-1- LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết
quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong
các công trình nào khác!
Hà Nội, tháng năm 2014
Nghiên cứu sinh Nguyễn Tƣờng Vi
-2-
LỜI CAM ĐOAN 1
LỜI CẢM ƠN 2
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 7
MỞ ĐẦU 12
i. Mục đích nghiên cứu của đề tài 13
ii. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 13
iii. Nội dung nghiên cứu 13
iv. Phƣơng pháp nghiên cứu 13
v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 14
vi. Các nội dung chính của đề tài 14
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU LPG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 15
1.1 Đặc điểm của LPG 15
1.1.1 Tính chất lý hóa của LPG 15
1.1.2 Ưu điểm của LPG so với các loại nhiên liệu truyền thống 16
1.1.3 Tình hình sản xuất LPG 17
1.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ đốt trong 18
1.2.1 Các nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ đốt cháy cưỡng bức 20
1.2.2 Các nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ diesel 29
1.3 Kết luận chƣơng 1 35
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ HÌNH THÀNH PHÁT THẢI
TRONG ĐỘNG CƠ LPG/DIESEL 38
2.1 Mở đầu 38
2.2 Đặc điểm quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ LPG/diesel 40
2.2.1 Quá trình cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong xilanh 40
2.2.2 Quá trình cháy 41
2.3 Các giả thiết để nghiên cứu quá trình trình tạo hỗn hợp và cháy 43
2.4 Các mô hình toán 44
2.4.1 Mô hình phun nhiên liệu và tạo hỗn hợp 44
2.4.2 Mô hình cháy và tỏa nhiệt 46
4.3.2 Kết quả thử nghiệm và thảo luận 120
4.4 Ứng dụng giải pháp nghiên cứu trên xe khách 136
4.4.1 Thiết kế vị trí lắp đặt hệ thống cung cấp LPG lên xe 137
4.4.2 Hiệu chỉnh lượng nhiên liệu, góc phun sớm và kiểm tra sau khi lắp đặt. 142
4.4.3 Vận hành và đánh giá 143
4.5 Kết luận chƣơng 4 144
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 145
Kết luận 145
Hƣớng phát triển 146
TÀI LIỆU THAM KHẢO 147
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 152
PHỤ LỤC 1. CÁC SỐ LIỆU PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU 153
PHỤ LỤC 2. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ TRANG THIẾT BỊ VÀ QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU THỰC
NGHIỆM 167
PHỤ LỤC 3. BẢNG SỐ LIỆU KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 170
-5-
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
Diễn giải
LPG
Khí dầu mỏ hóa lỏng
HC
Hydrocacbon
PM
Phát thải hạt
NO
x
Ôxít nitơ
Cổng giao tiếp máy tính
COM
Cổng giao giao tiếp máy tính dạng nối tiếp
ECU
Bộ điều khiển điện tử
CEB-II
Combustion Emission Bench – II / Tủ thiết bị phân tích khí
Mạng CAN
Controller Area Network / mạng vùng tốc độ thấp
RS232
Cổng giao tiếp nối tiếp
0
TK
Độ góc quay trục khuỷu
∆KAcc
Biên độ độ rung động của động cơ
Dual
Lưỡng nhiên liệu LPG/diesel
P/B
Tỷ lệ thành phần propan/butan
-6-
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Tính chất của các thành phần trong LPG
16
Bảng 2.1 Chuỗi phản ứng hình thành NO
x
23
Hình 1.5 Họng Venturi với một đường LPG vào loại trực giao
23
Hình 1.6 Kết cấu bộ chế hòa khí dạng Modul hóa
23
Hình 1.7 Sơ đồ cung cấp LPG trên động cơ dùng bộ trộn và điều khiển điện tử
24
Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống phun LPG vào cửa nạp điều khiển điện tử
25
Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống phun trực tiếp LPG vào trong xilanh động cơ
25
Hình 1.10 Hệ thống cung cấp LPG trên động cơ của hãng Magis 2
26
Hình 2.1 Động cơ diesel AVL 5402
39
Hình 2.2 Sơ đồ phân vùng hỗn hợp trên một tia phun khi phun
41
Hình 2.3 Sơ đồ phân vùng xilanh ứng với một tia phun trong quá trình cháy
42
Hình 2.4 Sơ đồ phân bố nhiên liệu diesel trong tia phun
45
Hình 2.5 Sơ đồ các vùng của lớp dầu bôi trơn
57
Hình 2.6 Mô men và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ giữa thực nghiệm và mô
phỏng trên đường đặc tính ngoài khi chạy đơn nhiên liệu
65
Hình 2.7 Mô men của động cơ giữa thực nghiệm và mô phỏng trên đường đặc tính
ngoài khi chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel
66
Hình 2.8 Diễn biến áp suất trong xilanh động cơ mô phỏng và thực nghiệm ở
, Soot của động cơ ở tốc độ 2000v/ph, 100% tải, tỷ lệ LPG 20%
74
Hình 2.18 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của góc phun sớm diesel đến phát thải CO
của động cơ ở tốc độ 2000v/ph, 100% tải, tỷ lệ LPG 20%
75
Hình 2.19 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của góc phun sớm đến diễn biến áp suất
trong xilanh động cơ ở tốc độ 2000vg/ph, 100% tải, tỷ lệ LPG 20%
76
Hình 3.1 Sơ đồ tín hiệu điều khiển cung cấp nhiên liệu LPG
79
Hình 3.2 Sơ đồ tổng thể hệ thống cung cấp LPG cho động cơ diesel D1146TI
80
Hình 3.3 Sơ đồ cung cấp LPG vào động cơ
81
Hình 3.4 Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống cung cấp LPG
81
Hình 3.5 Bộ điều khiển hệ thống cung cấp LPG (ELC)
82
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn 5V
83
Hình 3.7 Mạch xử lý tín hiệu tốc độ
83
Hình 3.8 Mạch xử lý tín hiệu lưu lượng và áp suất LPG
84
Hình 3.9 Mạch xử lý tín hiệu nhiệt độ và công tắc ON/OFF nhiên liệu LPG
84
Hình 3.10 Mạch xử lý tín hiệu lưu lượng và nhiệt độ khí nạp
85
Hình 3.11 Mạch xử lý tín hiệu vị trí chân ga và tín hiệu không tải
85
Hình 3.26 Sơ đồ thuật toán thực thi lệnh từ máy tính
92
Hình 3.27 Nguyên lý điều khiển phun
92
Hình 3.28 Sơ đồ thuật toán điều khiển chung hệ thống phun LPG
93
Hình 3.29 Sơ đồ thuật toán điều khiển chế độ không tải
94
Hình 3.30 Sơ đồ thuật toán điều khiển chế độ chuyển tiếp không tải - có tải
95
Hình 3.31 Sơ đồ thuật toán điều khiển chế độ có tải
96
Hình 3.32 Sơ đồ thuật toán điều khiển chế độ chuyển tiếp có tải - không tải
96
Hình 3.33 Giao diện chương tình điều khiển quá trình phun LPG
97
Hình 4.1 Sơ đồ thiết kế lắp đặt hệ thống cung cấp LPG trên động cơ AVL 5402
104
Hình 4.2 Phát thải CO ở các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau
105
Hình 4.3 Phát thải Smoke ở các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau
105
Hình 4.4 Phát thải HC ở các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau
106
Hình 4.5 Phát thải NO
x
ở các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau
107
Hình 4.6 Diễn biến áp suất xilanh khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên
liệu với tỷ lệ LPG 16% ở các giá trị áp suất khác nhau
Hình 4.17 Mômen và công suất động cơ khi thay đổi góc phun sớm
115
Hình 4.18 Phát thải CO và Smoke khi thay đổi góc phun sớm
116
-10-
Hình 4.19 Phát thải NO
x
và HC khi thay đổi góc phun sớm
117
Hình 4.20 Biến thiên áp suất xilanh khi thay đổi góc phun sớm ở 2000vg/ph, 100%
tải
118
Hình 4.21 Độ rung động của động cơ khi thay đổi góc phun sớm ở 2000vg/ph,
100% tải
118
Hình 4.22 Công suất động cơ ở 100% và 75% tải
121
Hình 4.23 Phát thải CO tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ
121
Hình 4.24 Phát thải HC tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ
122
Hình 4.25 Phát thải NO
x
tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ
122
Hình 4.26 Độ đen của khí thải tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ
123
Hình 4.27 Phát thải CO
2
Hình 4.40 Lượng khí lọt cácte tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau
133
Hình 4.41 Phát thải CO tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau
134
Hình 4.42 Phát thải HC tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau
134
Hình 4.43 Phát thải NO
x
tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau
135
Hình 4.44 Độ đen trong khí thải tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau
135
Hình 4.45 Hàm lượng phát thải theo chu trình thử ECE R49
136
Hình 4.46 Vị trí bố trí các thiết bị của hệ thống cung cấp LPG lên xe Transinco
138
Hình 4.47 Thiết kế lắp đặt bình LPG lên xe
138
Hình 4.48 Kết cấu bộ hóa hơi LPG
139
-11-
Hình 4.49 Kết cấu van điện từ
139
Hình 4.50 Kết cấu bộ lọc LPG
140
Hình 4.51 Thiết kế lắp đặt bộ hóa hơi, van điện từ, lọc LPG trong khoang động cơ
140
Hình 4.52 Kết cấu bộ điều khiển LPG và công tắc đóng mở LPG
141
LPG là loại nhiên liệu thông dụng và thân thiện với môi trường. Mấy thập kỷ qua nó
được dùng trong công nghiệp và sinh nhiệt gia dụng nhưng ngày nay nó còn được sử dụng
làm nhiên liệu thay thế trên động cơ đốt trong. Do LPG có sản phẩm cháy thân thiện với
môi trường và có năng suất tỏa nhiệt cao nên khi được sử dụng trên động cơ đốt trong nó
không chỉ giúp giảm phát thải độc hại mà còn giảm được gánh nặng về nguồn nhiên liệu
truyền thống xăng và dầu diesel.
Việc sử dụng LPG trên động cơ diesel hiện hành sẽ tận dụng được tính ưu việt về
hiệu suất cao của loại động cơ này và giúp giảm phát thải khói bụi, loại phát thải quan
trọng và rất khó xử lý của động cơ diesel hiện nay. Tuy nhiên, do tính tự cháy của LPG
kém nên chỉ có thể sử dụng LPG thay thế một phần nhiên liệu diesel trên động cơ và như
vậy tính năng làm việc của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào đặc điểm cung cấp và tạo hỗn
hợp của lưỡng nhiên liệu LPG/diesel và các thông số điều chỉnh của động cơ. Chính vì
vậy, việc thực hiện đề tài ―Nghiên cứu sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên động
cơ diesel hiện hành‖ để có thể sử dụng hiệu quả nhiên liệu LPG và đáp ứng các yêu cầu
đặt ra về tiết kiệm nhiên liệu diesel, giảm phát thải là rất cần thiết, có ý nghĩa khoa học và
thực tiễn cao, đặc biệt là ở điều kiện Việt Nam khi mà công nghiệp chế tạo động cơ mới
chuyên chạy nhiên liệu LPG chưa phát triển.
-13-
i. Mục đích nghiên cứu của đề tài
- Đánh giá khả năng sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên các động cơ diesel hiện
hành qua đánh giá ảnh hưởng của LPG đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của
động cơ diesel khi chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel.
- Đưa ra giải pháp chuyển đổi động cơ diesel hiện hành sang chạy lưỡng nhiên liệu
LPG/diesel.
ii. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel hiện hành, đại diện là động cơ diesel nghiên
cứu AVL 5402 trang bị hệ thống phun nhiên liệu kiểu tích áp điều khiển bằng điện tử
(common Rail) và động cơ diesel D1146TI trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền
dụng của kết quả nghiên cứu vào thực tế.
v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
- Phân tích và mô phỏng được quá trình hình thành hỗn hợp, quá trình cháy và hình
thành phát thải trong động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel.
- Đánh giá được ảnh hưởng của tỷ lệ LPG và góc phun sớm đến tính năng kinh tế, kỹ
thuật và phát thải của động cơ diesel hiện hành sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel, từ đó
lựa chọn được các giá trị hợp lý đảm bảo sự hài hòa các tính năng động cơ.
- Đưa ra giải pháp khả thi chuyển đổi động cơ diesel hiện hành sang sử dụng lưỡng
nhiên liệu LPG/diesel.
- Góp phần giảm khói bụi và NO
x
là các thành phần phát thải quan trọng và khó xử lý,
giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống, cũng như định hướng trong việc nghiên
cứu ứng dụng nhiên liệu thay thế trên các phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt
trong.
vi. Các nội dung chính của đề tài
- Mở đầu
- Chương 1. Tổng quan về sử dụng nhiên liệu LPG cho động cơ đốt trong
- Chương 2. Nghiên cứu lý thuyết quá trình cháy và hình thành phát thải trong động
cơ LPG/diesel
- Chương 3. Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cung cấp LPG trong động cơ
LPG/diesel
- Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm
- Kết luận và hướng phát triển
-15-
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU LPG
CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1 Đặc điểm của LPG
nặng hơn so với không khí, đối với butan là 2,01 lần, propan là 1,53 lần.
Do LPG ở trạng thái nguyên chất không có mùi và nặng hơn không khí nên có thể
gây ngạt nếu nó tràn ra ngoài chiếm chỗ của ôxy. Vì vậy, người ta thường pha trộn thêm
chất tạo mùi hăng mercaptan vào LPG với tỷ lệ nhất định để có mùi đặc trưng nhằm phát
hiện ra hiện tượng rò rỉ LPG.
LPG lỏng gây bỏng nặng trên da khi tiếp xúc trực tiếp, nhất là với dòng LPG rò rỉ
trực tiếp vào da.
Nhiệt độ của LPG khi cháy rất cao từ 1900
o
C÷1950
o
C, có khả năng đốt cháy và nung
nóng chảy hầu hết các chất và kim loại.
LPG có thành phần chủ yếu là propan và butan. Ngoài ra, tuỳ thuộc vào nguồn nhiên
liệu khi chế biến mà trong thành phần của nó có thể có một lượng nhỏ olefin như propen,
buten. Trong đó propan chỉ có duy nhất ở dưới dạng mạch thẳng, butan có thể ở dạng mạch
thẳng hoặc mạch nhánh (Hình 1.1).
Công thức hoá học và cấu trúc phân tử:
-16-
Bảng 1.1 Tính chất của các thành phần trong LPG [1]
Thông số đặc trƣng
Propan
n-butan
iso-butan
Công thức hóa học
C
3
H
8
441
Nhiệt trị thấp (MJ/kg)
46,34
45,55
45,70
Chỉ số Cetane
3
9
13
Phương trình cháy:
C
3
H
8
+5O
2
→3CO
2
+4H
2
O+Q
2C
4
H
10
+13O
2
→ 8 CO
2
+10 H
liệu như củi, than và đặc biệt là nhiên liệu truyền thống của động cơ đốt trong là xăng và
dầu diesel. Điều này góp phần khắc phục tình trạng cạn kiệt nhiên liệu truyền thống và
giảm phát thải ô nhiễm môi trường.
1.1.3 Tình hình sản xuất LPG
1.1.3.1 Tình hình sản xuất LPG trên thế giới
Từ thập niên 90 đến nay, lượng LPG sản xuất trên toàn cầu liên tục tăng (trung bình
5-10%/năm) và dự đoán vẫn tiếp tục tăng trong những năm tới. Tổng nguồn cung LPG trên
thế giới năm 2008 đạt 239 triệu tấn. Tổng sản lượng khai thác và sử dụng LPG của thế giới
trong năm 2013 đạt tới 260 triệu tấn theo như con số đã được công bố tại Hội nghị thượng
đỉnh LPG thế giới đã diễn ra tại TP.HCM [6]. Nguồn sản xuất LPG là từ quá trình chế biến
dầu mỏ và khí đốt nên hoàn toàn có thể tính toán và dự đoán được sản lượng LPG sản xuất
được trong tương lai theo trữ lượng và năng suất khai thác dầu mỏ và khí đốt [7]. Dự báo
đến năm 2015 năng suất khai thác và chế biến LPG có thể đạt 291,7 triệu tấn, trong đó,
60% LPG được sản xuất từ quá trình xử lý, 39,5% sản xuất từ các nhà máy lọc dầu và còn
lại 0,5% từ các nguồn khác.
Hình 1.2 Sản lượng LPG trên toàn cầu (triệu tấn)
Trong giai đoạn 2000-2008, Trung Đông, Bắc Á là hai khu vực sản xuất LPG lớn
nhất nhì trên thế giới. Trung Đông cung cấp 1/5 tổng lượng LPG trên thế giới trong năm
2008 và tăng trung bình 4,1%/năm từ năm 2000 mặc dù sản lượng của khu vực này giảm
trong năm 2001 và 2002. Tổng cung khu vực này dự báo tăng đến 69,7 triệu tấn cho năm
2015. Năm 2008, khoảng 66% sản lượng LPG Trung Đông là từ xử lý khí đồng hành, 24%
là từ quá trình tinh chế.
Ở Bắc Á, hơn 90% sản lượng tăng lên là từ các nhà máy lọc dầu ở Trung Quốc. Hầu
hết sản lượng LPG của khu vực này tới từ các nhà máy lọc hóa dầu, số ít là xử lý khí và
-18-
duy nhất cho tới nay ở Trung Quốc có nhà máy hóa khí từ than. Phần còn lại trong sản
lượng của khu vực là từ các nhà máy lọc dầu ở Hàn Quốc và Đài Loan. Dự báo đến năm
2015 đạt khoảng 31,1 triệu tấn.
rất thấp (0,4 - 4%) rất thuận lợi cho
chế biến và sử dụng.
Dầu mỏ Bạch Hổ có tỷ xuất khí hòa tan trung bình là 180m
3
/tấn nghĩa là cứ một tấn
dầu trong điều kiện mỏ có áp suất lớn hơn áp suất bão hòa khi khai thác lên có thể tách ra
180m
3
khí.
1.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ đốt trong
Với các ưu điểm sạch, nhiệt lượng cao và sức ép toàn cầu về vấn đề môi 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 không thể
so sánh được với LPG về tính linh hoạt trong tồn trữ, vận chuyển và phân phối. Thực tế
cho thấy ở đâu 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 công nghiệp, hoá dầu, giao thông vận
tải/động cơ đốt trong đang tăng dần.
-19-
Theo các số liệu thống kê, hiện nay trên toàn thế giới có khoảng 13 triệu xe ô tô sử
dụng LPG, trong đó trên 7 triệu xe tập trung tại 38 nước và chủ yếu tại các vùng kinh tế
phát triển do tại đây có mức sống cao và vấn đề ô nhiễm môi trường đang là vấn đề bức
xúc được chính phủ quan tâm. Dưới đây là các thông tin khái quát về thị trường Autogas
tại một số quốc gia đang có mức tăng trưởng thị trường Autogas nhanh nhất trên thế giới
hiện nay:
- Italy: Là quốc gia có mức tiêu thụ LPG cho Autogas lớn nhất với lượng tiêu dùng
hàng năm đạt khoảng 1,3 triệu tấn. Hiện nay số lượng xe dùng LPG tại Italy là 1,234 triệu
xe trong tổng số 32,969 triệu xe vận tải. Tuy chỉ chiếm 4% trong tổng số xe lưu hành
ngày tại thành phố này có 40 xe chuyển sang sử dụng LPG và đến nay thành phố này đã có
khoảng hơn 40.000 xe taxi chạy LPG. Đây cũng là nguyên nhân làm cho lượng sử dụng
-20-
LPG của Thượng Hải tăng lên rất lớn trong những năm gần đây đạt hơn 300.000 tấn/năm,
tốc độ tăng trưởng hàng năm trung bình khoảng 40-50%. Tiếp tục hỗ trợ thị trường này,
chính quyền thành phố đã thông qua kế hoạch xây mới thêm nhiều trạm nạp mới cho đến
nay tổng số trạm bơm LPG cung cấp cho xe ô tô đã lên tới hơn 100 trạm.
- Hàn Quốc: Do giá bán LPG chạy xe chỉ bằng 1/3 giá xăng, Autogas được sử dụng
rất rộng rãi cho xe taxi, bus và xe tải nên tốc độ tăng trưởng rất nhanh. Sản lượng butan
cho chạy xe khoảng 1,5 triệu tấn/năm.
- Ấn Độ: Tháng 08/2000, Chính phủ đã chính thức cho phép lưu hành xe chạy LPG.
Hiện tại, hai thành phố Bombay và New Delhi được ưu tiên phát triển đội xe sử dụng LPG.
Tại Bombay, hiện có 1/5 trong tổng số 55.000 xe taxi được lắp đặt bộ phận chuyển đổi
dùng LPG.
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. Năm
nước sử dụng LPG làm nhiên liệu động cơ nhiều nhất là Hàn Quốc, Nhật Bản, Ba Lan, Thổ
Nhĩ Kỳ và Australia. Lượng tiêu thụ LPG của năm nước này chiếm một nửa lượng tiêu thụ
LPG trên toàn thế giới.
Tuy nhiên, các con số thống kê trên chủ yếu là trên các loại động 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.
1.2.1 Các nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ đốt cháy cƣỡng bức
1.2.1.1 Đặc điểm kết cấu động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức
Nhiên liệu LPG có đặc điểm cháy tương tự xăng, có tính bay hơi và hòa trộn tốt với
không khí và có trị số octan cao hơn xăng nên rất thích lợp 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 tự động cơ xăng và chỉ khác ở hệ thống cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn
các động cơ dùng bộ chế hòa khí hoặc động cơ phun xăng vào đường nạp) sang chạy LPG
khá đơn giản và rẻ tiền, chỉ cần trang bị thêm hệ thống cung cấp LPG cho động cơ, còn các
hệ thống khác vẫn được giữ nguyên [10,11, 12]. Các động cơ này có thể tháo bỏ hệ thống
cung cấp xăng để chạy chỉ với LPG hoặc để tồn tại song song cả hai hệ thống cung cấp
xăng và LPG để có thể chọn chạy với một trong hai loại nhiên liệu xăng hoặc LPG nếu
muốn. Cho nên hầu hết các động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức được chuyển đổi hiện nay là
từ động cơ xăng. Tuy nhiên, do không thay đổi kết cấu động cơ nên tỷ số nén của động cơ
không đổi và do đó không phát huy được ưu điểm trị số Octan cao của nhiên liệu LPG.
Việc chuyển đổi động cơ diesel sang chạy LPG đốt cháy cưỡng bức phức tạp và tốn
kém hơn so với chuyển đổi động cơ xăng. Ngoài việc trang bị thay thế hệ thống phun nhiên
liệu diesel cao áp bằng hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG, còn cần phải trang bị thêm hệ
thống đánh lửa và thay đổi kết cấu động cơ để giảm tỷ số nén và thay đổi đường ống nạp
cho phù hợp [13, 14]. Như vậy, động cơ diesel khi đã được chuyển đổi sang động cơ LPG
đốt cháy cưỡng bức thì động cơ sẽ chỉ chạy được với nhiên liệu LPG mà không thể quay
về chạy nhiên liệu diesel theo ý muốn được. Do chi phí cao và sự phức tạp của việc thay
đổi kết cấu động cơ nên việc chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ LPG đốt cháy cưỡng
bức thường không được áp dụng rộng rãi bằng chuyển đổi động cơ xăng.
1.2.1.2 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 không 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 hóa khí) có họng venturi [8, 15] hay cung cấp LPG
bằng cách phun LPG vào đường nạp [11, 16, 17], và phương pháp phun trực tiếp nhiên liệu
LPG vào trong xilanh động cơ [18, 19, 20].
-22-
a) Phương pháp cung cấp LPG vào đường nạp sử dụng bộ hòa trộn
Hình 1.4 Họng venturi với một đường LPG vào loại cùng chiều
1 - Bầu lọc gió; 2 - Đường ống dẫn khí gas; 3 – Bướm gas; 4 - Họng phun gas. Hình 1.5 Họng Venturi với một đường LPG vào loại trực giao
Hình 1.6 Kết cấu bộ chế hòa khí dạng modul hóa
1 - Bướm ga; 2 - Đường ống dẫn gas; 3 - Cơ cấu điều khiển; 4 - Vít điều chỉnh.
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 như giới thiệu trên sơ đồ hình 1.7. 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 tử để 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 không khí luôn
tối ưu ở các chế độ làm việc của động cơ.
-24- Hình 1.7 Sơ đồ cung cấp LPG trên động cơ dùng bộ trộn và điều khiển điện tử
1- Bình nhiên liệu LPG; 2- Van điện từ đóng mở đường LPG; 3- Bộ giảm áp và hóa hơi; 4-
Van tiết lưu điều khiển bằng điện tử;5- Bộ hòa trộn; 6- Bộ chế hòa khí xăng; 7- Van điện từ đóng
mở đường xăng; 8- Bình xăng.
b) Phương pháp phun LPG vào đường nạp
Hình 1.8 trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun LPG vào cửa nạp (hệ thống
phun đa điểm). Nguyên lý điều khiển phun LPG đa điểm bằng điện tử hoàn toàn tương tự
như của hệ thống phun xăng đa điểm. Chỉ có một điểm khác là các vòi phun LPG được bố
Nguyên lý làm việc của hệ thống phun trực tiếp LPG cũng tương tự 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 từ. Hỗn hợp nhiên liệu-không khí được tạo thành trong xilanh động cơ
dưới dạng phân lớp hoặc đồng nhất tùy theo chế độ làm việc ít tải hay toàn tải của động cơ.
Theo sơ đồ hình 1.9, LPG ở thể lỏng từ đáy bình chứa được bơm thấp áp hút và đẩy
lên bơm cao áp dẫn động bằng cam ở trục cam. Tiếp theo, LPG được bơm lên đường cao
áp đến vòi phun. Áp suất nhiên liệu cao áp được điều chỉnh ổn định nhờ bộ điều áp LPG
nhận sự điều khiển từ ECU. ECU điều khiển mở vòi phun để phun nhiên liệu vào động cơ
đảm bảo đúng thời điểm, đủ lượng phun phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ.
Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống phun trực tiếp LPG vào trong xilanh động cơ [19]
Bơm cao áp
Đường LPG cao áp
Vòi phun LPG
Bu gi
Bộ điều áp LPG
Bình LPG
Bơm thấp áp
Cảm biến
Chấp hành
Copyright: Tài liệu đại học ©