Quốc gia Lượng LPG tiêu thụ (tấn) Số lượng phương tiện chạy LPG (chiếc) Số lượngtrạm tiếp nạp (trạm)
Hàn Quốc 4.362.000 2.187.066 1.533 ThổNhĩ Kỳ 2.005.000 1.800.000 6.853 Ba Lan 1.830.000 2.050.000 6.700 Nhật Bản 1.583.000 292.300 1.900 Australia 1.107.000 620.000 3.200 Nga 1.000.000 600.000 2.000 Italy 944.000 925.000 2.350 Mexico 784.000 550.000 2.500 Mỹ 675.000 200.000 2.340 Trung Quốc 600.000 145.000 300
Theo hiệp hội LPG thế giới, năm 2007 trên thế giới có khoảng 13 triệu phương tiện chạy LPG tiêu thụ 20,3 triệu tấn nhiên liệu với 51.730 trạm tiếp nhiên liệu. Số lượng tiêu thụ và sử dụng ngày càng tăng nhanh chủ yếu tập trung tại một số nước phát triển.
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
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
HV: Trần Thanh Tuấn -15- MSHV: CA120171 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. Cơng nghiệp khí địi hỏi phải có cơng 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 sẽđược 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.
Từ năm 1998 PetroVietnam cũng bắt đầu khởi công xây dựng nhà máy lọc dầu Dung Quất và cho tới nay đã bước đầu hoàn thiện. 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.
Dầu mỏ Bạch Hổ có tỷ xuất khí hịa tan trung bình là 180m3/tấn nghĩa là cứ một tấn dầu trong điều kiện mỏ có áp suất lớn hơn áp suất bão hịa khi khai thác lên có
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
HV: Trần Thanh Tuấn -16- MSHV: CA120171 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 cơng nghiệp khác có liên quan. Tài ngun dầu khí có hạn trong khi đó cơng 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.
1.3. Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu LPG cho động cơ đốt trong.
Với các ưu điểm sạch, nhiệt lượng cao và sức ép toàn cầu về vấn đề mơi 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 khơng thể so sánh được với LPG về tính linh hoạt trong tồn trữ, vận chuyển và phân phối.Thực tế cho thấy ởđâu 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 cơng nghiệp, hóa dầu, giao thông vận tải đang tăng dần.
Tuy nhiên, các con số thống kê trên chủ yếu là trên các loại đông cơ đánh lửa cưỡng bức do số octan cao của LPG làm cho nó thích hợp với các loại động cơ này. Ngược lại, số cetan của LPG thấp nên việc sử dụng LPG trên động cơ diesel khó khăn hơn.
1.3.1. Các nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ đốt cháy cưỡng bức
1.3.1.1 Đặc điểm kết cấu động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức
Nhiên liệu LPG có đặc điểm cháy tương tựxăng, có tính bay hơi và hịa trộn tốt với khơng khí và có trị số octan cao hơn xăng nên rất thích hợp làm nhiên liệu cho động cơ đốt cháy cưỡng bức. Do vậy, đặc điểm kết cấu chung của động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức hoàn toàn tương tựđộng cơ xăng và chỉ khác ở hệ thống cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp. Các nghiên cứu chỉ ra rằng động cơ chạy LPG có tính kinh tế nhiên liệu cao hơn động cơ xăng do suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn và giá nhiên liệu LPG trên thế giới hiện nay thường thấp hơn nhiều so với giá xăng. Mặt
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
HV: Trần Thanh Tuấn -17- MSHV: CA120171 khác, phát thải các thành phần độc hại của động cơ chạy nhiên liệu LPG thấp hơn nhiều so với chạy xăng nên LPG được coi là nhiên liệu sạch, do vậy có xu hướng được sử dụng ngày càng rộng rãi để làm nhiên liệu thay thếtrong động cơ đốt cháy cưỡng bức
Các động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng nhiên liệu LPG hiện nay có thể đến từ hai nguồn, đó là các động cơ được thiết kế chế tạo mới chuyên sử dụng nhiên liệu LPG và các động cơ được hoán cải chuyển đổi từ các động cơ chạy xăng hoặc các động cơ chạy nhiên liệu diesel hiện hành sang chạy nhiên liệu LPG. Việc thiết kế chế tạo mới các động cơ LPG sẽ tốn kém kinh phí tương tự việc nghiên cứu thiết kế và phát triển một sản phẩm mới của các hãng chế tạo động cơ nên đương nhiên giá bán đến người tiêu dùng sẽ cao.
Việc nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng và động cơ diesel hiện hành sang chạy nhiên liệu LPG có ý nghĩa thực tếhơn vì sốlượng động cơ đốt trong hiện hành sử dụng nhiên liệu truyền thống đang rất lớn trong khi nguồn nhiên liệu hóa thạch này đang cạn kiệt, cần sử dụng nhiên liệu thay thế để bổ sung. Mặt khác, việc chuyển đổi các động cơ có sẵn sẽ rẻhơn so với chế tạo mới rất nhiều nên dễ dàng đáp ứng được khảnăng chi trả của nhiều đối tượng sử dụng.
1.3.1.2 Phương pháp cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp
Việc cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong động cơ LPG chế tạo mới hay trong động cơ LPG chuyển đổi từ động cơ chạy nhiên liệu truyền thống sang thường khơng có gì khác biệt và đều là đối tượng được quan tâm nghiên cứu nhiều để nâng cao tính kinh tế, tính hiệu quả và giảm phát thải cho động cơ. Có nhiều phương pháp cung cấp LPG và tạo hỗn hợp cho động cơ LPG tương tự như các phương pháp cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong động cơ xăng. Đó là phương pháp cung cấp nhiên liệu LPG vào đường nạp bằng cách sử dụng bộ hòa trộn (hay bộ chế hịa khí) có họng venturi hay cung cấp LPG bằng cách phun LPG vào đường nạp và phương pháp phun trực tiếp nhiên liệu LPG vào trong xi lanh động cơ.
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
HV: Trần Thanh Tuấn -18- MSHV: CA120171
a) Phương pháp cung cấp LPG vào đường nạp sử dụng bộ hòa trộn
Hệ thống cung cấp LPG vào đường nạp sử dụng bộ hịa trộn có kết cấu rất đơn giản, dễ chế tạo, dễ lắp đặt và giá thành rất rẻ nên được sử dụng từ lâu giống như trên các động cơ gas nói chung. Ngày nay hệ thống này sử dụng rất rộng rãi, đặc biệt là trên các động cơ LPG chuyển đổi từ động cơ xăng truyền thống vì chỉ cần lắp thêm hệ thống này lên động cơ và khóa đường xăng lại là động cơ có thể chạy với nhiên liệu LPG. Mặt khác, có thể sử dụng song song hoặc độc lập 2 loại nhiên liệu xăng và LPG tùy theo điều kiện sử dụng. Tuy nhiên, hệ thống cung cấp LPG sử dụng bộ hịa trộn cũng có nhược điểm như bộ chếhịa khí trong động cơ xăng là có tổn thất khí động do sức cản của ống venturi và sự không đồng nhất của hỗn hợp giữa các xi lanh. Điều này sẽ làm xấu đi các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ so với phương pháp phun LPG vào cửa nạp
Hiện nay, để nâng cao chất lượng hệ thống cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp bằng phương pháp sử dụng bộ hòa trộn, người ta sử dụng phương pháp điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp bằng điện tử.Trên hệ thống cung cấp nhiên liệu này người ta trang bị thêm một van tiết lưu nhiên liệu điều khiển điện tử trên đường dẫn nhiên liệu LPG từ bộ giảm áp đến bộ hòa trộn.Áp suất hơi của nhiên liệu sau bộ giảm áp được duy trì lớn hơn áp suất khí trời một chút.Van tiết lưu nhiên liệu được điều khiển mở to nhỏ nhờ bộ điều khiển điện tửđể điều chỉnh lưu lượng nhiên liệu LPG vào họng luôn phù hợp với chế độ làm việc của động cơ, tức là đảm bảo hệ số dư lượng khơng khí λ ln tối ưu ở các chếđộ làm việc của động cơ.
b) Phương pháp phun LPG vào đường nạp
Hệ thống phun LPG vào đường nạp khắc phục được các nhược điểm của hệ thống cung cấp LPG dùng bộ hòa trộn. Hệ thống khơng bị tổn thất khí động qua họng khuyếch tán và lại đảm bảo định lượng chính xác và đều nhiên liệu giữa các xi lanh nên tăng được công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải so với sử dụng BCHK hay bộ hòa trộn. Kết quả nghiên cứu so sánh đặc tính làm việc của động cơ sử dụng các hệ thống cấp nhiên liệu LPG khác nhau của tác giả Erkus và cộng sự [20] cho thấy khi sử dụng hệ thống phun LPG vào đường nạp công suất động cơ
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
HV: Trần Thanh Tuấn -19- MSHV: CA120171 tăng so với động cơ xăng dùng BCHK và động cơ LPG dùng bộ trộn lần lượt là 31.07% và 29.86%. Tiêu thụ nhiên liệu giảm tương ứng là 20.65% và 16.35%.
Ở Việt Nam, tác giả Phạm Quốc Thái, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Minh Trí – Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng [10] cũng đã nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển phun LPG cho động cơ đốt cháy cưỡng bức để chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử Daewoo A16 DMS để có thể chạy với một trong hai loại nhiên liệu xăng và LPG. Động cơ trang bị hai hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng và LPG song song. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi sử dụng hệ thống phun LPG, mômen và hiệu suất của đông cơ tăng trong phạm vi 4% và mức độ phát thải CO, HC và NOx trong khí xả giảm so với khi dùng xăng ở mọi tốc độ và tải trọng khác nhau của động cơ.
c) Phương pháp phun trực tiếp LPG vào trong xi lanh động cơ
Hệ thống phun trực tiếp LPG vào trong xi lanh động cơ nguyên lý hoạt động của hệ thống phun trực tiếp LPG cũng tương tự như hệ thống phun xăng trực tiếp GDI.LPG được cung cấp vào động cơ ở thể lỏng được phun tơi dưới áp suất cao qua vòi phun điện tử. Hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí được tạo thành trong xi lanh động cơ dưới dạng phân lớp hoặc đồng nhất tùy theo chế độ làm việc ít tải hay tồn tải của động cơ.
Hệ thống phun trực tiếp LPG cũng có tính ưu việt hơn hẳn các hệ thống cung cấp LPG vào đường nạp như của hệ thống phun xăng trực tiếp so với BCHK và phun xăng đa điểm (MPI) về các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ. Tuy nhiên do kết cấu của động cơ phun LPG trực tiếp phức tạp hơn nhiều so với động cơ cấp LPG vào đường nạp nên phương án phung trực tiếp LPG thường chỉ sử dụng trên các động cơ LPG chế tạo mới mà ít được áp dụng cho các động cơ chuyển đổi nhiên liệu sử dụng.
d) Đặc điểm làm việc và phát thải của động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức
Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu LPG cho động cơ đốt cháy cưỡng bức của các tác giả đều chỉ ra rằng nhiên liệu LPG rất thích hợp cho loại động cơ này. Các động cơ xăng chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu LPG với việc cấp LPG dạng khí vào đường nạp bằng bộ hịa trộn hay phun nhiên liệu vào cửa nạp đều có hàm lượng
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
HV: Trần Thanh Tuấn -20- MSHV: CA120171 phát thải các thành phần độc hại thấp hơn đáng kể so với động cơ xăng nguyên thủy. Đặc biệt phát thải CO của động cơ LPG giảm đến 80% so với động cơ nguyên thủy chạy xăng, phát thải rắn (Soot) và khói (Smoke) thấp hơn đến 60% so với động cơ chạy xăng. Sự giảm phát thải của động cơ chạy LPG đạt được là do nhiên liệu LPG có tỷ lệ H/C cao hơn xăng, thêm nữa do LPG có tốc độbay hơi cao hơn, hịa trộn tốt hơn với khơng khí và có tốc độcháy cao hơn so với xăng làm cho nhiên liệu cháy kiệt hơn, có ưu điểm nữa là so với động cơ xăng thì LPG có thể chạy tốt với hỗn hợp nhạt, điều đó giúp tăng tính kinh tế và giảm phát thải CO và HC
Nói tóm lại, nhiên liệu LPG có trị số octan cao, đặc tính bay hơi nhanh và hịa trộn tốt với khơng khí và có đặc tính cháy nhanh nên rất thích hợp để làm nhiên liệu thay thế trên động cơ đốt cháy cưỡng bức. Việc chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng LPG cấp vào đường nạp khá đơn giản, dễ dàng, rẻ tiền và có tính kinh tế nhiên liệu cao và giảm được đáng kể lượng phát thải các thành phần độc hại CO và HC, Tuy nhiên, công suất động cơ chuyển đổi bị giảm nên có thểảnh hưởng đến việc sử dụng động cơ khi cần công suất lớn.
1.3.2. Các nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ diesel
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