Động cơ diesel được sử dụng rất phổ biến, mặc dù tổng sốlượng ít hơn động cơ xăng nhưng tổng cơng suất có thể lớn hơn nhiều vì động cơ diesel thường được sử dụng trên các phương tiện vận tải công suất lớn và trang bị động lực khác. Ở Việt Nam theo thống kê năm 2007, số lượng ô tô trang bị động cơ diesel chiếm khoảng 22% tổng số ô tô đang hoạt động. Tuy nhiên, tỷ lệ phương tiện trang bị động cơ diesel ngày càng tăng.
Theo quyết định 356 QĐ-TTg ngày 25-2-2013 của Thủ tướng Chính phủ về điều chỉnh quy hoạch phát triển giao thông vận tải đường bộđến năm 2020 và định hướng đến năm 2030 [2]. Đến năm 2020, định hướng phát triển phương tiện vận tải gồm ô tô các loại có khoảng 3,2 – 3,5 triệu xe, trong đó xe con 57%, xe khách 14% và xe tải 29% (2 loại xe khách và xe tải hầu hết trang bị động cơ diesel) và khoảng 36 triệu xe máy. Như vậy, số lượng động cơ diesel đến năm 2020 có thể lên đến trên 1,5 triệu chiếc. Số lượng và tỷ lệ động cơ diesel ngày càng tăng do động cơ
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
HV: Trần Thanh Tuấn -21- MSHV: CA120171 diesel có ưu điểm nổi trội là tính kinh tế nhiên liệu cao hơn động cơ xăng do hiệu suất cao hơn, suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn và giá nhiên liệu rẻhơn. Tuy nhiên, động cơ diesel có mức phát thải khói bụi (phát thải rắn) khá cao. Do đó, đã có nhiều cơng trình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế có mức phát thải thấp hơn như nhiên liệu LPG cho động cơ diesel để thay thế một phần nguồn nhiên liệu diesel đang cạn dần và đồng thời giảm phát thải cho động cơ trong khi vẫn tận dụng được tính ưu việt về hiệu suất cao và tiêu hao nhiên liệu thấp của loại động cơ này. Việt Nam có số lượng động cơ diesel khơng nhỏ nên việc nghiên cứu sử dụng LPG trên các động cơ này có ý nghĩa kinh tế xã hội rất cao đối với việc giảm tiêu thụ nhiên liệu truyền thống và bảo vệmơi trường.
Năm 2007 Cơng ty cơ khí Ngơ Gia Tự đã thực hiện đề án: “ Nghiên cứu sử dụng khí hóa lỏng cho xe bt thành phố vì mục đích bảo vệmơi trường” [3], trong đó đã nghiên cứu sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel cho xe buýt 22 chỗ trang bị động cơ diesel. Kết quả nghiên cứu cho thấy sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel giảm được chi phí nhiên liệu chung (theo giá nhiên liệu năm 2007) và giảm độ khói của xe. Tuy nhiên, nghiên cứu này mới ở mức sơ bộ với tỷ lệ LPG thay thế thấp (dưới 19%) và chưa đánh giá được ảnh hưởng của LPG đến các thành phần phát thải khí của xe cũng như chưa đánh giá được ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thếđến đặc tính kinh tế, kỹ thuật của xe.
Đề tài nghiên cứu khoa học và cơng nghệ cấp ngành dầu khí do ThS.Vũ An làm chủ nhiệm đề tài được thực hiện năm 2009: Nghiên cứu sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/khí hóa lỏng (LPG) đồng thời chuyển đổi động cơ diesel trên xe buýt theo hướng phù hợp nhằm giảm thiểu ô nhiễm mô trường tại các đô thị lớn ở Việt Nam[1].
Luận văn thạc sĩ khoa học của học viên Nguyễn Khoa Bằng chuyên ngành Kỹ thuật Động cơ đốt trong - Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện năm 2010: Nghiên cứu, đánh giá tác động của việc sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - khí hóa lỏng (LPG) đến tính năng và phát thải của động cơ diesel truyền thống [11].
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
HV: Trần Thanh Tuấn -22- MSHV: CA120171 thuật Cơ khí Động lực – Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện năm 2011: Nghiên cứu xây dựng bộ thông số tối ưu điều khiển LPG trên động cơ Diesel sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu Commonrail [12].
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật của học viên Phạm Việt Cường chuyên ngành Kỹ thuật Động cơ đốt trong – Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện năm 2014: 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 [13].
Các nghiên cứu này đều được thực hiện tại Phịng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Hệ thống cung cấp LPG cho động cơ diesel D1146TI (lắp trên xe buýt) được mua của Hãng Eco-gas, Australia. Hệ thống này gồm một bộ hóa hơi, van định lượng (kiểu díclơ), ECU điều khiển, cảm biến kích nổ và hệ thống đường ống nối.Sơ đồ hệ thống cung cấp LPG cho động cơ được thể hiện trên Hình 1.5 [5].
Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống cung cấp LPG cho động cơ
1.3.2.1 Kết quả đo độ khói trong khí thải với giá trị áp suất LPG sau bộ hóa hơi khác nhau
Các cơng trình nghiên cứu ở trên đã tiến hành đánh giá để lựa chọn áp suất LPG phun vào động cơ theo tiêu chí dựa trên độ khói trong khí thải và độrung động của động cơ.
Với kết quả nghiên cứu đã đánh giá và lựa chọn áp suất phun LPG là 2,65 bar.Tuy nhiên với tiêu chí là dựa trên nồng độ phát thải độ khói của động cơ và cảm nhận độ rung động của động cơ nên chưa đánh giá hết được ảnh hưởng của áp suất
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
HV: Trần Thanh Tuấn -23- MSHV: CA120171 LPG đến các tính năng kinh tế, kỹ thuật và các phát thải độc hại khác.
1.3.2.2 Kết quả đo mức tiêu hao nhiên liệu ở chế độ chạy ổn định
Quá trình đo tiêu hao nhiên liệu được thực hiện cùng một chế độ làm việc của động cơ, sau đó tiến hành đo và so sánh tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng diesel và khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel. Lượng tiêu hao diesel được đo bằng cân nhiên liệu Fuel Balancer 733S. Lượng tiêu hao LPG được đo bằng cân bàn có dải đo 0÷120kg, sai số 0,5kg.
Đểtăng độ chính xác, việc cân lượng tiêu hao nhiên liệu LPG được thực hiện 3 lần trong các khoảng thời gian 5h, 5,5h và 8,5h với lượng tiêu hao LPG tương ứng là 25kg, 29kg và 43kg. Kết quảđo mức tiêu hao nhiên liệu trong các trường hợp sử dụng diesel và lưỡng nhiên liệu LPG/diesel. Như vậy khi sử dụng lưỡng nhiên liệu, lượng diesel giảm đi 5,77 kg/h (25,6%), lượng LPG cung cấp thêm vào là 5,11kg/h.
Kết quảlượng nhiên liệu diesel giảm đi nói trên thể hiện lượng nhiên liệu diesel được thay thế tối ưu nhất khoảng 25,6%. Lúc đó lượng nhiên liệu LPG đưa vào có khối lượng thấp hơn lượng nhiên liệu diesel giảm đi, mặt khác giá thành của LPG rẻ hơn so với giá dầu diesel (trong trường hợp được nhà nước trợ giá như ở các nước trên thế giới). Điều này bước đầu cho thấy tính kinh tế khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/dieseltrên động cơ diesel truyền thống.
Tuy nhiên trong quá trình làm việc của động cơ vận tải, các chếđộ của động cơ thay đổi liên tục, do đó tỷ lệ LPG thay thế cần được thay đổi theo. Hệ thống cung cấp LPG của Eco-gas chưa cho phép thực hiện điều này, vì thế cần có những nghiên cứu, cải tiết hệ thống cung cấp LPG.
1.3.2.3 Kết quả thử nghiệm khí thải
a) Thử nghiệm theo chu trình thử Châu Âu ECE R49
Đo khí thải theo chu trình ECE R49 được thực hiện 3 lần: trước khi chạy ổn định (thời điểm 0h) với nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu, và sau khi chạy ổn định 100h với lưỡng nhiên liệu.
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
HV: Trần Thanh Tuấn -24- MSHV: CA120171 khi hàm lượng NOx giảm so với khi sử dụng diesel thông thường. Sự thay đổi này có thể là do bản chất của LPG có chỉ sốoctan cao (cao hơn xăng từ5 đến 12 đơn vị) cho thấy khả năng tự cháy của LPG kém. Dù được cung cấp vào đường nạp từ rất sớm (trước két làm mát khơng khí) và thời gian chuẩn bị cho q trình hịa trộn với diesel thành hỗn hợp đồng nhất khi đi vào xylanh nhưng việc hình thành những trung tâm tựcháy đầu tiên vẫn do nhiên liệu diesel tự bốc cháy. Ngoài ra LPG cung cấp vào có thể lấy đi một phần nhiệt lượng của q trình sấy nóng - bay hơi - hịa trộn, khiến thời điểm hỗn hợp khơng khí - nhiên liệu thực sự bốc cháy muộn đi so với khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel. Nhìn chung quá trình cháy tồi hơn so với động cơ khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel.
0,54 1,05 1,09 1,1 1,1 0,39 3,03 3,82 4,5 4 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 (0h) (0h) (100h)
Diesel Diesel+LPG Diesel +LPG Euro I Euro II
CO , HC ( g /k W h ) HC (g/kWh) CO (g/kWh) Hình1.6. So sánh hàm lượng HC và CO (g/kWh)
Hàm lượng NOx từ chỗ vượt quá tiêu chuẩn cho phép của EURO II (thậm chí cả EURO I) khi thử nghiệm với nhiên liệu diesel nhưng đã giảm xuống dưới giá trị quy định khi thử nghiệm với lưỡng nhiên liệu LPG/diesel(Hình 1.7).
Lượng chất thải dạng hạt PM khi sử dụng lưỡng nhiên liệu lớn hơn so với trường hợp chạy bằng diesel cũng một phần do quá trình cháy kém hơn và phát thải HC tăng (Hình 1.6). Đồng thời, sự phát thải này có xu hướng gia tăng theo thời gian sử dụng do sự suy giảm khảnăng làm việc của các hệ thống trên động cơ.
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HV: Trần Thanh Tuấn -25- MSHV: CA120171 8,04 6,82 6,54 8 7 0,17 0,21 0,28 0,36 0,15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (0h) (0h) (100h)
Diesel Diesel+LPG Diesel +LPG Euro I Euro II
N O x, P M ( g /kW h ) NOx (g/kWh) PM (g/kWh) Hình 1.7. So sánh hàm lượng NOx và PM b) Kết quả thử nghiệm độ khói
Độ khói trong khí thải được thử nghiệm ở chế độ 50% và 100% tải, tốc độ từ 1000v/ph đến 2200 v/ph.Kết quả cho thấy sử dụng lưỡng nhiên liệu độ khói giảm tại tất cá các điểm đo. Độ khói giảm trung bình 35,52% ở 50% tải; 9,01% ở 100% tải.
Kết quả thử nghiệm theo chu trình ECE R49 ở trên cho thấy sự gia tăng hàm lượng các chất thải dạng hạt PM khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG trong khi thử nghiệm đo độ khói bằng thiết bị Smoke Meter AVL 415S cho thấy sự giảm rõ rệt của độ khói. Sựthay đổi trái chiều trên có thể là do các thành phần hóa lý của LPG (Việt Nam chưa có tiêu chuẩn LPG riêng cho phương tiện mà dùng chung với tiêu chuẩn LPG dân dụng và công nghiệp), chất phụ gia dầu bôi trơn … chiếm tỉ trọng lớn trong khi độ khói chỉ phản ánh thành phần bồ hóng và cacbon tự do của PM.
1.3.2.4 Kết quả thử nghiệm đặc tính động cơ
Các thông số của động cơ được xác định trong điều kiện động cơ hoạt động với nhiên liệu diesel ở chế độ 85% tải, sau đó cung cấp thêm LPG để chuyển sang chế độ chạy lưỡng nhiên liệu.
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
HV: Trần Thanh Tuấn -26- MSHV: CA120171 tăng trung bình 23,24% và tăng khá đều trên toàn bộ dải tốc độ.
Giá trị công suất ở 0h, sau 50h và sau 100h với cả hai loại nhiên liệu ổn định, khơng có sự thay đổi. Cũng có thể thấy, do thời gian thử nghiệm bền 100h là ngắn nên hầu như chưa thể hiện được sự thay đổi về công suất của động cơ. Đây cũng chính là điềm hạn chế về thời gian chạy thử nghiệm bền.
Giá trị cơng suất khi đo đặc tính với lưỡng nhiên liệu (85% tải) tại các thời điểm chạy ổn định tương đồng với khi đo đặc tính ngồi của động cơ (100% tải) với nhiên liệu diesel.
1.4. Kết luậnchương 1
Việc sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên các động cơ đốt trong đã phổ biến và đem lại hiệu quả lớn về kinh tế nhiên liệu và giảm phát thải bảo vệ môi trường. Công nghệ chuyểnđổi khá đơn giản và việc vận hành động cơ LPG cũng dễ dàng.
Ở Việt Nam với trữ lượng LPG lớn, tuy nhiên việc ứng dụng LPG trên các phương tiện vận tải còn đang hạn chế.
Các kết quả nghiên cứu sử dụng LPG trên động cơ diesel ở trên thể hiện:
- Việc ứng dụng LPG trên động cơ diesel khi sử dụng chếđộ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel không phải thay đổi kết cấu động cơ và không ảnh hưởng tới đặc tính làm việc của động cơ.
- Việc cấp lưỡng nhiên liệu bằng phương pháp phun LPG dạng khí vào đường ống nạp của động cơ, hịa trộn với khơng khí rồi nạp vào xi lanh để tạo hỗn hợp đồng nhất trong xi lanh trước khi nhiên liệu diesel được phun là phù hợp đối với các động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel.
- Phát thải khói bụi và NOx giảm đáng kể khi sử dụng LPG; tỷ lệ LPG thay thế càng lớn thì mức giảm khói bụi càng nhiều.
- Phát thải HC và CO lớn hơn phát thải của động cơ diesel; tỷ lệ LPG thay thế càng tăng thì phát thải HC càng lớn.
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
HV: Trần Thanh Tuấn -27- MSHV: CA120171 - Các nghiên cứu trên chưa đánh giá được ảnh hưởng của các thơng số điều chỉnh như góc phun sớm đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel.
Chính vì vậy, đề tài này được thực hiện nhằm làm rõ hơn vấn đề này, giúp cho việc chuyển đổi động cơ diesel hiện hành sang chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel hiệu quảhơn.
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
HV: Trần Thanh Tuấn -28- MSHV: CA120171
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨUHỆ THỐNG CUNG CẤP LPG VÀ ĐIỀU CHỈNH GÓC PHUN SỚM ĐỘNG CƠ DIESEL D1146TI
2.1. Sơ đồ và nguyên lý làm việc hệ thống cung cấp LPG cho động cơ
2.1.1. Sơ đồ hệ thống cung cấp LPG cho động cơ
Động cơ thử nghiệm là động cơ D1146TI, đây là động cơ diesel được lắp khá phổ biến trên xe buýt nên có thể sử dụng hệ thống cung cấp LPG thương mại đã có sẵn trên thị trường. Việc cần làm là lắp đặt và điều chỉnh hệ thống cho phù hợp với động cơ và chế độ thử nghiệm. Trong đề tài này, hệ thống cung cấp LPG cho động cơ D1146TI được mua của hãng Chip IT – Australia.
Sơ đồ hệ thống thiết bị điều khiển cấp nhiên liệu LPG cho động cơ này được trình bày trên hình 2.1.
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
HV: Trần Thanh Tuấn -29- MSHV: CA120171
2.1.2. Nguyên lý làm việc hệ thống cung cấp LPG cho động cơ
LPG được chứa trong bình ở trạng thái lỏng có áp suất từ 6-8 bar. Dưới áp suất này LPG được dẫn theo đường ống chịu áp lực đi qua van điện từ, sau đó đến bộ hóa hơi, nhận nhiệt của bộ hóa hơi từ nước nóng của hệ thống làm mát, giảm áp, hóa hơi và đi vào đường ống nạp hịa trộn với khơng khí đảm bảo thành phần theo tính tốn ở các chế độ tải của động cơ (hình 2.2). Ở cuối kì nén diesel được phun vào buồng cháy.Dưới áp suất và nhiệt độ cao, diesel cháy trước rồi đốt cháy hỗn hợp LPG và khơng khí. Lượng LPG cấp vào phụ thuộc vào áp suất ban đầu của LPG và kích thước của giclơ khí. Đồng thời lượng LPG được điều chỉnh tự động theo áp suất tăng áp của động cơ.
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
HV: Trần Thanh Tuấn -30- MSHV: CA120171
Hình 2.3. Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống cung cấp LPG của động cơ diesel D1146TI
ECU của hệ thống cung cấp LPG chỉ hoạt động để điều khiển vòi phun LPG