Nghiên cứu đánh giá đặc tính ô nhiễm của động cơ LPG chuyển đổi từ động cơ xăng

MỤC LỤC Chương I: TỔNG QUAN VỀ LPG . 1 1.1 Giới thiệu . 1 1.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng khí hóa lỏng (LPG) . 2 1.2.1 Trên thế giới 2 1.2.2 Ở Việt Nam . 5 1.3 Tác hại chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong . 8 1.3.1 Các chất độc hại sản sinh trong quá trình động cơ hoạt động 8 1.3.2 Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ 10 1.3.2.1 Đối với sức khỏe con người 10 1.3.2.2 Đối với môi trường 11 1.4 Giới thiệu đề tài nghiên cứu: . 12 1.5 Lý do thực hiện đề tài: . 13 1.6 Mục tiêu nghiên cứu . 14 1.7 Đối tượng nghiên cứu: 14 1.8 Nội dung nghiên cứu . 14 1.9 Ý nghĩa thực tiễn: . 14 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT . 16 2.1 Lý thuyết về LPG 16 2.1.1 Định nghĩa LPG . 16 2.1.2 Thành phần của LPG 16 2.1.3 Tính chất của LPG . 18 2.1.4 Chỉ số Octan . 22 2.1.5 LPG dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong 23 2.2 Lý thuyết về động cơ sử dụng LPG 23 2.2.1 Động cơ sử dụng LPG . 23 2.2.2 Các cụm chi tiết chính của hệ thống LPG trên ôtô . 25 2.2.2.1 Bộ trộn khí . 25 2.2.2.2 Bộ giảm áp hóa hơi 26 2.2.2.3 Bình chứa LPG 26 2.2.2.4 Các cụm khác trong hệ thống LPG . 26 2.2.2.5 Tổng quan về các bộ phận lắp đặt trên xe sử dụng nhiên liệu LPG . 26 2.2.3 Nghiên cứu chuyển đổi động cơ sang sử dụng LPG . 34 2.2.3.1 Các phương pháp sử dụng nhiên liệu khí để chạy động cơ đốt trong . 34 2.2.3.2 Các phương án chuyển đổi động cơ chạy bằng nhiên liệu truyền thống sang sử dụng nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) . 35 2.3 Lý thuyết về hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu 37 2.3.1 Đối với động cơ sử dụng bộ chế hòa khí 37 2.3.1.1 Bộ trộn Venturi . 37 2.3.1.2 Bộ chế hòa khí dạng modul hóa . 39 2.3.2 Đối với động cơ phun xăng hiện đại . 40 2.3.2.1 Cung cấp nhiên liệu bằng họng ống Venturi 40 2.3.2.2 Phun nhiên liệu LPG . 40 2.4 Nghiên cứu lắp đặt bộ chuyển đổi từ xăng sang LPG . 42 2.4.1 Vị trí lắp đặt bộ giảm áp/hóa hơi 42 2.4.1.1 Yêu cầu lắp đặt . 42 2.4.1.2 Lắp đặt bộ giảm áp / hóa hơi lên xe 44 2.4.2 Bố trí vị trí lắp đặt van điện từ . 45 2.4.3 Lắp đặt van điện từ 46 2.4.4 Lắp đặt bộ trộn . 48 2.4.5 Các chi tiết phụ đi kèm bộ hóa hơi . 50 2.4.5.1 Nối bộ giảm áp vào dòng nước làm mát của xe . 50 2.4.5.2 Nối bộ giảm tốc đến bộ điều chỉnh dòng và bộ trộn 51 Chương III: NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 52 3.1 Giải pháp kỹ thuật để động cơ có thể sử dụng nhiên liệu nhiên liệu LPG 52 3.2 Các phương án đem lại hiệu quả cao 53 3.2.1 Chế tạo động cơ mới 53 3.2.2 Động cơ sử dụng song song 2 loại nhiên liệu LPG và nhiên liệu hóa lỏng 53 3.2.3 Động cơ sử dụng LPG làm nhiên liệu chính, nhiên liệu lỏng làm nhiên liệu mồi 56 3.3 Lựa chọn phương án 57 Chương IV: QUY TRÌNH LẮP ĐẶT BỘ CHUYỂN ĐỔI TỪ XĂNG SANG LPG 60 4.1 Lắp đặt thiết bị đo kiểm trên động cơ xăng. . 60 4.2 Lắp đặt bộ chuyển đổi từ xăng sang Gas và thiết bị đo kiểm 63 Chương V: CHẠY THỰC NGHIỆM VÀ ĐO KIỂM . 68 5.1 Thiết bị thí nghiệm: 68 5.1.1 Động cơ sử dụng . 68 5.1.2 Bộ chuyển đổi LPG 69 5.1.3 Bình nhiên liệu và bộ hóa hơi . 69 5.1.4 Thiết bị kiểm tra khí thải 70 5.1.5 Đèn cân lửa . 71 5.1.6 Thiết bị đo nhiệt độ động cơ . 72 5.2 Sơ đồ, điều kiện và trình tự thí nghiệm 72 5.2.1 Sơ đồ thí nghiệm 72 5.2.2 Điều kiện thử nghiệm 73 5.2.3 Trình tự thử nghiệm 73 5.3 Kết quả thí nghiệm và bàn luận kết quả 73 1 Chương I: TỔNG QUAN VỀ LPG 1.1 Giới thiệu Nhiên liệu LPG được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới như Trung Quốc, Nhật Bản, Đức, Mỹ v.v…Năng lượng này được các nhà nghiên cứu lấy từ chất thải trong dầu khí. Thành phần chính của LPG là Propane (C 3 H 8 ) và Butane (C 4 H 10 ), không màu, không mùi, không vị và không có độc tố. Đây là nguồn năng lượng dùng làm chất đốt thay thế cho nhiên liệu truyền thống; phục vụ cho sinh hoạt của con người trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải v.v… rất hiệu quả giảm được chi phí và chủ động được nguồn nhiên liệu. Khí phát thải không ô nhiễm môi trường và là nguồn năng lượng tiềm năng trong tương lai. Phương tiện giao thông "sạch" chạy trong thành phố đã thực sự lôi cuốn sự quan tâm của cả những nhà sản xuất ô tô lẫn các nhà quản lý môi trường. Các kỹ thuật mới nhằm hoàn thiện động cơ truyền thống như phun nhiên liệu điều khiển điện tử, hồi lưu khí xả, lọc bồ hóng và xử lý khí trên đường xả bằng bộ xúc tác ba chức năng . đã tạo ra những bước tiến đáng kể trong ngành động cơ đốt trong. Tuy nhiên kết quả của sự hoàn thiện đơn thuần động cơ cổ điển nhằm giảm ô nhiễm môi trường cho tới nay vẫn còn xa so với sự mong đợi của các nhà bảo vệ môi trường. Phương tiện giao thông không phát sinh ô nhiễm (zero emission vehicle) vẫn đang còn là mục tiêu phía trước. Để đạt mục tiêu này thì điện và nguồn nhiên liệu sạch là giải pháp lý tưởng nhất. Tuy nhiên tương lai phát triển của các giải pháp này phụ thuộc vào khả năng hoàn thiện các loại động cơ nhiệt và sử dụng các nguồn nhiên liệu sạch thay thế các nguồn nhiên liệu lỏng truyền thống. Theo dự báo thì trong vòng 10 năm tới, kỹ thuật làm giảm ô nhiễm bằng cách cải thiện động cơ sử dụng LPG và khí thiên nhiên sẽ chiếm ưu thế. Mức độ giảm ô nhiễm của ô tô sử dụng điện phụ thuộc vào nguồn năng lượng sản xuất ra điện năng. Nếu nguồn điện được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch thì việc sử dụng ô tô chạy điện không làm giảm ô nhiễm môi trường nói chung. Vì vậy theo những phân tích trên đây, trong vòng 2 thập niên tới chúng ta chỉ nên cân nhắc sử dụng khí thiên nhiên hay khí dầu mỏ hóa lỏng LPG để làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông vận tải chạy trong thành phố. 2 Đứng về mặt năng lượng và môi trường mà nói thì 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. Sử dụng nguồn năng lượng này cho giao thông vận tải chúng ta sẽ tiết kiệm được một khối lượng dầu mỏ rất lớn để xuất khẩu và hạn chế được các chất khí gây ô nhiễm môi trường ở các thành phố. Tuy nhiên sử dụng khí thiên nhiên cho phương tiện vận tải đòi hỏi đầu tư ban đầu rất lớn nhất là khi hệ thống 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 tuy LPG không dồi dào như khí thiên nhiên. Hiện nay chúng ta có nhà máy sản xuất ga Dinh Cố và nhà máy lọc dầu Phú Quốc đầu tiên nước ta đã đi vào hoạt động, sản lượng khí đồng hành của nhà máy là nguồn cung cấp 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 thứ hai là chúng ta có thể chủ động chế tạo những phụ kiện cơ bản của hệ thống nhiên liệu LPG bằng công nghệ trong nước. 1.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng khí hóa lỏng (LPG) 1.2.1 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. 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. Sự phát triển ô tô dùng LPG phụ thuộc vào chủ trương của mỗi 3 quốc gia, đặc biệt là phụ thuộc vào chính sách bảo vệ môi trường. Sự khuyến khích sử dụng ôtô LPG thể hiện qua chính sách thuế ưu đãi của mỗi quốc gia đối với loại nhiên liệu này. 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 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 .). Biểu đồ 1.1: Tình hình sử dụng LPG ở Pháp Biểu đồ 1.2: Tình hình sử dụng LPG ở Hà Lan Ở một số nước Châu Á, Hàn Quốc và Nhật Bản chẳng hạn, để giảm ô nhiễm môi trường đô thị, chính phủ các nước này khuyến khích, tiến tới bắt buộc 4 taxi phải dùng nhiên liệu khí hóa lỏng. Hiện nay toàn bộ taxi Hàn Quốc đều dùng loại nhiên liệu này. Một số quốc gia có sự tăng trưởng thị trường autogas nhanh nhất như sau:  Hàn Quốc Là quốc gia có số lượng ôtô sử dụng khí gas lớn nhất thế giới hiện nay. Giá LPG chạy xe chỉ bằng 1/3 giá xăng nên được dùng rất rộng rãi cho taxi, buýt và xe tải. Năm 2007 đạt số lượng xe dùng LPG là hơn 4 triệu.  Thỗ Nhĩ Kỳ Năm 1999 có 500.000 taxi chạy LPG (chiếm 92% tổng số). Năm 2007 là 2,1 triệu xe. Là một trong những nước có lượng ôtô chạy sử dụng LPG lớn nhất thế giới. Giá LPG chạy xe chỉ bằng 34% so với các nhiên liệu khác. Việc chuyển đổi xe sang dùng LPG diễn ra ồ ạt không kiểm soát được. Hiện nay có khoảng 25% số lượng ôtô ở Thổ Nhĩ Kỳ được chạy bằng LPG.  Italia Là một trong những quốc gia có mức tiêu thụ LPG cho autogas lớn nhất ở Châu Âu với lượng tiêu dùng hàng năm đạt 1,3 triệu tấn. Hiện nay có khoảng 1,2 triệu ôtô và hơn 700.000 phương tiện khác sử dụng LPG. Tuy chỉ mới chiếm 4% tổng số xe nhưng đang phát triển rất nhanh do được chính phủ hỗ trợ bằng các biện pháp như: - Hạn chế xe xăng dầu nơi ô nhiễm. - Hỗ trợ 377USD/xe cho việc chuyển đổi sang dùng LPG.  Anh Thị trường xe dùng LPG hiện tại ở Anh có khoảng 25.000 xe. Theo dự báo của chính phủ đến cuối năm 2005 sẽ có khoảng 250.000 xe. Chính phủ có quỹ hỗ trợ cho chuyển đổi xe sang dùng LPG, thuế ưu đãi cho LPG dùng chạy xe, hỗ trợ mở rộng các trạm bơm LPG cho xe.  Các quốc gia khác Tại Hồng Kông, Trung Quốc, Malaysia, Đài Loan,… đều có số lượng xe dùng LPG tăng rất nhanh. Chính phủ các nước này đều có chính sách khuyến khích sử dụng LPG cho xe hơi như: thuế ưu đãi cho LPG dùng chạy xe, hỗ trợ phí chuyển đổi xe, hỗ trợ mở rộng hệ thống nạp LPG cho xe. 5 1.2.2 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 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 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. Bên cạnh có những thuận lợi về nguồn tài nguyên, tuy nhiên việc sử dụng khí hóa lỏng dành cho các phương tiện giao thông còn đang trong giai đoạn nghiên cứu và chưa được ứng dụng rộng rãi do giá thành lắp đặt thiết bị chuyển đổi tương đối cao và việc xây dựng các trạm cung cấp nhiên liệu còn hạn chế. Bên cạnh đó nhà nước chưa có chính sách khuyến khích, hỗ trợ cho các phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu khí nên việc chuyển đổi còn hạn chế, hầu như chỉ có một số hãng taxi chuyển sang dùng nhiên liệu khí, cụ thể như sau: Năm 1997, tại Thành Phố Hồ Chí Minh, Sài Gòn Petro liên kết cùng một số đơn vị cho chạy 20 đầu xe tải và xây dựng trạm nạp LPG cho ôtô. 6 Ngày 19-12-2004, Công ty Taxi Gas Sài Gòn Petrolimex – Taxi Xanh đã đưa 90 xe taxi Mitsubishi Jolie chạy bằng gas vào hoạt động trên địa bàn TP.HCM với phương châm “Vì một môi trường mãi xanh”. Hình 1.1: Taxi sử dụng nhiên liệu LPG của công ty Petrolimex Công ty Universal Petroleum (UP) đã triển khai trong năm 2002 đội xe 7– 12 chỗ chạy liên tỉnh tại TP. Hồ Chí Minh và đặt 2 trạm cấp LPG tại TP.HCM và Cần Thơ. Công ty cơ khí Ngô Gia Tự Hà Nội đã có đề tài chuyển đổi xe dùng xăng sang dùng LPG và hiện đã thành lập đội taxi gas 4 chỗ với 30 chiếc (giai đoạn 2 là 80 chiếc). Năm 2008 công ty Cổ Phần Vận Tải Dầu Khí Đông Dương là một thành viên nằm trong hệ thống Tập Đoàn Dầu Khí Việt Nam. Đã đầu tư dàn xe Hyundai Elantra để thành lập đoàn xe Taxi Dầu Khí, sử dụng nhiên liệu sạch (LPG) thân thiện với môi trường, tiết kiệm nhiên liệu, giải quyết vấn đề về giá xăng dầu hiện nay. Ngoài ra còn một số dự án về chuyển đổi xe sang dùng LPG của Đại Học Bách khoa Đà Nẵng cũng như chuyển đổi sang dùng LPG cho Airport taxi của UP và thị trường đang ngày một sôi động hơn. Năm 2003- 2006 Công ty Cơ khí Ngô Gia Tự (Tổng Công ty công nghiệp ô tô Việt Nam) đã đầu tư thí điểm dự án chuyển đổi xe xăng sang chạy LPG. Đến năm 2006 Công ty cơ khí Ngô Gia Tự đã làm chủ được công nghệ chuyển đổi, 7 lắp đặt 1 trạm LPG ở Hà Nội và tổ chức vận hành 30 xe taxi chạy nhiên liệu LPG tại Hà Nội. Hình 1.2: Taxi sử dụng nhiên liệu LPG của công ty cơ khí Ngô Gia Tự Từ 2006, thành phố Đà nẵng đã bắt đầu cho sử dụng các xe thùng 3 bánh chạy LPG phục vụ công tác thu gom rác thải sinh hoạt tại công ty môi trường đô thị. Hình 1.3: Xe chở rác sử dụng nhiên liệu LPG tại Đà Nẵng Hiện tại thành phố Hồ Chí Minh đã có 3 cột nạp phục vụ gần 500 xe taxi sử dụng LPG. Cả nước hiện có khoảng 1.500 xe taxi chạy bằng nhiên liệu LPG, chủ yếu tại 3 thành phố lớn Hà Nội, Sài Gòn, Đà Nẵng. Ngày 08/04/2011 UBND TP.HCM vừa chấp thuận cho công ty TNHH Dầu khí TP xây dựng thí điểm trạm nạp khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) cho ô tô tại 7 cửa hàng xăng dầu. Bảy trạm nạp khí này sẽ trải rộng trên địa bàn TP, tại các cửa