay thế (NLTT) cho động cơ đốt trong được xem là một trong những giải pháp quan trọng và nhận được sự quan tâm lớn của thế giới, sử dụng và tiềm năng của các loại NLTT trên thế giới và ở Việt Nam, một số ảnh hưởng của NLTT đến tính năng, phát thải, độ bền

và tuổi thọ động cơ cũng được đề cập thông qua các nghiên cứu trên thế giới và các nghiên cứu thực nghiệm gần đây ở Việt Nam

Để giải quyết vấn đề ô nhiễm không khí do các phương tiện vận tải gây ra tại các đô thi và bài toán nhiên liệu thay thế có ba giải pháp chính sau:

- Kiểm tra, giám sát việc thực hiện tiêu chuẩn khí phát thải đối với các loại phương tiện lưu thông kết hợp với việc sử dụng động cơ thế hệ mới

- Nghiên cứu sử dụng các loại nhiên liệu tái tạo có nguồn gốc thực vật fuel)

(bio Sử dụng nhiên liệu thay thế từ khí (LPG, CNG,…) hoặc nâng cao phẩm cấp của nhiên liệu diesel, xăng bằng cách sử dụng công nghệ hiện đại xử lý sâu trong các nhà máy lọc dầu

Qua kết quả bước đầu triển khai áp dụng các giải pháp trên cho thấy:

+ Giải pháp thứ nhất chúng ta đã triển khai từ ngày 01/07/2007 theo đó toàn

bộ các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ được sản xuất hoặc nhập khẩu sau thời hạn trên sẽ phải tuân thủ theo tiêu chuẩn EUROII về khí thải mới được lưu hành Nhưng việc kiểm tra giám sát cũng gặp rất nhiều khó khăn do thiết bị kiểm tra giám sát của chúng ta không đồng bộ, thiếu hiện đại, ý thức chấp hành của chủ phương tiện cũng còn nhiều hạn chế Mặt khác chúng ta còn một số lượng lớn xe không đạt tiêu chuẩn do nhập khẩu trước năm 2007 nhưng vẫn được lưu hành đến năm 2020

+ Giải pháp thứ hai cũng đã và đang được triễn khai, nhưng hiện nay tại Việt Nam việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu thay thế là nhiên liệu sinh học chưa nhiều, hầu hết ở qui mô nhỏ lẻ Năm 2007, Thủ Tướng chính phủ đã ra quyết định số

177/2007/QĐ-TTg về “Dự án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm

nhìn 2025” Mục tiêu đến năm 2015, sản xuất được 250 nghìn tấn ethanol và

bio-diesel, đáp ứng 1% nhu cầu nhiên liệu, và tầm nhìn 2025 kà 1.8 triệu tấn ethanol và bio-diesel, đáp ứng được 5% nhu cầu nhiên liệu Cùng với đó là những khuyến khích về tài chính như trợ giá, miễn thuế…cho các tổ chức, cá nhân trong và ngoài nước đầu tư vào lĩnh vực năng lượng tái tạo, đây là một hướng đi đúng đắn và hợp với xu thế của thế giới, song đến nay việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu thay thế vẫn còn hạn chế, việc qui hoạch vùng trồng nguyên liệu cho quá trình sản xuất các loại NLSH cũng đang là vấn đề lớn cần giải quyết vì nó ảnh hưởng không nhỏ đến

An ninh lương thực của Quốc gia

+ Giải pháp thứ 3 được đề xuất thực hiện với mục tiêu đưa ra hướng giải quyết tích cực và hiệu quả, giảm thiểu một phần nguồn gốc vấn đề gầy ô nhiễm môi trường tại các đô thị hiện nay, góp phần đa dạng hóa nguồn nhiên liệu đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia 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 và 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 chủ động được nguồn năng lượng mặc dù LPG không dồi dào như khí thiên nhiên

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 (theo bảng giá tháng 1/2010)

Tại Việt Nam cho đến năm 2009 chúng ta mới chỉ có duy nhất Nhà máy chế biến khí Dinh Cố sản xuất LPG (sản lượng khoảng 29.000 tấn/tháng) phục vụ cho công nghiệp và dân dụng Từ qúy II năm 2009, nhà máy lọc dầu Dung Quất chính thức đi vào hoạt động, đã cho ra sản phẩm LPG thương mại đầu tiên và trong tương lai khi các nhà máy lọc, hoá dầu khác như Nghi Sơn, Long Sơn,… hoàn thành theo qui hoạch PVN đã phê duyệt thì sản lượng khí đồng hành của các nhà máy trên sẽ là nguồn cung cấp LPG lớn tương ứng với tổng sản lượng LPG sản xuất trong nước đáp ứng được 80% nhu cầu tiêu thụ, lúc đó chúng ta hoàn toàn có khả năng độc lập về nguồn cung LPG

Trong thời gian vừa qua đã có nhiều tổ chức và đơn vị tại Việt Nam nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel cỡ nhỏ và vừa sử dụng LPG dạng đơn nhiên liệu và lưỡng nhiên liệu diesel/LPG 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 dụng 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 có ý nghĩa lớn về mặt kinh tế, kỹ thuật và đảm bảo tính khả thi cao

Nhằm xây dựng cơ sở cho việc chuyển đổi và phát triển động cơ diesel sang

sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG trong thời gian tới, đề tài “Nghiên cứu đặc

tính và phát thải động cơ diesel khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel với bộ cung cấp LPG thế hệ mới” là một hướng đi đúng, đáp ứng được tính khoa học và

thực tiễn

i- Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

+ Mục đích nghiên cứu:

Đánh giá được tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải động cơ diesel lắp trên

xe buýt khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel với bộ cung cấp LPG thế hệ mới

+ Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đề tài được tiến hành trên động cơ mẫu diesel D1146TI do hãng Daewoo (Hàn Quốc) chế tạo Đây là loại động cơ được lắp phổ biến trên xe buýt đang lưu hành ở Việt Nam Các thử nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

ii- Phương pháp nghiên cứu:

Đề tài tổng hợp các kết quả nghiên cứu về công nghệ chuyển đổi từ động cơ

sử dụng đơn nhiên liệu sang sử dụng lưỡng nhiên liệu Sử dụng phương pháp thực nghiệm để đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel

iii- Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn:

Phân tích nguyên lý kết cấu và lắp đặt hệ thống cung cấp LPG thế hệ mới lên động cơ diesel,

Đánh giá được ảnh hưởng của tỷ lệ cung cấp LPG tới tính năng và phát thải động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel

Kết quả đề tài góp phần thúc đẩy việc sử dụng nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu truyền thống trên các loại phương tiện giao thông vận tải và là hướng mở tiêu

thụ cho nguồn nhiên liệu LPG, như một xu hướng tất yếu để đảm bảo an ninh năng lượng, giảm thiểu đáng kể ô nhiễm môi trường, đem lại hiệu quả kinh tế cao

iv- Các nội dung chính trong đề tài:

Thuyết minh của đề tài được trình bầy theo các phần như sau:

Chương 1 Tổng quan về nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG)

Chương 2 Nghiên cứu lắp đặt hệ thống cung cấp LPG thế hệ mới cho động cơ diesel D1146TI

Chương 3 Nghiên cứu thử nghiệm động cơ diesel D1146TI sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel trên băng thử

Kết luận chung của đề tài

Chương 1 Tổng quan về nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG)

1.1 Tính chất cơ bản của khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG)

1.1.1 Giới thiệu chung về LPG:

LPG là từ viết tắt của Liquefied Petroleum Gas, là hỗn hợp hydrocarbon nhẹ,

ở thể khí LPG tồn tại trong thiên nhiên ở các giếng dầu hoặc giếng gas và cũng có thể sản xuất ở các nhà máy lọc dầu Thành phần chính của LPG là Propane (C3H8)

và Butane (C4H10) được nén theo tỷ lệ % Propane/%Butane Trong thực tế, thành phần hỗn hợp các chất có trong khí hóa lỏng LPG không thống nhất Tùy theo tiêu chuẩn của các nước, của các khu vực mà tỉ lệ thành phần trong LPG khác nhau, có khi tỉ lệ giữa Propane và Butane là 50/50 hay 30/70 hoặc có thể lên đến 95/5 như tiêu chuẩn của HD-5 của Mỹ. LPG được phát hiện và sử dụng từ những năm đầu thế

kỷ 19, đến những năm 50 của thế kỷ 20 Ngày nay, LPG được sử dụng thay thế cho các loại nhiên liệu truyền thống như than, củi, điện… Việc sử dụng sản phẩm này mang đến nhiều ưu điểm thiết thực như chất lượng sản phẩm đồng đều, tiện lợi và tiết kiệm

LPG là loại nhiên liệu thông dụng về tính đa năng và thân thiện với môi trường Có thể dễ dàng chuyển đổi LPG từ thể khí sang thể lỏng bằng việc tăng áp suất thích hợp hoặc giảm nhiệt độ để dễ tồn trữ và vận chuyển Quá trình cháy của LPG trong động cơ sinh ra ít chất NOx, một thành phần khí độc hại quan trọng trong khí thải động cơ, làm cho LPG trở thành một trong những nguồn nhiên liệu thân thiện nhất với môi trường

LPG lỏng chứa rất nhiều năng lượng trong một không gian nhỏ và nó có thể hóa hơi được nên cháy rất tốt Mỗi kg gas cung cấp khoảng 12.000 kcal năng lượng

LPG là chất không mầu, không mùi (thường làm cho LPG có mùi bằng cách cho chất tạo mùi vào trước khi cung cấp cho người tiêu dùng để dể ràng phát hiện khi rò rỉ gas), dễ cháy

LPG nặng hơn không khí, trọng lượng bằng khoảng một nửa trọng lượng nước LPG không chứa chất độc nhưng có thể gây ngạt thở

Bảng 1.1: Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của LPG được quy định theo Quy chuẩn Việt

Butan thương phẩm

Hỗn hợp butan, propan thương phẩm

-

Công bố 10,0

-

Công bố 10,0

-

TCVN 8360 (ASTM D 2163)

LPG có độ sạch cao, không lẫn tạp chất ăn mòn và các tạp chất có chứa lưu huỳnh, không gây ăn mòn các phương tiện vận chuyển và tồn chứa Khi cháy, LPG

ít gây ô nhiễm môi trường, không gây độc hại kể cả khi LPG tiếp xúc trực tiếp với

thực phẩm LPG là loại khí đốt thuận tiện cho việc vận chuyển và tồn chứa do khả năng hóa lỏng ở áp suất không quá cao, ở nhiệt độ thường áp suất hóa lỏng là 0,6 - 0,8MPa Do vậy, đặc trưng của LPG là được tồn chứa ở trạng thái bão hòa, tức là tồn tại ở dạng lỏng và hơi nên với thành phần không đổi, áp suất bão hòa trong bình chứa không phụ thuộc vào lượng LPG chứa trong bồn mà hoàn toàn phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài

LPG có tỷ lệ giãn nở lớn từ dạng lỏng sang dạng hơi Nhờ hệ số giãn nở này

mà LPG trở nên kinh tế hơn khi bảo quản và vận chuyển dưới dạng lỏng

Vì vậy, các bình chứa LPG không bao giờ được nạp đầy, chúng được quy định chỉ chứa từ 80% tới 85% dung tích toàn bình để có không gian cho LPG giãn

nở khi nhiệt độ tăng

Giới hạn cháy nổ của hỗn hợp không khí - hơi LPG hay trong hỗn hợp oxy - hơi LPG là phần trăm thể tích hơi LPG để tự bắt cháy nổ

Giới hạn bắt cháy nổ của LPG trong không khí khá hẹp, chỉ từ 1,5 - 10%, chính vì vậy mà LPG khá an toàn so với các nhiên liệu khí khác Quá trình nổ xảy

ra khi có đủ cả lượng không khí và LPG được bắt lửa để tạo nên một lượng nhiệt lớn và chuyển động trong không khí với một thời gian rất ngắn Nếu nhiệt được giải phóng từ từ, việc đốt cháy nhiên liệu sẽ gây ra cháy chứ không phải nổ Khi đạt tới giới hạn cháy, dưới tác dụng của nguồn nhiệt hoặc ngọn lửa thì LPG sẽ bắt cháy làm phá hủy thiết bị, cơ sở vật chất, công trình Điều này có ý nghĩa quan trọng với việc thông gió và tạo dòng không khí chuyển động trong việc bảo quản và vận chuyển

Tỷ trọng LPG nhẹ hơn so với nước: đối với butan từ 0,55 - 0,58 lần, propan

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: đối với butan là 2,07 lần; propan là 1,55 lần Do đó hơi LPG thoát 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…

LPG ở trạng thái nguyên chất không có mùi nhưng do LPG nặng hơn không khí khi bay hơi, mặt khác nó lại có xu hướng chìm và tích tụ Một lượng LPG có thể

đủ để gây ngạt nếu nó chiếm chỗ của oxy Do đó trong LPG người ta thường pha trộn thêm chất tạo mùi hăng Mercaptan với tỉ lệ nhất định để có mùi đặc trưng nhằm phát hiện ra hiện tượng rò rỉ khí gas

LPG lỏng gây bỏng nặng trên da khi tiếp xúc trực tiếp, nhất là với dòng LPG

rò rỉ trực tiếp vào da nếu không có trang bị bảo hộ lao động

Nhiệt độ của LPG khi cháy rất cao từ 1900oC÷1950oC, có khả năng đốt cháy

và nung nóng chảy hầu hết các chất Quá trình cháy của LPG trong không khí tỏa ra một lượng nhiệt khá lớn

Nhiệt trị cao (Kcal/kg): min 10,98 (Phương pháp thử: ASTM-D2598)

Tỉ trọng ở 15.6/15.6oC: 0,53-0,56 (Phương pháp thử: ASTM-D1657)

Bảng 1.2: Tính chất của các thành phần chủ yếu trong LPG

Propan n-butan iso-butan Công thức hóa học C3H8 C4H10 C4H10

olefin như propen, buten Trong đó propan chỉ có duy nhất ở dưới dạng mạch thẳng, butane có thể ở dưới dạng mạch thẳng hoặc mạch nhánh (n-butane và iso-butane)

Công thức hoá học và cấu trúc phân tử trong nhiên liệu LPG được giới thiệu tại hình 1.1

Hình 1.1: Cấu trúc hóa học của các thành phần trong nhiên liệu LPG

Bảng 1.3: Thành phần các chất chủ yếu có trong khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG)

Các chất Kết quả Phương pháp phân tích

D2163 D2163 D2163 D2163 D2163 D2163 D2163 D2163 D2163

1.1.4 Phân loại LPG

LPG có thành phần chủ yếu là propan và butan, vì vậy việc phân loại LPG cũng khá dễ dàng LPG đưa ra thị trường gọi là LPG thương mại, tùy thuộc vào mục đích sử dụng và yêu cầu của từng khách hàng mà nhà sản xuất sẽ pha trộn các thành phần một cách thích hợp Có thể phân ra thành 3 loại LPG thương mại như sau:

+ Propan thương mại: Có thành phần chủ yếu là hydrocacbon C3 Ở một số nước, propan thương mại có tỉ lệ butan hoặc buten thấp, có thể có etan hoặc eten

+ Butan thương mại: Có thành phần chủ yếu là hyrocacbon C4 Thông thường, thành phần lớn nhất là n-butan hoặc buten-1 Cũng có thể xuất hiện một lượng không đáng kể thành phần propan C3H8 hoặc propen C3H6 và pentan

+ Hỗn hợp butan - propan: Thành phần của sản phẩm này phụ thuộc vào nhà sản xuất cũng như các nhà kinh doanh địa phương, thông thường thành phần của chúng là 50% butan, 50% propan hoặc 70% butan, 30% propan Đây là sản phẩm phổ biến trên thị trường Việt Nam

1.1.5 Ưu điểm của LPG

Vì có thành phần hóa học tương đối đơn giản hơn các loại nhiên liệu khác nên dễ đạt được đúng tỷ lệ pha trộn nhiên liệu, cho phép sản phẩm cháy hoàn toàn 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, không gây ô nhiễm môi trường, không gây độc hại ngay cả khi tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm, không làm ăn mòn các thiết bị sử dụng Đặc biệt sản phẩm cháy không tạo muội, tạo cặn các bon nên làm tăng thời gian sử dụng dầu nhờn và tránh mài mòn xy lanh Về năng suất tỏa nhiệt, LPG cao hơn hẳn so với các loại nhiên liệu truyền thống Nhiệt lượng do LPG tạo ra cao hơn so với xăng và cao gần gấp đôi so với các loại xe khác chạy metanol và etanol

Cả propan và butan đều dễ hóa lỏng và có thể chứa được trong các bình áp lực Những đặc tính này làm cho loại nhiên liệu này dễ vận chuyển, và vì thế có thể chở trong các bình hay bồn gas đến người tiêu dùng

LPG là loại nhiên liệu thay thế tốt cho xăng trong các động cơ đánh lửa cưỡng bức

LPG là chất thay thế cho chất nổ đẩy aerosol và chất làm đông, LPG được chọn để thay cho fluorocarbon vốn được biết đến như một chất làm thủng tầng ôzôn

Với các đặc tính là nguồn nhiên liệu cháy sạch và dễ vận chuyển, LPG cung cấp một nguồn năng lượng thay thế cho các nhiên liệu truyền thống như củi, than và các chất hữu cơ khác Việc này cung cấp giải pháp hạn chế việc phá rừng và giảm được bụi trong không khí gây ra bởi việc đốt các nhiên liệu truyền thống

Tính phổ biến và tương thích với các loại xe như sau: nếu xe chạy xăng là 100% thì xe sử dụng diesel là 120%, LPG là 74%, LNG là 65% (khí tự nhiên hóa lỏng), CNG 25% (khí tự nhiên nén dưới áp suất cao), metanol 56%, và etanol là 66% Có nghĩa là nếu xe chạy xăng có độ phổ biến và tương thích để áp dụng vào sản xuất và tiêu dùng là 100% thì xe chạy diesel có tính phổ biến, tương thích cao hơn, việc sản xuất và sử dụng dễ dàng hơn (120%), còn xe chạy LPG có khó khăn trong việc sử dụng và sản xuất nên tình phổ biến và tương thích thấp hơn (74%)

Bảng 1.4: So sánh đặc tính của xăng, dầu diesel và LPG

1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng LPG trên thế giới và ở Việt Nam 1.2.1 Tình hình sản xuất và sử dụng 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 từ mức 198 triệu tấn năm 2000 Tốc độ tăng trưởng nguồn cung LPG thế giới khoảng 2,4%/năm trong giai đoạn 2000-2008 Năm 2010, tổng sản lượng LPG trên toàn thế giới đạt đến 249 triệu tấn, dự kiến đến năm 2015 đạt 291,7 triệu tấn theo nhận định của Purvin&Gertz 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

Khu vực châu Á – Thái bình dương có tốc độ tăng trưởng nhanh, từ năm

2010 đến nay tăng khoảng 4.6% là khu vực sản xuất LPG lớn thứ hai trên thế giới trong giai đoạn 2000-2008, sau Trung Đông 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 duy nhất cho tới nay ở Trung Quốc có nhà máy hóa khí từ than Phần còn lại tăng lên trong sản lượng của khu vực là từ các nhà máy lọc dầu ở Hàn Quốc và Đài Loan Sản lượng LPG của Nhật Bản giảm nhẹ trong suốt giai đoạn này Dự báo đến 2015 khoảng 31,1 triệu tấn LPG

Theo số liệu thống kê của hãng tư vấn năng lượng quốc tế Purvin & Gertz của Mỹ dưới đây cho thấy lượng LPG sản xuất trên toàn thế giới liên tục tăng (trung bình 5-10%/năm) kể từ thập kỷ 90 đến nay và dự đoán vẫn tiếp tục tăng trong những năm tới

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 58,1 triệu tấn cho năm 2010 và 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 khiết khí

Hình 1.2: Sản lượng (triệu tấn) LPG trên toàn cầu

Năm 2006 tổng mức tiêu thụ LPG trên toàn thế giới đạt khoảng hơn 230 triệu tấn Trong đó khu vực Bắc Mỹ là khu vực tiêu thụ lớn nhất với khối lượng hàng năm là 72 triệu tấn Tiếp theo là Châu Á, Châu Âu và Châu Mỹ La Tinh với khối lượng tưng ứng là 62 triệu tấn, 35 triệu tấn và 18 triệu tấn Trung Đông tuy là khu

vực cung cấp nhiều nhất LPG ra thị trường thế giới nhưng mức tiêu thụ chỉ dừng lại

ở mức 13 triệu tấn/năm Các khu vực như Trung Mỹ, Châu Phi, Liên Xô cũ và Châu

Úc hiện đang có mức tiêu thụ tương ứng là 14 triệu tấn, 9 triệu tấn, 7 triệu tấn và 2,5 triệu tấn Cho đến nay sản lượng tiêu thụ chắc chắn đã tăng lên đáng kể theo ước tính khoảng 300 triệu tấn (mỗi năm tăng trưởng khoảng 10%)

Hình 1.3: Tỷ trọng tiêu thụ LPG trên toàn cầu năm 2006

24%

12.60%

48.20%

Hình 1.4: Tỷ trọng tiêu thụ LPG trên toàn cầu theo lĩnh vực sử dụng năm 2006

Nếu chia theo lĩnh vực sử dụng, tiêu dùng dân dụng hiện có khối lượng sử dụng lớn nhất chiếm gần 50%, tiếp theo là lĩnh vực hoá chất chiếm 24%, sử dụng LPG trong công nghiệp đứng thứ ba với tổng mức tiêu thụ chiếm khoảng 13%, đứng thứ 4 là việc sử dụng LPG trong vận tải với tổng lượng tiêu thụ hàng năm chiếm 8,8%, lĩnh vực hoá dầu chiếm 5% và cuối cùng là lĩnh vực nông nghiệp chiếm 2%

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 đang tăng dần

Trên toàn thế giới hiện có trên 7 triệu xe sử dụng LPG 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 như là mặt trái của sự phát triển kinh tế

Dưới đây là các thông tin khái quát về thị trường Autogas (ôtô sử dụng nhiên liệu khí hoá lỏng) tại một số quốc gia hiện 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 tới 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, 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 chính phủ Italia đang áp dụng các biện pháp khuyến khích như: thanh toán từ quỹ của chính phủ cho việc chuyển đổi với số tiền 377 USD/chiếc, giảm lệ phí giao thông đối với các xe chạy bằng LPG, 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% Nếu đầu 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 quỹ hỗ trợ chuyển đổi từ xe chạy xăng, dầu sang chạy LPG (năm 1999, quỹ này là 3,6 triệu bảng và năm 2000 là 10 triệu bảng), giảm thuế đối với LPG dùng cho ô tô (mức chênh lệch so với thuế đánh vào các nhiên liệu khác là 0,3 USD/lít), hỗ trợ mở rộng hệ thống các trạm bơm LPG cho

xe ô tô (vào đầu năm 1999, trên toàn quốc chỉ có 150 trạm nhưng đến cuối tháng 5/2000 con số này đó là 370 trạm và đến nay là khoảng 1000 trạm)

- 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% Giá LPG chạy xe chỉ bằng 34% so với các loại nhiên liệu khác Chính do sự chênh lệch này nên hiện nay hiện tượng chuyển đổi xảy ra khá tuỳ tiện và Chính phủ không thể kiểm soát được Hiện nay tại Thổ Nhĩ Kỳ chỉ có khoảng 58.000 xe là có giấy phép lưu hành hợp lệ trên tổng số 500.000 xe đang lưu hành Ngoài ra Chính phủ còn đang áp dụng các biện pháp như yêu cầu kiểm tra xe hai lần trong năm 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 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 đạt được sự phát triển kinh tế trong thời gian gần đây nên vấn đề giao thông và ô nhiễm môi trường không khí đang nổi lên như là một vấn đề cần được giải quyết ngay, đặc biệt là tại các thành phố lớn Kể từ năm 2000, Chính phủ dự kiến miễn thuế nhiên liệu đối với xe chạy LPG Thời gian miễn là 05 năm, 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 tại thành phố này

đã có khoảng hơn 40.000 xe taxi chạy LPG Đây cũng là nguyên nhân làm cho lượng sử dụng 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 đó chính thức cho phép lưu hành xe chạy LPG Hiện tại, hai thành phố là 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 hiện đó được lắp đặt bộ phận chuyển đổi dùng LPG Chi phí cho một bộ phận chuyển đổi khoảng 12.000 Rupees (tương đương 260 USD)

Bảng 1.5: Thị trường LPG-Autogas năm 2007

Quốc gia Lượng LPG tiêu

thụ (tấn)

Số lượng phương tiện chạy LPG (chiếc)

Số lượng trạm tiếp nạp (trạm)

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 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

Như vậy có thể thấy tại các nước phát triển, việc chuyển đổi động cơ xăng thành động cơ LPG đã trở nên khá phổ biến, nhưng công nghệ chuyển đổi sử dụng LPG làm nhiên liệu cho phương tiện giao thông sử dụng động cơ diesel chưa được đặt ra như là một giải pháp khả thi mà chỉ giới hạn trong phạm vi nghiên cứu lý thuyết với xu hướng thiên về sử dụng hệ thống phun nhiên liệu LPG trực tiếp trong buồng đốt của động cơ có tỉ số nén cao Việc chuyển đổi nhiên liệu đối với các họ động cơ diesel nhằm mục đích giảm lượng độc hại trong khí phát thải và tiết kiệm chi phí nhiên liệu tập trung chủ yếu vào khí thiên nhiên nén CNG

1.2.2 Tình hình sản xuất và sử dụng 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

Công nghiệp khí đòi hỏi phải có công nghệ đồng bộ từ khai thác, vận chuyển, chế biến và tiêu thụ 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 Sản lượng đáp ứng khoảng 30% nhu cầu thị trường LPG Việt Nam, dự kiến đến năm

2015 đạt mức 230.000 tấn (số liệu báo cáo đầu tư dự án kho LPG lạnh Thị Vải của PVGAS), sản phẩm của nhà máy Dinh Cố đã được Quatest 3 cấp giấy chứng nhận phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế ASTMD 1835-03

Song song với dự án trên thì năm 1998 PetroVietnam cũng đã khởi công xây dựng nhà máy lọc dầu Dung Quất và cho tới nay bước đầu được hoàn thiện Từ tháng 7/2009, nhà máy lọc dầu Dung Quất đã chính thức cung cấp LPG cho thị trường với sản lượng khoảng 130.000 tấn (năm 2009) các năm tiếp theo sẽ cung ứng cho thị trường khoảng 340.000 tấn/năm Nhà máy lọc dầu Nghi sơn – Thanh Hóa khởi công xây dựng năm 2013 với trữ lượng dự kiến sản xuất từ năm 2017 là

436 nghìn tấn/năm

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

Mỏ dầu 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 Đây là một nguồn nguyên liệu rất dồi dào thúc đẩy nhanh ngành công nghiệp chế biến khí của nước ta, đồng thời thúc đẩy sự phát triển các ngành công nghiệp khác có liên quan Tài nguyên dầu khí có hạn trong khi đó công nghiệp dầu khí - hóa dầu Việt Nam hầu như chưa có gì nên bên cạnh việc phát hiện, khai thác dầu khí với sản lượng ngày càng tăng thì đây cũng chính là 1 sự lãng phí tài nguyên thiên nhiên của đất nước

Từ năm 1950, LPG bắt đầu được sử dụng ở Việt nam với số lượng ít, sau năm 1975 LPG tạm ngưng sử dụng, sang thập niên 1990 LPG được sử dụng trở lại với mức tiêu thụ ban đầu là 400 tấn, nhưng đã tăng tốc độ nhanh chóng cùng với sự

phát triển hàng loạt các khu công nghiệp, khu chế xuất và mức thu nhập người dân nâng cao đòi hỏi điều kiện sống cải thiện và phát triển Tốc độ tăng trưởng của thị trường LPG giai đoạn 1990 – 2002 khoảng 30%/năm, các năm sau có giảm còn 20 – 13%/năm Năm 2005, do giá nhiên liệu tăng quá cao nên nhu cầu tiêu thụ LPG tăng trưởng chậm lại, chỉ đạt 7,5% (đạt 785.477 tấn, mức sử dụng bình quân 9,8kg/người/năm)

Năm 2008, tổng nhu cầu tiêu thụ LPG cả nước khoảng 1.000.000 tấn/năm (83.000 tấn/tháng) Và theo kết quả nghiên cứu thị trường của Tổng Công ty xăng dầu Việt nam (Petrolimex) thì trong các năm tiếp theo Việt Nam vẫn là một trong những nước có tốc độ tiêu thụ LPG phát triển nhanh nhất khu vực

Theo số liệu dự báo mới nhất của các chuyên gia, nhu cầu tiêu thụ LPG của Việt Nam năm 2010 đã đạt khoảng 1,3 triệu tấn với mức tăng trưởng bình quân 1 năm là 10%; Thì đến năm 2015 nhu cầu khoảng 1,9 – 2 triệu tấn với tốc độ tăng trưởng khoảng 7,5 – 8%/năm Với dự báo trên, thị trường LPG Việt Nam hứa hẹn tiềm năng tăng trưởng lớn

Purvin & Gertz Inc dự báo nhu cầu trung bình LPG ở VN sẽ tăng thêm 3,7%/năm trong giai đoạn 2007-2025 lên 2,6 triệu tấn Nhu cầu tăng thêm là do khu vực dân dụng và thương mại (tăng 4,5%/năm) Nhu cầu khu vực công nghiệp tăng đều trong cả giai đoạn, nhưng tỷ lệ tăng hàng năm nhỏ hơn rất nhiều khu dân dụng

và thương mại Dự báo nhu cầu không bao gồm khả năng LPG được sử dụng làm nhiên liệu cho ô tô và nhiên liệu hóa dầu của VN

Bảng 1.6: Dự báo cung cầu LPG Việt Nam (nghìn tấn) – Nguồn do Purvin & Gertz

2006 2007 2010 2012 2015 2020 2025 Khí thiên nhiên 320 320 300 300 300 300 300 Nhà máy lọc dầu 0 0 215 260 327 438 550 Tổng nguồn

cung

Tổng nhu cầu 866 946 1198 1370 1623 2074 2604

1.3 Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu LPG cho động cơ đốt trong Việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu LPG cho động cơ đốt trong, trên phương tiện giao thông vận tải đã bắt đầu phát triển mạnh trong những năm gần đây do việc

sử dụng loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm:

- Giảm được mức độ phát thải các chất gây ô nhiễm

- Giảm chi phí nhiên liệu trên cùng một quãng đường đi

- Có thêm sự lựa chọn mới về nhiên liệu thay thế cho tương lai,

Đó chính là điểm thu hút các nhà nghiên cứu về nhiên liệu, chế tạo ô tô trên thế giới cũng như ở Việt Nam quan tâm và phát triển

Động cơ sử dụng LPG được phát triển qua các thế hệ theo những nguyên lý

cơ bản sau:

- Thế hệ 1: Hệ thống cơ học, không điều khiển điện tử

Ở các nước không đòi hỏi ngặt nghèo tiêu chuẩn khí thải ô tô thường sử dụng Autogas thế hệ 1 Một van điện từ chuyển đổi mở van cấp xăng hay LPG tùy người lái Với bộ hóa hơi và điều áp sẽ cấp LPG và được trộn với không khí tại cácbuarator và hỗn hợp được đưa vào động cơ Phần hóa hơi và điều áp được gia nhiệt bởi nước làm mát động cơ

- Thế hệ 2: Hệ thống cơ học, điều khiển điện tử và chất xúc tác

Do nhiều nước yêu cầu cao về thành phần khí thải, các nhà sản xuất đã thiết

kế chế tạo thế hệ thứ 2 với sự trợ giúp của thiết bị điện tử để định lượng LPG chính xác Vẫn cùng nguyên lý thế hệ 1 nhưng nhiên liệu LPG được kiểm soát bằng tín hiệu số hoặc analog

Tín hiệu đầu vào từ cảm biến tốc độ động cơ và cảm biến lambda đo lượng oxy trong khí thải (đo bằng chất xúc tác) gửi đến bộ điều khiển điện tử để xử lý và điều khiển thiết bị (mô tô bước), điều chỉnh van cấp LPG chính nằm giữa điều áp và

bộ trộn để điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp cháy

- Thế hệ 3: Hệ thống phun điều khiển điện tử

Đối với xe sử dụng 2 loại nhiên liệu xăng/LPG, khi sử dụng LPG, nếu hệ thống đánh lửa hoạt động không tốt, hỗn hợp cháy nổ LPG/không khí đã trộn có

thể cháy trên đường ống nạp làm hư hỏng hệ thống phun xăng Các nhà sản xuất đã đưa ra hệ thống phun nhiều điểm (đa điểm) để tránh cháy ngược

- Thế hệ 4: Phun theo chu kỳ độc lập

Sử dụng cho xe hạng nặng chạy dầu diesel Giữ nguyên động cơ diesel và lắp thêm hệ thống cấp LPG tạo hỗn hợp với không khí trước khi phun, hỗn hợp sẽ cháy trong xi lanh sau khi dầu diesel được phun vào, lượng diesel sẽ giảm, LPG thay thế tối đa khoảng 40% nhiên liệu

Có thể nói rằng việc nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ xăng ở cả dạng đơn nhiên liệu (LPG) hoặc sử dụng song song hai nhiên liệu (LPG/Xăng) cho đến nay là tương đối hoàn chỉnh và đã được triển khai rộng khắp ở rất nhiều nước trên thế giới

Ngày nay việc nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ chủ yếu tập trung vào các giải pháp, ý tưởng để sử dụng LPG cho động cơ diesel vì:

- Xu hướng sử dụng động cơ diesel trên thế giới ngày càng tăng hơn động cơ xăng

- Công suất của động cơ diesel lớn hơn nhiều so với động cơ xăng dẫn đến tiêu hao nhiên liệu cho loại động cơ này được quan tâm hơn

- Phát thải của động cơ diesel gây ô nhiễm môi trường nhiều hơn động cơ xăng

- Nguyên lý hoạt động của động cơ diesel (nén cháy) khác với động cơ xăng (cháy cưỡng bức) nên việc nghiên cứu chuyển đổi sử dụng nhiên liệu LPG cho động

cơ diesel cũng phức tạp hơn

Từ nguyên lý hoạt động của động cơ diesel các nhà nghiên cứu về nhiên liệu, động cơ trên thế giới và ở Việt nam đã đưa ra những giải pháp chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu LPG như sau:

- Chuyển đổi chỉ sử dụng được 1 loại nhiên liệu duy nhất là LPG: Thay đổi nguyên lý của động cơ bằng cách lắp thêm hệ thống mồi lửa (bugi) để mồi lửa cho quá trình cháy, sinh công (vì LPG không thể tự bốc cháy) Nguyên lý này gọi là nguyên lý sử dụng đơn nhiên liệu

- Chuyển đổi sử dụng đồng thời hai nhiên liệu LPG/Diesel: Giữ nguyên kết cấu của động cơ và lắp thêm hệ thống cấp LPG, tạo hỗn hợp với không khí trước khi phun Hỗn hợp này sẽ cháy trong xy lanh sau khi dầu diesel được phun vào (cháy mồi bằng diesel trước) Nguyên lý này gọi là nguyên lý sử dụng lưỡng nhiên liệu

1.3.1 Các phương án chuyển đổi động cơ chạy bằng nhiên liệu truyền thống sang sử dụng nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG)

Về mặt lý thuyết mà nói khi tăng tỉ số nén thì công suất về kinh tế của động

cơ sẽ tăng Nhưng trong thực tế do không tránh khỏi tổn thất cơ giới tăng nên việc tăng tỉ số nén chỉ có lợi trong một phạm vi nhất định

Đối với động cơ đốt cháy cưỡng bức, giới hạn trên của tỉ số nén được quy định bởi hiện tượng kích nổ và nó phụ thuộc vào tính chất chống kích nổ của nhiên liệu mà đặc trưng bằng hằng số Octan Trong những điều kiện như nhau nhiên liệu

có trị số Otan mà càng lớn thì tỉ số nén chọn cho động cơ có thể càng cao

Do ta đã biết như trên, nhiên liệu LPG có chỉ số Octan cao hơn xăng, do đó khi chuyển động cơ xăng sang dùng LPG có thể tăng tỉ số nén của động cơ để tăng hiệu suất

b) Động cơ xăng cải tiến chuyển sang dùng đồng thời hai loại nhiên liệu xăng/LPG

- Giữ nguyên kết cấu động cơ và hệ thống

- Thêm vào hệ thống cung cấp LPG và bộ trộn khí

Do dùng đồng thời hai loại nhiên liệu nên phải sử dụng thêm các van để đóng nhiên liệu này mỗi khi muốn sử dụng nhiên liệu kia

Động cơ cải tiến chuyển sang dùng song nhiên liệu hỗn hợp khí LPG và xăng hoạt động theo nguyên lý sau:

+ LPG lỏng từ bình chứa cao áp, đặt khoang sau xe, đi qua van cách ly đầu bình tới van solenoid LPG bằng đường ống dẫn Van solenoid này sẽ đóng khi công tắc nhiên liệu bật sang vị trí xăng hoặc khi xe không hoạt động

+ LPG được hoá hơi và giảm áp xuống xấp xỉ áp suất khí trời nhờ bộ điều áp hoá hơi Bộ điều áp này có nhiệm vụ tiết lưu lượng LPG hoá hơi đi vào bộ trộn để phù hợp với mọi chế độ tải của động cơ

+ Sau khi được giảm áp, LPG ở dạng hơi đi tới bộ trộn (lắp phía trước van tiết lưu thông không khí) và đi vào buồng đốt

+ Trong quá trình giảm áp, nhiệt độ bộ giảm áp hoá hơi giảm rất nhiều Để

bù nhiệt, nước từ hệ thống làm mát có nhiệt độ cao sẽ được dẫn qua thiết bị này

+ Quá trình hoạt động của hệ thống nhiên liệu LPG được kiểm soát một cách chặt chẽ nhờ một hệ thống điều khiển điện tử và hàng loạt các cảm biến áp suất, nhiệt độ, nồng độ khí thải

Do đó khi cải tiến động cơ Diesel sang sử dụng nhiên liệu LPG, cần phải giảm tỉ số nén Việc giảm tỉ số nén có thể được thực hiện bằng nhiều cách như thay

đổi piston, xy lanh, thay đổi hành trình bằng các thay đổi trục khuỷu Nhưng phương pháp tốt nhất là chúng ta thay đổi hình dạng đỉnh piston bằng cách gia công thêm trên đỉnh piston động cơ có độ sâu hơn ban đầu hay làm thể tích phần lõm trên đỉnh lớn hơn Nhưng việc gia công này tùy thuộc vào cấu tạo của piston và tùy thuộc vào tính chất quét khí của động cơ

Do đặc tính của hai loại nhiên liệu diesel và LPG là khác nhau nên theo phương pháp này động cơ diesel nguyên bản phải được cải tạo, thay thế, lắp đặt thêm hệ thống mới phù hợp với nhiên liệu LPG

Động cơ diesel không có bugi đánh lửa, chỉ dựa vào nhiệt của quá trình nén

để bắt cháy hỗn hợp nhiên liệu diesel/không khí; diesel được phun vào xylanh động

cơ ở dạng sương mịn (vẫn ở thể lỏng) hòa trộn với không khí được nén trước, bốc cháy và giản nở Khác với diesel, LPG không phải là loại nhiên liệu nén nổ, LPG có nhiệt độ bắt cháy cao hơn so với diesel và không bắt cháy nếu chỉ nén theo cách truyền thống mà phải có bugi và đốt cháy cưỡng bức Vì vậy chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng đơn nhiên liệu LPG đồng nghĩa với việc chuyển động cơ từ cháy do nén sang đốt cháy cưỡng bức, điều đó có nghĩa là phải thay đổi đáng kể cấu tạo động cơ nguyên bản, tức là cần phải tạo đánh lửa bằng cưỡng bức nên phải cải tạo, thay nắp xi lanh, thay đổi kết cấu buồng đốt, lắp đặt thêm mạch đánh lửa và các

- Động cơ diesel gây tiếng ồn, gây bất lợi trong giao thông nội thành

- Khi tăng tốc, động cơ diesel sinh ra chất gây ô nhiễm dạng khí và huyền phù khí, nguyên nhân gây ra mùi diesel đặc trưng

Sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế diesel không gặp phải những nhược điểm này Phát thải NOx thấp hơn Khí thải và mùi đặc trưng diesel khi tăng tốc được loại bỏ, tiếng ồn động cơ giảm, hiện tượng khói đen trong khí thải giảm đáng kể

LPG cải thiện quá trình cháy trong động cơ bằng cách làm đồng đều quá trình cháy vốn khó kiểm soát được trong động cơ diesel nguyên bản “Hiệu ứng đồng đều” này làm cho quá trình cháy hoàn toàn, sạch hơn, động cơ mát hơn, nâng cao công suất, giảm phát thải

Nhiên liệu LPG được phun vào ngay trước van hút bởi hệ thống phun LPG lỏng đa điểm cho phép điều hòa thời gian đạt hiệu suất tối ưu Khi giảm tốc độ, hệ thống phun nhiên liệu đóng lại, giảm tiêu thụ LPG và giảm phát thải, đồng thời tránh hiện tượng cháy ngược khi động cơ tăng tốc trở lại

b) Phương pháp sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel

Để có thể sử dụng LPG trên động cơ diesel mà không cần thay đổi kết cấu động cơ như đã nêu trên, phương án nghiên cứu sử dụng cả hai loại nhiên liệu diesel

và LPG (lưỡng nhiên liệu) đang được triển khai rộng rãi Phương án này được đánh giá là thích hợp trong giai đoạn ban đầu, mới chuyển đổi, khi mà thói quen sử dụng nhiên liệu LPG thay thế còn chưa phổ biến Với động cơ lưỡng nhiên liệu, có thể sử dụng đơn nhiên liệu diesel (như đối với động cơ nguyên bản), hoặc sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG và diesel Việc lăp đặt thêm bộ chuyển đổi để sử dụng nhiên liệu LPG chỉ cần thay đổi nhỏ kết cấu nguyên bản động cơ diesel

Về mặt nguyên lý, có thể chuyển đổi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel cho bất kỳ loại động cơ diesel nào, có tăng áp hoặc không có tăng áp (hút không khí

tự nhiên), phun nhiên liệu cơ khí hoặc điện tử

Nhưng có một vấn đề thu hút các nhà nghiên cứu là làm cách nào đưa LPG vào buồng đốt động cơ diesel để đạt hiệu quả cao nhất khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel Tính đến thời điểm hiện nay cũng có nhiều nghiên cứu cho rằng có thể

có nhiều phương pháp khác nhau để cung cấp LPG vào buồng đốt:

- Trộn LPG dạng lỏng với nhiên liệu diesel (2 loại nhiên liệu này tồn chứa ở hai bình chứa riêng biệt), sau đó hỗn hợp nhiên liệu lỏng LPG/diesel được phun vào buồng đốt,

- Phun LPG trực tiếp vào buồng đốt, có thể sử dụng vòi phun chung phun xen kẽ 2 nhiên liệu hoặc sử dụng 2 vời phun riêng biệt

- Hơi LPG được trộn với không khí, sau đó hỗn hợp này được dẫn vào buồng đốt;

1.3.2 Nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu LPG cho động cơ diesel trên thế giới

Trên thế giới việc chuyển đổi sử dụng động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/Diesel ngày càng được quan tâm và loại phương tiện chuyển đổi chủ yếu tập trung vào các

xe tải, xe chở khách (tắc xi, xe buýt,…) Liên Xô cũ là một trong những nước đi tiên phong trong việc nghiên cứu, ứng dụng chuyển đổi Vào những năm của thập kỹ 70 thế kỹ trước Liên Xô cũ đã nghiên cứu chuyển các động cơ máy kéo M-17, động cơ D-45 và động cơ diesel V-2 sang chạy LPG với phương pháp trộn hỗn hợp bên ngoài và phát cháy bằng tia lửa điện

Tại Châu Mỹ từ những năm 1917, Clark Material Handling Company là hãng đầu tiên sản xuất xe nâng hàng hóa, cho đến nay hãng đã cho ra đời nhiều mẫu

xe nâng hàng chạy bằng động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/Diesel Hiện nay có khoảng 250.000 xe nâng hàng của Clark được sử dụng tại Bắc Mỹ và hơn 350.000 chiếc sử dụng trên toàn thế giới

Tại Châu Âu, Anh là nước đã chuyển đổi động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG, CNG/Diesel bắt đầu từ những năm 1996 và được hiệp hội thiết kế LPGA (LPG Autogas) phê chuẩn vào năm 2000, đến nay ở Anh có khoảng 90.000 xe được chuyển đổi và đã hoàn thiện cho nhiều chủng loại xe khác nhau, từ loại nhỏ nhất là động cơ diesel 0,7 lít đến loại lớn nhất là những động cơ xe tải hạng nặng dung tích

xy lanh lên tới vài chục lít Hãng GSPK là một trong những hãng xe đi đầu về công nghệ lưỡng nhiên liệu LPG/Diesel tại Anh Hãng đã lắp đặt hơn 500 xe tải hạng nặng sử dụng hệ thống lưỡng nhiên liệu và đều thành công Hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu GSPK giúp tiết kiệm nhiên liệu từ 10-20%

Tại Châu Úc, Australia là nước ứng dụng chuyển đổi lưỡng nhiên liệu cho động cơ diesel rất phổ biến Việc chuyển đổi này được thực hiện trên hầu hết các loại phương tiện từ cá nhân đến công cộng, thậm chí cả tầu thủy Theo khảo sát loại phương tiện chủ yếu được ứng dụng là xe chở khách (buýt, tắc xi ), xe tải hạng

nặng (xe container, xe khai thác mỏ,…) bởi loại xe trên sử dụng rất nhiều nhiên liệu nên đem lại hiệu quả kinh tế cao Theo số liệu báo cáo của công ty ECO-GAS Sydney, Australia thì mỗi tháng công ty bán được khoảng 450-500 bộ chuyển đổi lưỡng nhiên liệu và theo ước tính của ECO-GAS Sydney, thì tại Australia có khoảng gẩn 20 công ty kinh doanh trong lĩnh vực lắp đặt bộ chuyển đổi có nghĩa là trung bình một tháng tại Australia có khoảng 5.000-8.000 phương tiện các loại chuyển đổi sang sử dụng lưỡng nhiên liệu

Tại Châu Á, Philipin là quốc gia đi đầu ở khu vực Đông nam Á trong việc sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/Diesel đại trà trên phương tiện công cộng, vào tháng 6/2008 Tổng thống Philipin Gloria Macapagal-Arroyo đã dành một khoảng ngân sách 1 tỷ peso để chuyển đổi các phương tiện công cộng sử dụng nhiên liệu Diesel sang sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/Diesel Hiện tại có khoảng 53 trạm tiếp LPG cho các phương tiện sử dụng động cơ lưỡng nhiên liệu tại thủ đô Manila của Philipin MACRO Liquefied Petroleum Gas Co Inc một công ty cung cấp LPG tại Philipin đang có kế hoạch mở rộng mạng lưới LPG ra các thành phố khác của Philipin như Baguio, Cebu, Davao…Công ty cũng hứa hẹn sẽ sản xuất 15.000 phương tiện sử dụng lưỡng nhiên liệu mỗi năm bao gồm xe Bus, Jeepney (một loại phương tiện công cộng phổ biến tại Philipin) và tắc xi Các động cơ sau khi chuyển đổi chạy lưỡng nhiên liệu với tỷ lệ 60-70% diesel và 30-40% LPG

1.3.2.1 Về tính năng kỹ thuật động cơ sử dụng LPG

Thông thường việc chuyển đổi sử dụng LPG được thực hiện với động cơ xăng, các động cơ này có thể chạy cả với xăng và LPG

Đặc tính động cơ LPG tương đương, thậm chí tốt hơn so với động cơ sử dụng các loại nhiên liệu khác LPG có trị số Octan cao hơn xăng nên khi chuyển đổi động cơ LPG hoạt động êm hơn động cơ xăng, giảm hư hỏng và giảm thời gian bảo dưỡng các chi tiết như bugi… LPG cũng gây ra ít phát thải muội than so với cả xăng và diesel nên giảm mài mòn, duy trì chất lượng dầu bôi trơn kéo dài thay dầu, đặc biệt LPG không pha loãng màng dầu bôi trơn trên bề mặt xylanh như xảy ra đối với động cơ xăng khi khởi động lạnh Trị số Octan của LPG cao giúp nâng cao tỷ số

nén, nâng cao hiệu suất nhiệt, công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải Khả năng gia tốc và tốc độ cực đại của động cơ sử dụng LPG thế hệ gần đây tương đương với động cơ xăng và diesel

Tuy nhiên, động cơ LPG cũng có một số nhược điểm Do khối lượng riêng của LPG thấp nên cần không gian chứa lớn hơn xăng và diesel để có thể đi được cùng một quãng đường, làm tăng thể tích và khối lượng chiếm chỗ có thể làm giảm khả năng tăng tốc và gia tốc của phương tiện Vấn đề này đối với động cơ CNG còn nghiêm trọng hơn Các nghiên cứu về bình chứa dạng vòng với các loại vật liệu composite nhẹ giúp phần nào khắc phục vấn đề này Các khó khăn này phần nào làm giảm số lượng phương tiện sử dụng LPG, trong khi đó tăng số lượng các phương tiện sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG cũng yêu cầu khắt khe hơn xăng và diesel trong quá trình nạp nhiên liệu

1.3.2.2 Về chất lượng khí thải động cơ sử dụng LPG

Phương tiện vân tải là nguồn khí thải lớn gây ô nhiễm không khí, ảnh hưởng thải tới sức khỏe con người, tăng hàm lượng CO2 gây hiệu ứng nhà kính Hầu hết các nước đều có chính sách nhằm cắt giảm lượng khí thải, đảm bảo chất lượng không khí, đặc biệt trong các thành phố, khu đô thị lớn thông qua các tiêu chuẩn khí thải ngày càng khắt khe

Giải pháp kỹ thuật giảm khí thải gồm cải thiện tính kinh tế nhiên liệu, chất lượng nhiên liệu và lắp đặt các hệ thống xử lý khí thải Động cơ sử dụng LPG có phát thải NOx và PM thấp hơn so với động cơ xăng và diesel, nhất là với động cơ đạt tiêu chuẩn khí thải cao như Euro 5 (Hình 1.5)

Động cơ LPG có phát thải thấp hơn động cơ xăng ngay cả ở các chế độ khởi động lạnh vì không cần phải làm đậm hỗn hợp như ở động cơ xăng

Các khí thải độc hại không quy định trong tiêu chuẩn như benzene, acetaldehyde, formaldehyde và 1,3 butadiene… cũng thấp hơn ở động cơ LPG