Qua các nghiên cứu thực nghiệm quá trình cháy của động cơ sử dụng LPG, từ các kết quả thực nghiệm các nhà nghiên cứu đã rút ra được những kết luận sau:
- Tốc độ cháy của hỗn hợp LPG - khơng khí lớn hơn tốc độ cháy của hỗn hợp xăng - khơng khí và phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Do đĩ cần điều chỉnh lại gĩc đánh lửa sớm khi chuyển động cơ xăng sang LPG.
- Hỗn hợp LPG - khơng khí cĩ thể cháy ổn định ở giới hạn dưới của độ đậm đặc. Vì vậy cĩ thể thiết kế động cơ làm việc với hỗn hợp lỗng để nâng cao tính kinh tế và giảm ơ nhiễm mơi trường.
2.9 Kết luận
Ta cĩ thể thấy rằng việc sử dụng khí LPG làm nhiên liệu cĩ nhiều ưu điểm hơn so với các loại khí khác.
Nguồn khí LPG cĩ sẵn tại các mỏ dầu Việt Nam với trữ lượng lớn và khả năng sản suất LPG lớn (nhà máy khí Dinh Cố 300.000 tấn/năm).
Áp suất sử dụng thấp hơn (20 bars). Trong khi các loại khí khác địi hỏi một áp suất rất cao, do đĩ cần phải dùng các thiết bị n n khí đặc biệt, tốn kém.
SVTH: Lê Huỳnh, Hồi Linh, 31 GVHD: Th.S Phạm Nguyễn Đức Trung Anh Kiệt,Phi Bằng, Đăng Huân
chúng ta phải cĩ bình chứa chắc chắn, dày và cĩ các bộ phận an tồn khác. Nếu khơng đảm bảo cĩ thể dẫn đến hậu quả như: khí bắt nhiệt gây cháy hay nổ bình, lượng khí cĩ thể thốt ra ngồi gây độc hại hay nếu thành bình khơng đủ dày cĩ thể gây nổ. Do LPG ở áp suất thấp hơn nên việc sản xuất và sử dụng đơn giản, cấu tạo bình chứa đơn giản và rẻ tiền hơn.
Các động cơ sử dụng nhiên liệu LPG ở dạng khí nên khơng làm lỗng lớp màng dầu nhờn bơi trơn trên bề mặt tiếp xúc của các cặp chi tiết làm việc như piston – xy lanh, trục khuỷu – thanh truyền, làm tăng hiệu quả bơi trơn, tăng thời gian sử dụng dầu nhờn đồng thời cũng làm tăng tuổi thọ của động cơ lên gấp 2 – 2,5 lần so với động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng.
SVTH: Lê Huỳnh, Hồi Linh, 32 GVHD: Th.S Phạm Nguyễn Đức Trung Anh Kiệt,Phi Bằng, Đăng Huân
CHƢƠNG 3
ỨNG DỤNG LPG TRÊN ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KÉP (DUAL FUEL) DIESEL - LPG
3.1 Các phƣơng án chuyển đổi động cơ chạy bằng nhiên liệu truyền thống sang sử dụng nhiên liệu khí LPG
3.1.1 Động cơ xăng
Cải tiến chuyển sang dùng khí thiên nhiên: - Thay bộ chế hồ khí.
- Giữ nguyên hệ thống đánh lửa. - Tăng tỉ số nén.
Tỉ số nén là một trong những thơng số động lực học quan trọng, nĩ ảnh hưởng rất nhiều đến các chỉ tiêu kinh tế và cơng suất động cơ.
Đối với động cơ đốt cháy cưỡng bức, giới hạn trên của tỉ số n n được quy định bởi hiện tượng kích nổ và nĩ phụ thuộc vào tính chất chống kích nổ của nhiên liệu mà đặc trưng là hằng số Octan. Trong những điều kiện như nhau nhiên liệu cĩ trị số Octan càng lớn thì tỉ số nén chọn cho đơng cơ cĩ thể càng cao.
Do nhiên liệu LPG cĩ chỉ số Octan cao hơn xăng, vì vậy khi chuyển động cơ xăng sang dùng LPG chúng ta nên tăng tỉ số nén của động cơ.
3.1.2 Động cơ Diesel
Cải tiến chuyển sang dùng khí nhiên liệu: - Đánh lửa bằng bugi.
- Thay bơm cao áp, vịi phun nhiên liệu bằng bộ trộn hồ khí. - Giảm tỉ số nén.
Khơng khí trong q trình nén của động cơ Diesel địi hỏi phải được nén ở áp suất và nhiệt độ rất cao để cuối quá trình nén, khi phun nhiên liệu vào thì hỗn hợp cĩ thể tự bốc cháy. Do đĩ động cơ Diesel cĩ tỉ số n n cao hơn các động cơ khác, việc n n động cơ gas khơng nên đạt tới mức độ cĩ thể sinh ra hiện tượng hỗn hợp khí cơng tác tự bốc cháy vì sẽ gây ra cháy kích nổ của nhiên liệu.
Do đĩ khi cải tiến động cơ Diesel sang sử dụng khí nhiên liệu, chúng ta nên giảm tỉ số nén.
SVTH: Lê Huỳnh, Hồi Linh, 33 GVHD: Th.S Phạm Nguyễn Đức Trung Anh Kiệt,Phi Bằng, Đăng Huân
Việc giảm tỉ số nén cĩ thể được thực hiện bằng nhiều cách như thay đổi piston, xy lanh,… Nhưng cách tốt nhất là chúng ta thay đổi hình dạng đỉnh piston động cơ cĩ độ sâu hơn ban đầu hay làm thể tích phần lõm trên đỉnh lớn hơn.
3.2 Các cụm chi tiết chính của hệ thống LPG trên ơ tơ 3.2.1 Bộ trộn khí 3.2.1 Bộ trộn khí
Chức năng chính của bộ trộn khí là tạo ra tỷ lệ nhiên liệu LPG (đã hố hơi) và khơng khí hợp lý để đưa vào buồng cháy động cơ.
Đối với động cơ sử dụng bộ chế hồ khí thơng thường, dung lượng khơng khí nạp cần thiết chọn theo cơng thức sau:
- Đối với động cơ 4 thì
Vnạp= Vh*nemax/3456*v Trong đĩ:
Vh: Thể tích cơng tác xy lanh.
Vnạp: Lưu lượng khơng khí nạp yêu cầu. nemax: Số vịng quay cực đại của động cơ.
v: Hệ số nạp hay cịn gọi là hiệu suất thể tích, giá trị v=0,80 0,85 (thường
được chọn với động cơ 4 thì).
Bảng 3.1 Thơng số bộ trộn IMPCO
Model IMPCO 50 50-100 100 125 175 200 225 425
Vnạp max. 91 108 170 202 210 276 329 460
SVTH: Lê Huỳnh, Hồi Linh, 34 GVHD: Th.S Phạm Nguyễn Đức Trung Anh Kiệt,Phi Bằng, Đăng Huân
- Đối với động cơ 2 thì Vnạp = Vh * nemax/ 3456
- Đối với động cơ phun nhiên liệu
Vnạp = Vh * nemax/ 3456
- Đối với động cơ cĩ tăng áp
Vnạp= Vh * nemax/ 3456 *% pk +1
Trong đĩ: Độ tăng áp pk tính theo %
3.2.2 Bộ giảm áp hố hơi
Bộ giảm áp hố hơi cĩ chức năng chuyển đổi LPG ở trạng thái lỏng sang trạng thái hơi trước khi đi vào bộ trộn.
3.2.3 Bình chứa LPG
Chức năng chính của bình chứa là dự trữ LPG ở trạng thái lỏng, ở các mức áp suất cho phép. Thơng số quan trọng của bình chứa là dung tích làm việc VB, dung tích này được lựa chọn tương ứng theo kích thước thùng nhiên liệu của xe.
Hình 3.2 Bộ giảm áp hĩa hơi
SVTH: Lê Huỳnh, Hồi Linh, 35 GVHD: Th.S Phạm Nguyễn Đức Trung Anh Kiệt,Phi Bằng, Đăng Huân
3.3 Các cụm chi tiết khác trong hệ thống LPG 3.3.1 Van đĩng, ngắt kiểu đơn và kiểu đơi 3.3.1 Van đĩng, ngắt kiểu đơn và kiểu đơi
Van đĩng, ngắt là một thiết bị cho phép cắt tự động dịng cung cấp LPG từ thùng chứa đến bộ bay hơi trong khoang động cơ.
- Kiểu van đĩng, ngắt LPG đơn:
+ Trong trường hợp này, động cơ khơng thể khởi động dễ dàng khi nhiệt độ xuống dưới 00C.
+ Khi nhiệt độ xuống -50C động cơ thường khởi động bằng nhiên liệu xăng và chạy bằng LPG sau một ít giây hâm nĩng.
- Kiểu van đĩng, ngắt LPG đơi:
+ Động cơ khởi động dễ dàng khi nhiệt độ -20250C với nhiên liệu LPG hoặc xăng.
+ Van đĩng, ngắt LPG đơi cĩ khả năng cung cấp gas ở thể lỏng trong lúc khởi động và gas ở thể khí đến bộ bay hơi trong lúc hoạt động với hệ thống 4 van trên thùng.
+ Nhưng nếu thành phần gas LPG cĩ 70% propane, sẽ khơng cĩ vấn đề trong việc khởi động với van đosng, ngắt LPG đơn. Gas ở thể lỏng trong lúc khởi động chạy bằng LPG sau một ít giây hâm nĩng.
3.3.2 Van cắt xăng
Đây là thiết bị đẻ cắt nguồn cung cấp xăng khi xe đang chạy bằng LPG. Van này gồm một cửa xếp được vận hành bằng cuộn dây điện từ và cĩ hai ống nối (Vào\Ra).
SVTH: Lê Huỳnh, Hồi Linh, 36 GVHD: Th.S Phạm Nguyễn Đức Trung Anh Kiệt,Phi Bằng, Đăng Huân
Van được đĩng kín lại khi ngắt điện và mở ra khi cĩ dịng điện đi qua. Van được đặt trong khoang động cơ nằm giữa bơm xăng và bộ chế hồ khí, van chỉ được lắp trên động cơ sử dụng bộ chế hồ khí.
3.4 Chuyển đổi động cơ Diesel thành động cơ LPG, CNG đốt cháy cƣỡng bức
Sơ đồ 3.1 Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel đổi sang sử dụng CNG, LPG đốt cháy
cưỡng bức
Nguyên lý hoạt động:
Khí thiên nhiên từ bình chứa, qua van ngắt, bộ lọc rồi đến bộ điều áp. Tại bộ điều áp, áp suất của gas được giữ ổn định, áp suất đầu ra của bộ điều áp khơng phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất đầu vào. Ga sau khi điều áp được đưa đến kim phun, qua bộ trộn khí rồi đến xu páp nạp. Kim phun của động cơ diesel cũ được thay thế bằng bugi. Như vậy, nhiên liệu
SVTH: Lê Huỳnh, Hồi Linh, 37 GVHD: Th.S Phạm Nguyễn Đức Trung Anh Kiệt,Phi Bằng, Đăng Huân
diesel cũ được thay thế hồn tồn bằng LPG. Ngồi ra, trên hệ thống nhiên liệu này cịn bố trí các van ngắt, van an tồn và bộ phận nạp gas.
3.4.1 Bộ giảm áp – hố hơi
10 Lưới lọc bụi
Từ bình chứa LPG
Đi ra đến bộ trộn LPG
Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp-hoá hơi LPG
9 7 6 5 A C B 4 3 2 1 8 D
Sơ đồ 3.2 Bộ giảm áp – hố hơi Nguyên lý hoạt động:
Nhiệt độ cần thiết để hĩa hơi LPG được cung cấp nhờ nước nĩng từ đường ra của nước làm mát động cơ. LPG lỏng ở áp suất bình chứa di chuyển qua van điện từ đến họng nạp 1 và vào đường giảm áp thứ nhất (A) thơng qua van giảm áp 3. Tại đây áp suất LPG giảm xuống cịn khoảng 0,45 – 0,65 bar. Khi áp suất bên trong buồng A gia tăng, nĩ sẽ truyền qua buồng B, đẩy màng cao su 5 dịch chuyển lên trên, thơng qua cựa 4 – màng sẽ nén lị xo và làm cho van giảm áp đĩng lại, ngăn khơng cho nhiên liệu đi qua họng 2. Khống chế áp suất theo giá trị quy định do sự cân bằng giữa áp suất các buồng A, D và lị xo của van 3 cũng như diện tích chịu áp trên và dưới của màn 5.
Sau khi qua buồng A, nhiên liệu tiếp tục đi vào buồng C thơng qua van định lượng 7. Đường này được thơng với bộ trộn đặt trên bộ chế hịa khí và hơi LPG được hút vào bộ trộn khi động cơ hoạt động.
Màng cao su 9 của buồng C được di chuyển bên trong nhờ áp suất nạp. Sự dịch chuyển này làm cho địn bẩy mở van định lượng 7 để hơi LPG đi từ buồng A sang buồng C. Nếu việc hút nhiên liệu tăng lên ở bộ trộn, thì lập tức nĩ sẽ truyền qua buồng C và màng cao su 9, cho phép nhiều hơi LPG đi qua miệng 6. Ngược lại, nếu lực hút ở bộ trộn giảm xuống, do lực đẩy của lị xo 8 điều khiển địn bẩy đĩng dần miệng 6, giới hạn lượng
SVTH: Lê Huỳnh, Hồi Linh, 38 GVHD: Th.S Phạm Nguyễn Đức Trung Anh Kiệt,Phi Bằng, Đăng Huân
hơi LPG đi vào.
Khi động cơ khơng hoạt động, lị xo 8 tác động lên địn bẩy làm khĩa chặt van định lượng 7, bảo đảm hơi LPG khơng đi qua được miệng.
3.4.2 Bộ trộn khí Về buồng áp thấp trợ lực phanh LPG từ bộ giảm áp hố hơi Chế hồ khí Pa D A C Pck B 1 2 3 4 7 8 6 5 Sơ đồ 3.3 Nguyên lý bộ trộn khí Nguyên lý hoạt động:
Hơi LPG từ bộ giảm áp - hĩa hơi đi vào đường ống nạp, van điều chỉnh độ đậm LPG cho ph p điều chỉnh độ đậm của hỗn hợp theo 2 chế độ: giàu/nghèo. hi động cơ làm việc, áp suất hút từ buồng D truyền lên buồng C qua các ống 3.
Do sự chênh lệch áp suất giữa các buồng A, B và C, màng 5 được nâng lên và hỗn hợp LPG sẽ đi vào họng hút D của bộ chế hịa khí. Lưu lượng hỗn hợp LPG/ khơng khí được kiểm sốt bởi lị xo 6.
Van áp thấp 7 thơng với độ chân khơng đường ống nạp hoặc bộ trợ lực phanh, được điều khiển bởi van điện từ, van này chỉ làm việc khi chuyển qua chạy xăng. Bộ trộn cịn cĩ vít điều chỉnh 8 để điều chỉnh hỗn hợp khi động cơ làm việc ở chế độ khơng tải.
3.5 Chuyển đổi động cơ Diesel thành động cơ phun LPG trực tiếp
Mơ tả hệ thống: Gas từ bình chứa đến bộ điều áp, qua ống phân phối rồi đến kim phun.
Các cảm biến như bộ đo giĩ, cảm biến cánh bướm ga, cảm biến lamda gửi tín hiệu về bộ điều khiển để tính tốn thời gian nhấc kim, cung cấp ga vào trong xy lanh. Một hệ thống
SVTH: Lê Huỳnh, Hồi Linh, 39 GVHD: Th.S Phạm Nguyễn Đức Trung Anh Kiệt,Phi Bằng, Đăng Huân
Sơ đồ 3.4 Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel chuyển đổi sang phun trực tiếp LPG
Hình 3. 6 Kết cấu cụm bộ phận sinh cơng Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý hoạt động:
Động cơ phun ga trực tiếp hoạt động dựa trên việc phun trễ một lượng nhiên liệu khí áp suất cao vào trong buồng cháy động cơ đốt trong giống như động cơ diesel. Cũng giống như động cơ diesel, gas được phun vào cuối kỳ nén. Gas cĩ nhiệt độ tự bốc cháy lớn hơn diesel (10000C so với 5000C) vì vậy, sẽ khơng dễ dàng bốc cháy trong một buồng đốt cĩ nhiệt độ và áp suất giống như động cơ diesel thường. Để đốt cháy gas, một bề mặt tiếp xúc nhiệt độ cao như bugi xơng làm bằng gốm, được sử dụng trong buồng đốt. Đầu bằng gốm cĩ nhiệt độ 1200 – 13000C, được cách nhiệt để đốt cháy nhiên liệu tốt hơn. Hệ thống nung nĩng được kiểm sốt để duy trì nhiệt độ của đầu bugi xơng ổn định, đốt cháy tối ưu. im phun với lượng nhiên liệu được ấn định bằng độ rộng xung cung cấp gas trực tiếp vào buồng đốt.
SVTH: Lê Huỳnh, Hồi Linh, 40 GVHD: Th.S Phạm Nguyễn Đức Trung Anh Kiệt,Phi Bằng, Đăng Huân
Hình 3.7 Hoạt động của động cơ phun LPG trực tiếp Sơ đồ bố trí trên xe Sơ đồ bố trí trên xe
Sơ đồ 3.5 Bố trí hệ thống nhiên liệu trên xe Kết quả đạt đƣợc:
- Nồng độ chất thải dạng hạt (PM) trong khí thải gần như bằng 0.
- Giảm 20% lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (chủ yếu là CO2) so với động cơ diesel tương ứng.
- Tăng 25% hiệu suất nhiên liệu so với động cơ khí thiên nhiên đốt cháy cưỡng bức.
3.6 Chuyển đổi động cơ Diesel thành động cơ nhiên liệu kép Diesel-LPG
Động cơ nhiên liệu kép dựa trên kỹ thuật của động cơ Diesel. Nhiên liệu cơ sở là khí thiên nhiên nhưng chúng được thiết kế để hoạt động trong sự tương tác với diesel. Trong đĩ, diesel đĩng vai trị là tia lửa mồi (pilot ignition), sinh ra do nhiệt của quá trình nén chứ
SVTH: Lê Huỳnh, Hồi Linh, 41 GVHD: Th.S Phạm Nguyễn Đức Trung Anh Kiệt,Phi Bằng, Đăng Huân
khơng phải do bugi đánh lửa. Những động cơ này cĩ thể chạy 100% diesel. Khi chạy cầm chừng, những động cơ này cĩ khuynh hướng chạy 100% diesel. hi động cơ bắt đầu chuyển sang chế độ đầy tải, khí thiên nhiên tăng lên thay thế dầu diesel lên đến 80% hoặc hơn. Điều đĩ cĩ ý nghĩa trong việc bảo vệ mơi trường và những lý do kinh tế đặc biệt ở những nơi khơng cĩ đủ trạm cung cấp khí thiên nhiên. Việc chuyển đổi động cơ sang sử dụng nhiên liệu k p cũng tương đối dễ dàng.
3.7 Động cơ nhiên liệu kép (Dual fuel)
3.7.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ Dual fuel
Kỳ nạp:
- Ga được phun vào trong dịng khí nạp.
- Hỗn hợp khơng khí và ga được nạp vào trong lịng xy lanh. Kỳ nén:
- Khơng khí và ga hịa trộn trong lịng xy lanh. - Hỗn hợp được nén.
- Nhiệt độ hỗn hợp tăng lên.