CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
2.1. Các phương pháp cung cấp LPG cho động cơ
2.1.2. Phương án sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel
Để khắc phục nhược điểm về vấn đề tiếp nhiên liệu, phương án nghiên cứu sử dụng cả hai loại nhiên liệu diesel và LPG (lưỡng nhiên liệu) đang được triển khai hết sức 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 một mình nhiên liệu diesel (như đối với động cơ nguyên bản), hoặc sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG và diesel. Việc lắp đặt thêm bộ chuyển đổi để sử dụng nhiên liệu LPG chỉ yêu cầu 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 turbo tăng áp hoặc khơng có turbo tăng áp (hút khơng khí tự nhiện), 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.
- Hoặc phun LPG trực tiếp vào buồng đốt, có thể sử dụng vịi phun chung phun xen kẽ 2 nhiên liệu hoặc sử dụng 2 vòi phun riêng biệt.
- Hoặc hơi LPG được trộn với khơng khí, sau đó hỗn hợp này được dẫn vào buồng đốt.
2.1.2.1. Trộn diesel với LPG dạng lỏng trước khi phun lưỡng nhiên liệu này vào buồng đốt
28
Nguyên lý hoạt động:
Nhiên liệu LPG ở dạng lỏng được đưa từ bình chứa qua các van điều khiển và trộn với diesel (diesel được nén dưới áp suất cao) tại buồng trộn thành một hỗn hợp nhiên liệu lỏng, hỗn hợp này vẫn được duy trì áp suất và được bơm vào ống góp chung (common rail) rồi qua vòi phun vào buồng đốt. Hỗn hợp nhiên liệu chưa cháy hết được thu gom vào bình chảy tràn sau đó qua van chảy tràn, van hạn chế áp suất rồi qua bộ làm mát nhiên liệu và được duy trì ở áp suất bình chứa chịu áp lực để dẫn trở lại buồng trộn.
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống trộn nhiên liệu LPG/diesel ở dạng lỏng
Ngồi ra người ta cịn thiết kế 1 đường riêng biệt dẫn diesel từ bình chứa qua bơm đến ống dẫn nhiên liệu diesel cho động cơ với mục đích sử dụng diesel như là đơn nhiên liệu (trường hợp hết LPG trong bình chứa, hoặc hệ thống cung cấp, bộ chuyển đổi LPG gặp sự cố hỏng hóc)
Các hệ thống điều khiển:
Hệ thống lưỡng nhiên liệu bao gồm: bình chứa khí hóa lỏng LPG áp suất cao, hệ thống van kết nối với bình chứa điều khiển lưu lượng khí hóa lỏng LPG, buồng trộn
Hệ thống van điều tiết bao gồm van kiểm soát lưu lượng điều khiển bằng mạch điều khiển điện, nhận tín hiệu từ bộ điều khiển điện của xe, theo nhu cầu nhiên liệu
29
của động cơ. Nhiên liệu diesel được nén bằng bơm và tồn chứa trong bình chịu áp lực trước khi sử dụng. Lượng diesel cung cấp nén vào buồng trộn được điều khiển bằng van kiểm soát lưu lượng điều khiển bởi mạch điều khiển điện.
Hệ thống đo gia tốc của xe điều tiết van kiểm soát lưu lượng diesel và LPG thông qua mạch điều khiển điện. Tỷ lệ LPG/diesel trong trường hợp này dao động từ 50/50 đến 90/10. Tỷ lệ này dao động linh hoạt miễn là các bộ phận động cơ không bị mài mịn do thiếu tính bơi trơn (LPG là loại nhiên liệu có tính năng bơi trơn thấp), nhiệt trị của nhiên liệu đủ để động cơ sinh ra cơng suất và mơmen xoắn thích hợp.
Với phương pháp đưa LPG vào động cơ diesel ở dạng lỏng thì theo các nghiên cứu cho thấy tỷ lệ tối ưu là LPG/diesel=70/30.
Ưu điểm:
- LPG có thể trộn với diesel theo tỷ lệ khá cao, góp phần giảm tiêu thụ nhiên liệu diesel. Kết cấu động cơ diesel nguyên bản không bị thay đổi nhiều, hỗn hợp nhiên liệu LPG/diesel được dẫn vào buồng đốt qua hệ thống ống góp chung (common rail), vòi phun của động cơ nguyên bản.
- Động cơ DO trở nên bớt ồn hơn khi sử dụng lưỡng nhiên liệu trộn lẫn (tiếng gõ động cơ giảm đáng kể).
- Động cơ đạt nhiệt độ tối ưu nhanh hơn, dẫn đến giảm phát thải độc hại dạng hạt và CO. Kết quả kiểm tra nồng độ khí phát thải từ động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu 70% LPG / 30% diesel cho thấy phát thải NOx bằng 45,7% giới hạn cho phép của DNEPM (Diesel Vehicle Emission National Environment
Protection Measure); phát thải dạng hạt bằng 5,7% giới hạn cho phép; độ đục trung bình bằng 9,5% giới hạn cho phép. Tóm lại phát thải từ động cơ lưỡng nhiên liệu thấp hơn nhiều so với giới hạn cho phép của DNEPM.
Nhược điểm:
- Với tỷ lệ hịa trộn LPG cao (70/30) thì tính bơi trơn của nhiên liệu sẽ giảm đi, dẫn đến những vấn đề liên quan đến chi tiết bị mài mịn, làm tăng chi phí bảo dưỡng động cơ.
30
- Khi tăng tốc độ vòng quay động cơ, động cơ DO gặp phải vấn đề về độ bền và tuổi thọ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu trộn lẫn.
2.1.2.2. Phun trực tiếp LPG lỏng vào buồng đốt
Có thể phun xen kẽ sử dụng vòi phun chung (combi-injector), hoặc sử dụng hai vòi phun riêng biệt.
Nguyên lý hoạt động của phương pháp này là sử dụng diesel mồi để đốt cháy hỗn hợp LPG/khơng khí tạo ngọn lửa mồi.
Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu xen kẽ sử dụng chung vòi phun
Trường hợp sử dụng hai vòi phun riêng biệt cho LPG và diesel thì phải cải tạo động cơ rất phức tạp và tốn kém chi phí.
Trường hợp sử dụng vòi phun chung, phun xen kẽ hai nhiên liệu thì gặp phải vấn đề vòi phun dễ bị mài mòn do đặc tính bơi trơn kém của LPG.
Nhiên liệu LPG được phun trực tiếp vào buồng đốt 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.
31
Ưu điểm:
- Kiểm soát được nồng độ hỗn hợp cháy - Đáp ứng kịp thời mọi chế độ tải
Nhược điểm:
- Dễ đóng băng làm tắc ống dẫn nhiên liệu LPG - Bơm nhiên liệu LPG dễ bị ngưng hơi
- Thiết bị điều khiển phức tạp
2.1.2.3. LPG dạng hơi trộn với khơng khí thành hịa khí trước khi phun vào buồng
đốt
Hiện nay phương pháp hòa trộn LPG với khơng khí trước khi phun hỗn hợp này vào buồng đốt được áp dụng khá phổ biến.
Nguyên lý hoạt động:
LPG tồn chứa trong bình chứa ở trạng thái lỏng có áp suất từ 6 - 8 bar tùy theo nhiệt độ môi trường. Dưới áp suất này LPG được dẫn theo đường ống lỏng chịu áp lực đến bộ hóa hơi/giảm áp xuống áp suất làm việc thích hợp. Nhiên liệu LPG dạng hơi hịa trộn với khơng khí tạo hịa khí, được đưa vào buồng đốt của động cơ. Nhiên liệu diesel vẫn được phun vào xy lanh theo cách thức truyền thống.
Có thể phân ra hai trường hợp động cơ diesel: - Động cơ không tăng áp.
- Động cơ tăng áp.
Tương ứng với hai loại động cơ này, cách thức đưa LPG dạng hơi vào hịa trộn với khơng khí sẽ có đặc điểm và hiệu quả khác nhau
Ưu điểm:
Chi phí thấp, đơn giản, dễ chế tạo, chuyển đổi dễ dàng, ít thay đổi kết cấu động cơ nguyên bản.
Nhược điểm:
Khó điều khiển chính xác lượng LPG thay thế khi chế độ làm việc động cơ thay đổi.
32
2.2. Hệ thống cung cấp LPG cho động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel sử dụng trong nghiên cứu này
Với mục đích đa dạng hóa các loại nhiên liệu đặc biệt là nhiên liệu sạch LPG, phương án sử dụng cả hai loại nhiên liệu diesel và LPG đang được nghiên cứu ứng dụng thực tiễn trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Với động cơ lưỡng nhiên liệu có thể sử dụng đơn nhiên liệu diesel (như đối với động cơ nguyên thủy) hoặc sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG. Việc lắp đặt thêm bộ chuyển đổi để sử dụng nhiên liệu LPG chỉ yêu cầu thay đổi nhỏ kết cấu nguyên thủy của động cơ diesel. Về mặt nguyên lý có thể chuyển đổi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG cho bất kì loại động cơ diesel nào, có turbo tăng áp hoặc khơng có turbo tăng áp, phun nhiên liệu cơ khí hoặc điện tử. Việc cải tạo này với hệ thống lắp đặt đơn giản hơn, chỉ yêu cầu thay đổi nhỏ động cơ diesel nguyên thủy.