Chuyên đề Báo cáo tìm hiểu về nhiên liệu LPG và các ứng dụng

liệu khí để chạy động cơ đốt trong 15 2.1.5.1.Phương pháp thứ nhất 15 2.1.5.2. Phương pháp thứ hai 15 2.2. Các phương án chuyển đổi động cơ chạy bằng nhiên liệu truyền thống sang sử dụng nhiên liệu khí dầu mỏ hĩa lỏng LPG 16 2.2.1.Động cơ xăng 16 2.2.2.Động cơ Diezel 16 2.3.Quá trình cháy của LPG trong động cơ đánh lửa cưỡng bức 17 2.4. Các cụm chi tiết chính của hệ thống LPG trên ơtơ 17 2.4.1.Bộ trộn khí 17 2.4.2. Bộ giảm áp hĩa hơi 18 2.4.3.Bình chứa LPG 18 2.4.4.Các cụm chi tiết khác trong hệ thống LPG 18 2.4.4.1.Van solenoid / kiểu đơn và đơi 18 2.4.2. Van cắt xăng 19 Chương 3: ỨNG DỤNG LPG TRÊN ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KÉP( DUAL FUEL) DIEZEL-LPG 20 3.1. Các phương pháp cải tạo động cơ diesel thành động cơ diesel cĩ sử dụng khí thiên nhiên 20 3.1.1.Chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ LPG, CNG đốt cháy cưỡng bức 20 3.1.2.Chuyển đổi động cơ xăng thành động cơ phun LPG trực tiếp 22 3.1.3.chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ nhiên liệu kép diesel –LPG 25 3.2. Động cơ nhiên liệu kép ( dual fuel) 26 3.2.1.Nguyên lý hoạt động của động cơ dual fuel 26 3.2.2 thành phần cơ bản của hệ thống 28 3.2.3. Một số kết quả nghiên cứu về tính kinh tế nhiên liệu và khí thải trên động cơ nhiên liệu kép 29 3.2.3.1.thử nghiệm trên xe tải Kenworth 30 3.2.3.2.Thử nghiệm trên xe Mitsubishi 3.2 L diesel 31 GIỚI THIỆU VỀ NHIÊN LIỆU (LPG) Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, kỹ thuật, kinh tế và yêu cầu về mơi trường, những ứng dụng của LPG cũng trở nên rộng rã i và đang trở thành loại nhiên liệu cĩ nhiều ưu điểm nhất hiện nay. LPG là từ viết tắt của khí dầu mỏ hố lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas) là hỗn hợp hydrocarcbone với thành phần chính là Butan, Propan chiếm 99%. LPG được hố lỏng dưới áp suất cao để thuận lợi cho tồn chứa và vận chuyển. Với nhiều đặc tính quý báu, LPG đang được sử dụng và ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành nhiều lĩnh vực Đã và đang mang lại những hiệu quả thuyết phục. ứng dụng của LPG cú thể chia theo mục đích sử dụng thành ba nhĩm chính: - Sử dụng LPG là nguồn nguyên liệu cho các ngành cơng nghiệp. - Sử dụng LPG là nguồn nhiên liệu cho các quá trình đốt sinh nhiệt. - Sử dụng LPG là nguồn nhiờn liệu cho cỏc phương tiện vận tải, các thiết bị chuyển nhiệt năng thành cơ năng.  Sử dụng LPG là nguồn nguyên liệu cho các ngành cơng nghiệp: Với đặc tính khơng màu, khơng mùi, khơng độc hại nên LPG là nguồn nhiên liệu tốt cho các quá trình chế biến hố học, làm chất mang, ...: - Trong cơng nghiệp hố chất, LPG đợc sử dụng để chế biến tạo các hợp chất hố học các hợp chất cao phân tử, nhựa,... - Trong nơng nghiệp, LPG cũng đợc sử dụng để chế biến phân bĩn phân đạm, ure,.... Ngồi ra LPG cũng được sử dụng để tổng hợp thuốc trừ sâu... - Trong cơng nghiệp mỹ phẩm, LPG được sử dụng để tổng hợp các hợp chất thơm, khí mang trong nước hoa, kem bơi da... - Trong cơng nghiệp thực phẩm LPG cũng đợc sử dụng rộng rãi. LPG đã được sử dụng tổng hợp hương liệu hương chanh, cam, táo...  LPG sử dụng cho quá trình đốt sinh nhiệt: Sử dụng LPG cho quá trình đốt sinh nhiệt là ứng dụng phổ biến nhất hiện nay. Do địi hỏi về yêu cầu đảm bảo mơi trờng sống, sự tiện lợi, giá thành và hiệu quả mà LPG được sử dụng trong lĩnh vực này trở nên phổ biến. LPG được phát hiện và sử dụng từ những năm đầu thế kỷ 19, đến những năm 50 của thế kỷ 20 đang được ứng dụng rộng rãi. Ngày nay, LPG đã được sử dụng thay thế cho các loại nhiên liệu truyền thống : than, củi, điện,... Việc sử dụng LPG này đã cho thấy nhiều lợi ích quan trọng: - Khơng gây ơ nhiễm mơi trường - Giá thành thấp hơn so với dùng điện - Chất lượng sản phẩm đồng đều, ổn định, đảm bảo yêu cầu. - Tiện lợi và tiết kiệm Chương 1 : KHÁI QUÁT VỀ LPG 1.1. LPG hoặc LP Gas là gì? LPG hoặc LP Gas là chữ viết tắt của “Liqueded Petroleum Gas” cĩ nghĩa là “Khí dầu mỏ hĩa lỏng”. Đây là cách diễn tả chung của propan cĩ cơng thức hĩa học là C3H8 và butan cĩ cơng thức hĩa học là C4H10, cả hai được tồn trữ riêng biệt hoặc chung với nhau như một hỗn hợp. LPG cĩ từ hai nguồn: từ các quặng dầu và các mỏ khí và được tách ra từ các thành phần khác trong quá trình chiết xuất từ dầu hoặc khí thiên nhiên. LPG cịn là một sản phẩm phụ của quá trình tinh luyện dầu. LPG cĩ thể được hĩa lỏng ở nhiệt độ bình thường bằng cách gia tăng áp suất vừa phải, hoặc ở áp suất bình thường bằng cách sử dụng kỹ thuật làm lạnh để làm giảm nhiệt độ. 1.2. Thành phần hĩa học của LPG LPG là tên chung dùng cho propan và butan thương mại. 1.2.1. Propane Propane là một alkane thể khí cĩ thể thu được trong quá trình tinh luyện dầu. Propane thì khơng màu. Cơng thức hĩa học của propane là CH3CH2CH3. Propane cĩ thể được hĩa lỏng khi nén và làm lạnh. Propane cĩ cơng thức cấu tạo như sau : PROPANE Cơng thức hĩa học C3H8 Khối lượng phân tử 44.09 Khối lượng riêng ở 15oC 0.51 kg/lít Nhiệt độ sơi ở áp suất khí quyển - 43oC Nhiệt trị thấp 46.1 MJ/kg Nhiệt độ tự bốc cháy (ở áp suất khí quyển) 460¸580 oC Giới hạn cháy theo % thể tích 2.37% ¸ 9.5% Vận tốc ngọn lửa ở ngồi khơng khí 46¸85 cm/s 1.2.2. Butane Butane là một hydrocarbon cĩ trong khí thiên nhiên và cĩ thể thu được từ quá trình tinh luyện dầu mỏ. Butane là một alkane thể khí, gồm cĩ các hydro cacbon chứa 4 nguyên tử cacbon, chủ yếu là n- butane và iso-butane. Cơng thức hĩa học của butane là C4H10 và cĩ cơng thức cấu tạo như sau: BUTANE Cơng thức hĩa học C4H10 Khối lượng phân tử 58.12 Khối lượng riêng 0.58 kg/lít Nhiệt độ sơi ở áp suất khí quyển -0.5oC Nhiệt trị thấp 45.46 MJ/kg Nhiệt độ tự bốc cháy (ở áp suất khí quyển) 410¸550oC Giới hạn cháy theo % thể tích 1.86% ¸ 8.41% Vận tốc ngọn lửa ở ngồi khơng khí 40¸87 cm/s 1.2.3. Các ưu điểm của Propane và Butane Ưu điểm chính của Butane là nĩ cĩ thể hĩa lỏng một cách dễ dàng. Điều này cĩ nghĩa là Butane cĩ thể được sử dụng ở cả hai dạng lỏng và dạng rắn. Ưu điểm của Propane cũng giống như Butane, nĩ cĩ thể được hĩa lỏng một cách dễ dàng. Do đĩ, Propane cũng được sử dụng ở cả hai dạng lỏng và dạng rắn. Ngồi ra Propane là khí khơng màu nên khơng thể dễ dàng nhìn thấy. Về mặt lý thuyết, LPG chứa 50% Propane và 50% Butane. Propane và Butane được dùng như một hỗn hợp là vì cả hai Butane và Propane đều là alkane. Điều này cĩ nghĩa là chúng khơng xảy ra phản ứng hĩa học với nhau. Do đĩ, Propane và Butane được dùng kết hợp trong nhiên liệu nhưng vẫn an tồn. Ngồi ra, Propane và Butane là sản phẩm phụ thu được từ tinh luyện dầu mỏ. Mặt khc, cả hai Propane và Butane cĩ thể được hĩa lỏng một cách dễ dàng do đĩ chúng rất lý tưởng trong việc sử dụng kết hợp như một nhiên liệu. 1.2.4. Mecaptan Mercaptan là một chất được pha trộn vào LPG với tỉ lệ nhất định làm cho LPG cĩ mùi đặc trưng, để dễ phát hiện khi bị xì hoặc rị rỉ. Thường LPG là khơng màu, khơng mùi. 1.3. Lý tính của LPG LPG là một chất lỏng khơng màu (trong suốt), khơng mùi (nhưng được tạo mùi nhằm để dễ phát hiện khi rị rỉ) Cĩ tỷ trọng nhẹ hơn nước: từ 0.53 ¸ 0.58 kg/lít. Ap suất tuyệt đối của LPG trong bồn chứa là : + 1.7 bars ở -15oC + 4.4 bars ở 15oC + 12.5 bars ở 50oC LPG được bảo quản trong bình chứa như một chất lỏng cĩ áp suất khơng cao (dưới 20 bars). Bên trong bình chứa, LPG cĩ hai trạng thái: hơi và lỏng; chất lỏng nằm ở phần đáy bình và hơi nằm ở phía trên. Sự giãn nở của LPG vào khoảng 0,25%, chính vì vậy ta phải luơn luơn chứa khí LPG ở khoảng 80% thể tích bồn chứa. Phần cịn lại của bồn chứa dành cho phần hơi giãn nở do nhiệt độ mơi trường. Tỷ số bén lửa từ 2,4% ¸ 9.6% trong khơng khí. Nhiệt độ tự bốc cháy là 855oF (457oC). Nhiệt trị thấp: QH = 46 MJ/kg (tương đương 11.000 kcal). Tỉ số khơng khí nhiên liệu A/F: 15,5. Chỉ số Octan: 95 ¸ 105. LPG khơng độc hại, tuy nhiên khơng nên hít vào cơ thể với số lượng lớn vì cĩ thể làm say hay nghẹt thở và khơng nên bước vào mơi trường cĩ đầy hơi gas vì rất nguy hiểm do tính dễ bốc cháy của LPG. Một lít LPG ở trạng thái lỏng cĩ thể hĩa hơi xấp xỉ 250 lít ở trạng thái hơi. Một số tính chất của LPG được trình bày ở bảng sau : Đặc tính Propane Butane Khối lượng phân tử 40.09 58.12 Khối lượng riêng 15oC,Kg/lít 0.510 0.580 Nhiệt độ tự bốc cháy 460 ¸580oC 410¸550oC Nhiệt độ đơng đặc -187.8oC -138oC Nhiệt trị thấp MJ/lít 25.5 28.7 Nhiệt trị thấp Kcal/kg 11070 10920 Nhiệt trị thấp MJ/kg 46.1 45.46 Giới hạn cháy theo % thể tích 2.37%¸9.5% 1.86%¸8.41% Số lít trên mỗi tấn (lít/tấn) 1960 1720 Số ốctan động cơ (MON) 101 93 Số ốctan thí nghiệm (RON) 111 103 Vận tốc ngọn lửa ở ngồi khơng khí 46¸85cm/s 40¸87cm/s Một số tính chất của LPG so sánh với xăng và dầu được trình bày ở bảng sau: Đặc tính Propanes Butane Petrol Diesel Tỉ trọng ở 15oC (kg/lit) 0.508 0.584 0.73¸0.78 0.81¸0.85 Áp suất bay hơi ở 37,8oC (bar) 12.1 2.6 0.5¸0.9 0.003 Nhiệt độ sơi -43oC -0.5oC 30¸225oC 150¸560oC RON 111 103 96¸98 - MON 101 93 85¸87 - Nhiệt trị thấp (MJ/Kg) 46.1 45.46 44.03 42.4 Nhiệt trị thấp (MJ/lít) 23.42 26.55 32.24 35.2 Tỉ số A/F 15.8 15.6 14.7 1.4. Các ứng dụng của LPG LPG cĩ hơn 1500 ứng dụng được chia làm 5 khu vực thị trường chính: Dân dụng và thương nghiệp: Nấu ăn, nấu nước nĩng, sưởi ấm, đèn gas… trong các hộ dân, các cửa hàng ăn uống, các khách sạn … Cơng nghiệp và nơng nghiệp: Sấy thực phẩm, nung gốm sứ, ấp trứng, hàn cắt, thanh trùng dụng cụ y tế, … Ơ tơ: LPG được biết như là loại nhiên liệu thay thế cho diesel và xăng. Vì thế, hiện nay đã cĩ nhiều xe sử dụng LPG như là nguồn nhiên liệu cung cấp năng lượng cho động cơ. Trong thực tế việc sử dụng LPG thường mang lại cảm giác chạy xe êm hơn, tiếng ồn thấp, đặc biệt trên các xe tải nặng. Tuy nhiên các xe thương mại dùng LPG như một nguồn nhiên liệu hiện nay vẫn chưa được sản xuất. Phát điện: Chạy máy phát điện, Turbin. Hố dầu: Sản xuất ethetylen, propylen, butadiene cho ngành nhựa và đặc biệt là sản xuất MTBE là chất làm tăng chỉ số Octane. 1.5. Các ưu điểm của nhiên liệu LPG LPG cĩ các ưu điểm sau : Các thành phần hĩa học của LPG tương đối ít, do đĩ dễ dàng thực hiện việc điều chỉnh đúng tỉ lệ hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí để quá trình cháy xảy ra hồn tồn. Ưu điểm này đem lại đặc tính cháy sạch cho LPG. Cả hai Propane và Butane được hĩa lỏng một cách dễ dàng và đựng trong các bình chứa áp suất. Đặc tính này làm cho nhiên liệu cĩ tính cơ động cao, do đĩ cĩ thể vận chuyển dễ dàng trong các bình hoặc các thùng chứa đến người sử dụng. LPG là chất thay thế tốt cho xăng trong các động cơ xăng. Đặc tính cháy sạch của LPG trong một động cơ thích hợp đã làm giảm bớt lượng khí thải, kéo dài tuổi thọ của dầu bơi trơn và bugi đánh lửa. Các đặc tính cháy sạch và dễ vận chuyển của LPG cung cấp một chất thay thế cho các nhiên liệu bản xứ chẳng hạn như gỗ, than đá và các chất hữu cơ khác. Đây là giải pháp tốt để hạn chế nạn phá rừng và làm giảm các chất thải rắn (PM) nguy hiểm vào bầu khí quyển được gây ra bởi việc đốt cháy các nhiên liệu bản xứ. Thay thế cho chất nổ và chất làm lạnh f (fluorocarbons ), giúp hạn chế nguyên nhân gây phá hủy tầng ozone của trái đất. 1.6. An tồn trong sử dụng và tồn trữ LPG Quá trình cháy của LPG sinh ra cacbon dioxide(CO2) và hơi nước, nhưng phải cĩ đủ khơng khí. Nhưng nếu hỗn hợp thiếu khơng khí, trong khi cháy cĩ thể sinh ra khí độc là cacbon monoxide(CO). Mỗi người cĩ liên quan đến việc tồn trữ và sử dụng LPG nên quan tâm đến các đặc tính và các mối nguy hiểm tiềm ẩn sau: (a) LPG được tích trữ ở thể lỏng dưới áp suất nhất định. LPG gần như khơng màu và trọng lượng của nĩ thì xấp xỉ phân nửa một thể tích tương đương của nước. (b) Hơi LPG thì dày đặc hơn khơng khí: butan thì nặng vào khoảng hai lần khơng khí và propan nặng khoảng 1.5 lần khơng khí. Vì vậy hơi LPG cĩ thể bay gần sát mặt đất và đi vào các đường cống rãnh, đầm lầy đến các nơi thấp nhất của mơi trường xung quanh và bị đốt cháy ở khoảng cách xa từ nơi rị rỉ. Trong khơng khí yên tĩnh, hơi LPG sẽ phân tán rất chậm. (c) LPG cĩ thể tạo thành một hỗn hợp dễ cháy khi đã hịa trộn với khơng khí. Phạm vi cĩ khả năng gây cháy ở áp suất và nhiệt độ xung quanh trải rộng từ giới hạn thấp nhất vào khoảng 2% hơi LPG trong khơng khí và giới hạn cao nhất là 10% hơi LPG trong khơng khí. Trong phạm vi này cĩ nguy hiểm của sự mồi lửa. Bên ngồi phạm vi này hỗn hợp là quá nghèo hoặc quá giàu để truyền ngọn lửa. Tuy nhiên, các hỗn hợp quá giàu cĩ thể trở nên nguy hiểm khi được làm nghèo đi với khơng khí và cũng sẽ cháy tại bề mặt với khơng khí. Ở áp suất cao hơn áp suất khí trời, giới hạn trên của khả năng gây cháy được gia tăng, nhưng sự gia tăng này với áp suất khơng phải là tuyến tính. (d) Ngay cả rị rỉ một lượng nhỏ của LPG cĩ thể tạo nên thể tích lớn của hỗn hợp hơi LPG và khơng khí và do đĩ gây nên nguy hiểm đáng kể. Một máy đo hơi nổ thích hợp cĩ thể được sử dụng để kiểm tra sự tập trung của LPG trong khơng khí. (e) Ở mức độ tập trung rất cao trong khơng khí, hơi LPG gây mê và sau đĩ gây ngạt do làm loảng hoặc giảm sự cĩ mặt của oxy. (f) LPG thương mại thơng thường được tạo mùi trước khi phân phối bằng cách thêm vào một chất tạo mùi, chẳng hạn như ethyl mercaptan hoặc dimethyl sulphide, để cĩ thể tìm ra bằng mùi của khí ở mức tập trung thấp đến 1/5 giới hạn thấp hơn cĩ khả năng gây cháy (cĩ nghĩa là khoảng 0,4 % khí LPG trong khơng khí). (g) Ngồi cách nhận biết bằng mùi, sự rị rỉ của LPG cĩ thể nhận thấy rỏ bằng cách khác. Khi chất lỏng bốc hơi, sự làm mát tác động vào mơi trường khơng khí xung quanh gây nên sự ngưng tụ và đơng cứng của hơi nước trong khơng khí. Tác động này cho thấy cĩ sự đĩng băng tại điểm xảy ra rị rỉ LPG, qua đĩ ta cĩ thể dễ dàng phát hiện và xử lý. Ngồi ra, chỉ số khúc xạ của LPG khác so với khơng khí, đơi khi sự rị rỉ LPG cĩ thể được nhìn thấy như ánh sáng mờ mờ (shimmering). (h) Vì sự bay hơi nhanh và liên tục làm giảm nhiệt độ, một phần nhỏ chất lỏng LPG cĩ thể gây nên vết bỏng lạnh nghiêm trọng nếu để tiếp xúc với da. Trang thiết bị bảo vệ cá nhân (ví dụ như bảo vệ tay và mắt) nên được mang vào nếu những nguy hiểm này cĩ thể xảy ra. Một cái bình rổng, nhưng trước đĩ đã chứa LPG cĩ thể vẫn cịn LPG tồn tại ở thể hơi và do đĩ cĩ những nguy hiểm tiềm ẩn. Áp suất bên trong bình này xấp xỉ áp suất khí trời. Nếu một cái van đang rị rỉ hoặc để ở trạng thái mở, khơng khí cĩ thể khuếch tán vào trong bình chứa tạo thành một hỗn hợp cĩ khả năng gây cháy và nổ rất nguy hiểm. Một số đặc tính của Gas cĩ liên quan tới cơng tác PCCC.      Khí đốt hĩa lỏng là sản phẩm thu được từ quá trình chế biến dầu mỏ, thành phần của nĩ bao gồm hỗn hợp của nhiều hydrocacbon parafin mà chủ yếu là propan và butan . Tỷ lệ của propan và butan trong thành phần khí đốt hĩa lỏng phụ thuộc vào mỗi hãng sản xuất (Petrolimex , Sell, Total, Thăng Long ...). Đối với LPG của Petrolimex tỷ lệ propan và butan là từ 30/70 đến 50/50 về thể tích.            Về trạng thái tồn tại:      LPG ở thể lỏng và hơi đều khơng màu, khơng mùi. Vì lý do an tồn nên LPG được pha thêm chất tạo mùi để dễ phát hiện rị rỉ . Thơng thường LPG thương mại được pha thêm chất tạo mùi EtylMecaptan cĩ mùi đặc trưng , khí này hịa tan tốt trong LPG , khơng độc , khơng ăn mịn kim loại và cĩ tốc độ bay hơi gần LPG nên nồng độ trong LPG khơng đổi cho đến khi bình chứa được  sử dụng hết . Theo các tiêu chuẩn an tồn, nồng độ pha chế tạo mùi phải thích hợp để chúng ta cĩ thể phát hiện được hơi gas rị rỉ khi đạt nồng độ bằng 1/5 lần giới hạn nồng độ bốc cháy thấp.     Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thường , LGP tồn tại ở trạng thái khí. Tuy nhiên, do LPG cĩ tỷ số dãn nở thể tích lớn nên để thuận tiện và kinh tế trong quá trình bảo quản , vận chuyển và sử dụng, LPG thường được hĩa lỏng bằng cách nén vào các bình chứa chịu áp lực ở nhiệt độ thường hoặc làm lạnh để hĩa lỏng ở nhiệt độ thấp.            Nhiệt độ sơi: Nhiệt độ sơi của khí đốt hĩa lỏng thấp.      Ở áp suất khí quyển : Propan sơi ở -42 độ C và Butan ở -0,5 độ C      Do đĩ ở nhiệt độ và áp suất thường LPG bay dữ dội dẫn đến nguy cơ tạo thành cùng NHCN rộng lớn nếu bị thốt ra ngồi mơi trường khi thiết bị chứa khơng kín hoặc bị rị rỉ.            Tỷ trọng:    - Tỷ trọng ở thể lỏng :      Ở điều kiện nhiệt độ 15 độ C và áp suất 760mmHg, tỷ trọng của Propan lỏng bằng 0,51 cịn của Butan lỏng bằng 0,575.      Như vậy, ở thể lỏng LPG nhẹ hơn nước . Mặt khác LPG khơng tan trong nước nên nếu thốt ra cĩ thể nổi và cháy trên mặt nước.    - Tỷ trọng ở thể khí :   Ở điều kiện nhiệt độ 15 độ C và áp suất 760mmHg, tỷ trọng của propan khí bằng 1,52 cịn của Butan khí bằng 2,01.   Như vậy, ở thể khí  LPG nặng hơn khơng khí gấp 2 lần.   Dẫn đến , khi thốt ra ngồi, hơi gas sẽ tích tụ ở những chỗ trũng,chỗ kín (như rãnh nước, hố ga...) tạo thành nồng độ NHCN.          Tính dãn nở:      Sự dãn nở nhiệt của LPG lớn (gấp 15-20 lần của nước, và lớn gấp nhiều lần so với các sản phẩm dầu mỏ khác).      Dẫn đến bình chứa, bồn chứa LPG chỉ chứa đến 80-85% dung dịch để LPG cỏ thể dãn nở mà khơng phá hủy thiết bị chứa khi nhiệt độ tăng.    Khi chuyển sang pha hơi thể tích tăng gần 250 lần so với thể tích lỏng. 1.    Van đầu bình 2.    Quai tay xách (vịng cổ bình) cĩ dập chữ nổi “PV GAS-S” hoặc “PV GAS” 3.     Thân bình cĩ dập chữ nổi “PV GAS-S” hoặc “PV GAS” 4.     Chân đế 1.7. So sánh tính năng của LPG với các loại nhiên liệu khác Sản lượng khí dầu mỏ hĩa lỏng trên thế giới đạt 130 triệu tấn trong năm 1995 và trong năm 2000 con số này tăng lên đến trên 200 triệu tấn. Khí dầu mỏ hĩa lỏng đã được phát triển và thương mại hĩa từ những năm 1950. Trước đây, chúng được dùng chủ yếu cho cơng nghiệp và sinh nhiệt gia dụng. Việc nghiên cứu sử dụng LPG trên phương tiện giao thơng vận tải mới được tiến hành trong những thập niên gần đây. Để gĩp phần làm giảm ơ nhiễm mơi trường khơng khí, một số nước đã áp dụng chính sách thuế đặc biệt để khuyến khích người dân sử dụng khí LPG chẳng hạn như Hà lan, Ý, Hàn quốc …Hình bên dưới giới thiệu tỉ lệ ơtơ sử dụng LPG tại một số quốc gia trên thế giới. Quá trình cháy của LPG diễn ra thuận lợi hơn nhiều so với xăng do hỗn hợp được hịa trộn tốt. Mặt khác LPG ở thể khí trong điều kiện khí trời nên khơng cĩ lớp nhiên liệu lỏng ngưng tụ trên thành xy lanh hay thành đường ống nạp do đĩ giảm thành phần các chất khí chưa cháy trong khí thải động cơ. Thực nghiệm cho thấy ơtơ chạy bằng LPG dễ dàng thỏa mãn những tiêu chuẩn khắt khe nhất của luật mơi trường hiện nay. Trong điều kiện hoạt động bình thường, ơtơ LPG cĩ mức độ phát ơ nhiễm giảm 80% đối với CO, 55% đối với HC và 85% đối với NOx so với động cơ xăng cùng cỡ. Ngồi ra, sử dụng nhiên liệu LPG cũng gĩp phần làm đa dạng hĩa nguồn năng lượng sử dụng cho giao thơng vận tải. Do LPG cĩ các đặc tính kỹ thuật như cĩ tính chống kích nổ cao, khơng cĩ chì nên sản phẩm cháy khơng cĩ muội than, khơng cĩ hiện tượng đĩng màng nên động cơ làm việc với LPG ít gây kích nổ hơn, ít gây mài mịn xy lanh, piston, segment, và các chi tiết kim loại khác trong động cơ. So sánh khí thải của các xe chạy bằng xăng, diesel và LPG 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. Chương 2 : KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG LPG LÊN XE 2.1. Các loại nhiên liệu khí sử dụng trên xe Các loại nhiên liệu khi dùng trên xe chủ yếu gồm 2 loại: khí thiên nhiên và khí đồng hành từ mỏ dầu. 2.1.1. Khí thiên nhiên Là khí được khai thác từ các mỏ khí cĩ sẵn trong tự nhiên. Thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên là Methane(CH4) 80¸90%.Khí thiên nhiên dùng làm nhiên liệu cho xe cộ dưới 3 dạng sau: Khí thiên nhiên nén(Compressed Natural Gas/CNG):khí được nén ở thể tích nhỏ hơn với một áp suất cao 250 bars và chứa trong một bình chứa chắc chắn.Bình chứa chứa được 40 ¸50 lít khí. Khí thiên nhiên hĩa lỏng (Liquefield Natural Gas/LNG): Khí được làm lạnh ở nhiệt độ âm 1620C, áp suất khoảng 8,9 bars để chuyển sang trạng thái lỏng và chứa trong các bình cách nhiệt. Khí thiên nhiên hấp thụ (Adsorbed Natural Gas/ANG): Khí thiên nhiên được chứa dưới dạng hấp thụ trong các vật liệu đặc biệt (như ống mao dẫn Cacbon hoạt tính) ở áp suất 30¸40 bars. Ở hai loại sau, do khí được chứa ở áp suất khơng cao nên các bình chứa khơng địi hỏi khắt khe như đối với khí thiên nhiên nén. 2.1.2. Khí đồng hành từ dầu mỏ Ơ các mỏ dầu luơn luơn cĩ loại khí này. Khi khai thác dầu mỏ, người ta sẽ thu được khí này trước do chúng nằm phía trên mỏ. Thành phần chủ yếu của khí đồng hành là Propane và Butane với tỉ lệ: 50/50, 60/40, 70/30. Khí đồng hành được dùng làm nhiên liệu dưới dạng khí hố lỏng(Liquefied Petrolium Gas/ LPG). Khí đồng hành hĩa lỏng được chứa trong các bình cĩ áp suất thấp(dưới 20 bars). Khả năng sử dụng khí đồng hành làm nhiên liệu : Với chiều dài bờ biển trên 3000 km nên nước ta là nước cĩ nhiều trữ lượng về dầu khí. Các mỏ dầu và mỏ khí tập trung chủ yếu ở Biển Đơng. Bên ngồi thềm lục địa nước ta. Từ các mỏ trên, lượng khí thiên nhiên được lấy ra với trữ lượng rất cao. Nếu được khai thác và sử dụng tốt sẽ mang lại nhiều lợi nhuận kinh tế. Khí đốt hố lỏng gọi tắt là LPG (hay cịn gọi là gas) được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1930 và sau đĩ đã phát triển nhanh chĩng, rộng rãi trên thế giới với khoảng hơn 1500 ứng dụng khác nhau (bếp gas, đèn gas, thanh trùng,sấy, đốt, cắt, hàn, nhiên liệu cho các loại động cơ ,ơtơ, …) Mức tiêu thụ trong thời gian qua trên tồn cầu được ghi nhận vào khoảng 69 triệu tấn (năm 1970), 109 triệu tấn (1980), 130 triệu tấn (1992), và 140 triệu tấn (1993). Trong đĩ 4 vùng tiêu thụ chính là Bắc Mỹ (37 triệu tấn), Châu Âu (22 triệu tấn), Nhật (20 triệu tấn), Châu Mỹ Latinh (18 triệu tấn). Tại Việt Nam, LPG được đưa vào Miền Nam vào năm 1957 với mức tiêu thụ ban đầu là 400 tấn, tăng dần lên 1900 tấn (1964), và 1500 tấn (1975), chủ yếu dùng trong dân dụng (nấu nướng) và cơng nghiệp thực phẩm, dược… Vì ngưng nhập từ năm 1984 và hầu như khơng cung ứng cho lĩnh vực dân dụng từ sau năm 1975 nên hầu như tồn bộ khách hàng đã chuyển sang sử dụng các loại chất đốt khác thay thế như than, củi, dầu lửa… Từ năm 1993 lần lượt các cơng ty ELF gas Sài Gịn, Sài Gịn Petrol và Petrolimex đã bước đầu đưa LPG trở lại thị trường. Hiện nay do nhu cầu sử dụng gas ngày càng nhiều cùng với sự phát triển của các thiết bị gas nên thị trường khí lỏng vẫn rất cao. Ơ thành phố Hồ Chí Minh, để đáp ứng thị trường hàng năm, các cơng ty cung ứng gas tại thành phố phải nhập một số lượng rất lớn ước tính như sau (số liệu theo Sài Gịn Petrol cung cấp) Sản lượng gas nhập vào thành phố HCM (tấn/năm) : Dự báo nhu cầu sử dụng LPG tại một số thành phố lớn ở Việt Nam (tấn/năm) Việc sử dụng khí gas trong dân dụng và sản xuất cơng nghiệp ngày càng cao. Do khả năng tiện lợi và an tồn nên gas đã dần thay thế các nhiên liệu khác trong vấn đề chất đốt trong các hộ dân. Hiện nay cĩ khoảng 55% các hộ dân trong thành phố, sử dụng gas cho việc nội trợ. Các ngành cơng nghiệp dần chú ý đến loại nhiên liệu này vì những ưu điểm của nĩ, chúng được ứng dụng vào việc: sấy thực phẩm, nung gốm sứ, ấp trứng, hàn cắt, thanh trùng dụng cụ y tế, ... Trong thành phố, một số nhà máy, cơ quan, xí nghiệp đã sử dụng gas hố lỏng để thay thế các loại chất đốt khác như : Nhà máy sành sứ Thiên Thanh, cơng ty dụng cụ y tế quận 8, xí nghiệp Đồng Tiến, xí nghiệp liên hiệp xuất khẩu bĩng bàn, cơng ty vệ sinh vv… Tại nước ta hiện nay đã bắt đầu đi vào sản xuất gas. Đầu năm 1999 nhà máy khí Dinh Cơ (Bà Rịa – Vũng Tàu) đã bắt đầu sản xuất gas - một mặt hàng mà hiện nay cả nước đang cịn phải nhập khẩu với thuế suất khá cao (30%). Theo điều tra khảo sát sơ bộ thì hiện nay nhu cầu sử dụng gas của cả nước ở vào khoảng 190.000 tấn/năm. Như vậy nếu nhà máy khí Dinh Cố sản xuất đủ cơng suất thiết kế 300.000 tấn gas/năm thì lượng gas dư thừa hàng năm lên tới 100.000 tấn. Làm thế nào để giải quyết lượng gas dư thừa này ? Theo ý kiến các chuyên gia kinh tế ngành dầu khí thì cĩ 2 giải pháp để giải quyết lượng gas thừa. Giải pháp thứ nhất là tìm thị trường xuất khẩu gas, giải pháp thứ hai là phải tìm cách tiêu thụ gas trên thị trường nội địa. Trong 2 giải pháp vừa nêu thì giải pháp thứ hai mang tính khả thi và hiệu quả kinh tế cao hơn. Thực tế cho thấy, hiện nay các nhà máy, xí nghiệp và các đơn vị vận tải … đều đang sử dụng nguồn nhiên liệu điện, than, củi và đặc biệt nhiều nhất là xăng dầu. Trong khi đĩ mặt hàng xăng dầu hầu như ta đang phải nhập 100% tức là khoảng 6 triệu tấn/năm. Và cho dù sau này, nhà máy lọc dầu số 1 Dung Quất ra đời, trong nước vẫn chưa thể đáp ứng nhu cầu của xã hội về sử dụng xăng dầu. Do vậy phải khuyến khích các đơn vị sử dụng gas làm nhiên liệu thay cho xăng dầu. Nếu làm được điều này chúng ta vừa xuất khẩu tại chỗ mặt hàng gas, vừa hạn chế được nhập khẩu xăng dầu, tiết kiệm được một nguồn ngoại tệ lớn cho ngân sách của nhà nước. Ngồi ra việc dùng gas thay cho than củi cũng mang một ý nghĩa xã hội rất lớn, gĩp phần cho cơng tác trồng và bảo vệ rừng, ngăn chặn nạn chặt cây, phá rừng làm than củi trong nhân dân. Dự báo nhu cầu sử dụng LPG cho giao thơng ở Việt Nam (tấn/năm) Cĩ thể khẳng định rằng: việc sử dụng chất đốt bằng gas cĩ hiệu quả kinh tế, xã hội và mơi trường rất rõ. Trước hết là giá gas sẽ rẻ hơn giá xăng dầu (khi Việt Nam chính thức sản xuất được gas. Hiện nay giá gas vẫn cịn cao do phải nhập khẩu), và một ưu thế nữa là dùng gas khơng gây ơ nhiễm như các loại xăng dầu khác, nhất là loại dầu FO thải ra nhiều khí bẩn và độc hại. Về khía cạnh mơi trường, ta thấy rõ nhất qua việc sử dụng khí gas làm nhiên liệu trên động cơ xe cộ. Khi mà số lượng xe cộ ngày càng tăng cao, các loại nhiên liệu truyền thống khơng thể đáp ứng về những yêu cầu về mơi trường thì việc sử dụng nhiên liệu liệu khí là tất yếu. Nhiên liệu khí gas cĩ thể đảm bảo chất lượng khí thải sạch, khơng gây ơ nhiễm mơi trường, khơng hại đến sức khoẻ con người …. Trong các năm qua đã cĩ nhiều cố gắng sử dụng nhiên liệu khí làm nhiên liệu trên động cơ xe, mà điển hình là xe taxi Thu Ngân đã đi tiên phong trong lãnh vực này. Qua thực tiễn sử dụng, đã cĩ kết quả tốt và hiệu quả kinh tế cao. Tĩm lại chúng ta cĩ thể thấy việc sử dụng gas thay thế cho xăng dầu ngày càng nhiều. Điều này đã mở ra một hướng giải quyết tốt cho tình trạng thiếu nhiên liệu trong tương lai khi mà lượng xăng dầu trở nên cạn kiệt. Và cũng là một biện pháp để khắc phục vấn đề nhập khẩu xăng dầu ở nước ta. Do đĩ địi hỏi chúng ta phải đầu tư nhiều vào việc khai thác, sản xuất và sử dụng tốt loại nhiên liệu này. Nếu làm được như thế chúng ta đã gĩp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành sản xuất dầu khí và mang lại lợi ích kinh tế rất lớn cho đất nước. 2.1.3. Ưu điểm của việc sử dụng khí LPG so với các loại khí khác Ta cĩ thể thấy rằng việc sử dụng khí LPG làm nhiên liệu cĩ nhiều ưu điểm hơn so với các loại khí khác. Các ưu điểm đĩ như : 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 nén khí đặc biệt, tốn kém Sản xuất và sử dụng đơn giản và an tồn hơn. Để lưu trữ khí với áp suất cao địi hỏi 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. 2.1.4. Kết luận Từ các ưu điểm trên ta thấy việc sử dụng LPG sẽ mang lại hiệu quả cao hơn so với các loại khí thiên nhiên khác. Do đĩ, trong đề tài này chúng ta sẽ sử dụng LPG để làm nhiên liệu ứng dụng trên xe. Đặc điểm cơng tác của động cơ chạy bằng nhiên liệu khí: Những khái niệm cơ bản về quá trình cơng tác của động cơ chạy bằng nhiên liệu khí hồn tồn giống như động cơ Diesel và xăng. 2.1.5. Các phương pháp sử dụng nhiên liệu khí để chạy động cơ đốt trong 2.1.5.1. Phương pháp thứ nhất Chế tạo hẳn một loại động cơ chuyên chạy bằng nhiên liệu khí, trong đĩ cĩ thể lợi dụng với mức cao nhất tất cả những tính chất tốt nhất của nhiên liệu. Những loại động cơ như vậy, ngay cả trong trường hợp sử dụng loại nhiên liệu khí cĩ số nhiệt lượng trung bình (nhiệt trị thấp trung bình) vẫn đảm bảo động cơ cĩ áp suất cĩ ích cao và lượng tiêu hao nhiên liệu thấp. 2.1.5.2. Phương pháp thứ hai Chuyển từ động cơ đang chạy nhiên liệu lỏng sang động cơ chạy bằng nhiên liệu khí hoặc bằng hai loại nhiên liệu: nhiên liệu chính là nhiên liệu khí cịn nhiên liệu lỏng dùng làm mồi đốt (động cơ gas diasel). Khi chuyển cách dùng nhiên liệu từ chỗ đang chạy bằng nhiên liệu lỏng sang chạy bằng nhiên liệu khí, động cơ khơng cần thay đổi về mặt cấu tạo nhưng khi đĩ cơng suất của động cơ giảm, vì những tính chất tốt nhất của nhiên liệu khơng được lợi dụng hết. Đối với động cơ chạy bằng nhiên liệu khí việc hình thành khí hổn hợp cĩ thể thực hiện hoặc ở bên trong hoặc ở bên ngồi xy lanh động cơ. Nhưng đại đa số động cơ chạy bằng nhiên liệu khí thường dùng phương pháp hình thành khí hỗn hợp ở bên ngồi, vì phương pháp đĩ cho phép : Dùng nhiên liệu khí được trong các động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng mà khơng cần thay đổi cấu tạo của động cơ, đồng thời vẫn giữ nguyên được khả năng khi chạy lại bằng nhiên liệu lỏng. Tạo ra một loại động cơ chuyên chạy bằng nhiên liệu khí trên cơ sơ của động cơ sẵn cĩ chạy bằng nhiên liệu lỏng (cải tiến) Việc hịa trộn khơng khí với nhiên liệu khí được chuẩn bị trong một thiết bị đặc biệt đĩ là bộ hỗn hợp khí (bộ mêlăngzơ). Việc đốt cháy khí hỗn hợp cơng tác của động cơ chạy bằng nhiên liệu khí chủ yếu được thực hiện bằng hai cách sau đây: * Bằng tia lửa điện. * Bằng tia nhiên liệu lỏng làm mồi. Các động cơ gas được cải tiến từ những động cơ xăng thường dùng phương pháp đốt cháy bằng tia lửa điện, cịn những động cơ được cải tiến trên cơ sở từ những động cơ diesel thơng thường dùng phương pháp đốt cháy bằng bằng tia nhiên liệu lỏng phun vào xylanh lúc cuối quá trình nén. Tia nhiên liệu mồi là một nguồn phát hỏa rất lớn, gồm nhiều trung tâm cháy, nĩ đảm bảo cĩ thể đốt cháy những hỗn hợp lỗng hơn khi đốt cháy bằng tia lửa điện. Trong động cơ chạy bằng nhiên liệu khí đốt cháy bằng tia nhiên liệu lỏng làm mồi, nhiệt lượng được lợi dụng một phần do sự cháy của nhiên liệu khí cung cấp, một phần là do sự cháy của nhiên liệu lỏng cung cấp. Do đĩ quá trình cơng tác cuả những loại động cơ như vậy gọi là chu trình gasodiesel. Phương pháp hình thành khí hỗn hợp bên trong chỉ cho động cơ bốn kỳ tăng áp, và ứng dụng cho động cơ hai kỳ (để tránh tổn thất khí gas lúc quét khí trong xy lanh). Người ta đã chế tạo động cơ gas tự cháy do nén khi phun khí gas (nhiên liệu khí) vào xy lanh lúc cuối quá trình nén nhưng khơng đưa đến kết quả mỹ mãn. 2.2. Các phương án chuyển đổi động cơ chạy bằng nhiên liệu truyền thống sang sử dụng nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) 2.2.1. Động cơ xăng Cải tiến chuyển sang dùng khí thiên nhiên: - Thay bộ chế hoà khí. - Giữ nguyên hệ thống đánh lửa. - Tăng tỉ số nén. Tỷ số nén là một trong những thông số động lực học quan trọng, nó ảnh hưởng rất nhiều đến các chỉ tiêu kinh tế và công suất của động cơ. Về mặt lý thuyết mà nói khi tăng tỉ số nén thì công suất về kinh tế của động cơ sẽ tăng. Nhưng trong thực tế do không tránh khỏi tổn thất cơ giới tăng nên việc tăng tỉ số nén chỉ có lợi trong một phạm vi nhất định. Đối với động cơ đốt cháy cưỡng bức, giới hạn trên của tỉ số nén được quy định bởi hiện tượng kích nổ và nó phụ thuộc vào tính chất chống kích nổ của nhiên liệu mà đặc trưng bằng hằng số Octan. Trong những điều kiện như nhau nhiên liệu có trị số Octan càng lớn thì tỉ số nén chọn cho động cơ có thể càng cao. Do ta đã biết như trên, nhiên liệu LPG có chỉ số Octan cao hơn xăng, do đó khi chuyển động cơ xăng sang dùng LPG chúng ta nên tăng tỉ số nén của động cơ. 2.2.2. Động cơ Diesel Cải tiến chuyển sang dùng khí nhiên liệu: - Đánh lửa bằng bugi. - Thay bơm cao áp, vòi phun nhiên liệu bằng bộ trộn khí. - Giảm tỉ số nén. Không khí trong quá trình nén của động cơ Diesel đòi 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 có thể tự bốc cháy. Do đó động cơ Diesel có tỉ số nén cao hơn các động cơ khác. Việc nén động cơ gas không nên đạt tới mức độ có thể sinh ra hiện tượng hỗn hợp khí công tác tự bốc cháy vì sẽ gây ra cháy kích nổ của nhiên liệu. Do đó khi cải tiến động cơ Diesel sang sử dụng khí nhiên liệu, chúng ta nên giảm tỉ số nén. Việc giảm tỉ số nén có thể được thực hiện bằng nhiều cách như thay đổi piston, xy lanh, thay đổi hành trình bằng các thay đổi trục khuỷu. Nhưng phương pháp tốt nhất là chúng ta thay đổi hình dạng đỉnh piston bằng cách gia công thêm trên đỉnh piston động cơ có độ sâu hơn ban đầu hay làm thể tích phần lõm trên đỉnh lớn hơn. 2.3. Quá trình cháy của LPG trong động cơ đánh lửa cưỡng bức Điểm khác biệt của quá trình cháy hỗn hợp LPG là LPG hòa với không khí ở trạng thái khí, còn động xăng là hơi xăng hòa trộn với không khí. Do đó, hổn hợp LPG-không khí có tính đồng nhất và đồng đều cao hơn rất nhiều, cải thiện được các thông số nạp tốt hơn so với động cơ xăng. Các phương trình cháy: a, Phương trình cháy hỗn hợp xăng (Heptane-C7H16)/ không khí C7H16 + F (O2 + 3,78N2) ® YCO2 + ZH2O + A(3,78N2) + Q Cân bằng theo C, H, O2 và N2 cho ta F = 11 ; Y = 7 ; Z = 8 ; A = 11 b, Phương trình cháy hỗn hợp LPG (Propane-C3H8)/ không khí C3H8 + F (O2 + 3,78N2) ® YCO2 + ZH2O + A(3,78N2) + Q Cân bằng theo C, H, O2 và N2 cho ta F = 5 ; Y = 3 ; Z = 4 ; A = 5 c, Phương trình cháy hỗn hợp LPG (Buthane-C4H10)/ không khí C4H10 + F (O2 + 3,78N2) ® YCO2 + ZH2O + A(3,78N2) + Q Cân bằng theo C, H, O2 và N2 cho ta F = 6,5 ; Y = 4 ; Z = 5 ; A = 6,5 Tỷ lệ hỗn hợp (khối lượng nhiên liệu/ khối lượng không khí - A/F -) được dùng để đánh giá mức độ hòa trộn hỗn hợp cần thiết cho sự cháy hoàn toàn. Di Heptan : A/F = 1/15,66 Di Propane : A/F = 1/15,66 Di Butane : A/F = 1/15,45 2.4. Các cụm chi tiết chính của hệ thống LPG trên ôtô 2.4.1. Bộ trộn khí: Chức năng chính của bộ trộn là tạo ra tỷ lệ nhiên liệu LPG (đã hóa hơi) và không khí hợp lý để đưa vào buồng cháy động cơ. Đối với động cơ sử dụng bộ chế hòa khí thông thường, dung lượng không khí nạp cần thiết chọn theo công thức sau : * Đối với động cơ 4 kỳ : Vnạp = Vh * nemax/ 3456*hv Trong đó : Vh = Thể tích công tác xy-lanh, inch3 Vnạp = Lưu lượng không khí nạp yêu cầu nemax = Số vòng quay cực đại của động cơ hv = Hệ số nạp hay còn gọi là hiệu suất thể tích, thường được chọn đối với động cơ 4 kỳ giá trị hv = 0,80 ¸ 0,85. * Đối với động cơ 2 kỳ : Vnạp = Vh * nemax/ 3456 Đối với động cơ phun nhiên liệu Vnạp = Vh * nemax/ 3456 Đối với động cơ có tăng áp Vnạp = Vh * nemax/ 3456 *% pk +1 Trong đó : pk - độ tăng áp, tính theo % Các thông số của bộ trộn IMPCO Model IMPCO 50 50-100 100 125 175 200 225 425 Vnạp max. (inch) 91 108 170 202 210 276 329 460 2.4.2. Bộ giảm áp hóa hơi: Bộ giảm áp hóa hơi có chức năng chuyển đổi LPG ở trạng thái lỏng sang trạng thái hơi trước khi vào bộ trộn. Thường được chọn đi kèm với bộ trộn. 2.4.3. Bình chứa LPG: Chức năng chính của bình chứa là dự trữ LPG ở trạng thái lỏng ở các mức áp suất cho phép. Thông số quan trọng của bình chứa là dung tích làm việc VB, dung tích này được lựa chọn tương ứng theo dung tích thùng nhiên liệu của xe nguyên thủy . 2.4.4. Các cụm khác trong hệ thống LPG: Các bộ phận quan trọng khác trong hệ thống còn lại là các van an toàn của bình chứa, van an toàn của đường ống và đường ống. Tất cả các chi tiết này được chế tạo theo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật và an toàn. 2.4.4.1Van solenoid / kiểu đơn và đôi Van solenoid là một thiết bị cho phép cắt tự động dòng cung cấp LPG từ thùng chứa đến bộ bay hơi trong khoang động cơ. Kiểu van solenoid LPG đơn Trong trường hợp này, động cơ không thể khởi động dễ dàng khi nhiệt độ xuống dưới 0oC. Khi nhiệt độ xuống âm 5oC vào mùa đông, động cơ thường khởi động bằng nhiên liệu xăng và chạy bằng LPG sau một ít giây hâm nóng. Kiểu van solenoid LPG đôi Động cơ khởi động dễ dàng khi nhiệt độ âm 20 ¸ 25oC với nhiên liệu LPG hoặc xăng. Van solenoid LPG đôi có khã 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 của bạn có 70% Propane, sẽ không có vấn đề trong việc khởi động với van solenoid LPG đơn. Gas ở thể lỏng trong lúc khởi động chạy bằng LPG sau một ít giây hâm nóng. 2.4.4.2. Van cắt xăng (Gasoline cut-off valve) Đây là một thiết bị để 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 có hai ống nối (Vào/Ra). Van được đóng lại khi ngắt điện và mở ra khi có dòng điện đi qua. Van được đặt trong khoang động cơ nằm giữa bơm xăng và bộ chế hòa khí. Và van chỉ được lắp trên động cơ sử dụng bộ chế hòa khí Chương 3 : ỨNG DỤNG LPG TRÊN ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KÉP (DUAL FUEL) DIESEL - LPG 3.1. Các phương pháp cải tạo động cơ Diesel thành động cơ Diesel cĩ sử dụng khí thiên nhiên 3.1.1. Chuyển đổi động cơ Diesel thành động cơ LPG, CNG đốt cháy cưỡng bức Sơ đồ một hệ thống nhiên liệu điển hình được giới thiệu trên hình 3.1: Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel chuyển 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 ga 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 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 ga. Các bộ phận chính: Bộ giảm áp - hố hơi được chỉ ra trên hình 3.2: 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 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 6. Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp hĩa hơi Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý bộ trộn khí Bộ trộn khí được chỉ ra trên hình 3.3: Hơi LPG từ bộ giảm áp - hĩa hơi đi vào đường ống nạp, van điều chỉnh độ đậm LPG cho phép điều chỉnh độ đậm của hỗn hợp theo 2 chế độ: giàu/nghèo. Khi 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 chyển qua chạy xăng. Bộ trộn cịn cĩ 1 vít điều chỉnh 8 để điều chỉnh hỗn hợp khi động cơ làm việc ở chế độ khơng tải. 3.1.2. Chuyển đổi động cơ Diesel thành động cơ phun LPG trực tiếp: Sơ đồ tổng thể hệ thống điều khiển nhiên liệu được chỉ ra trên hình 3.4: Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ xăng chuyển đổi sang phun trực tiếp LPG Mơ tả hệ thống: Ga từ bình chứa đến bộ điều áp, qua ống phân phối rồi đến kim phun. Các cảm biến như là bộ đo giĩ, cảm biến cánh bướm ga, cảm biến lambda gởi tín hiệu về bộ điều khiển để tính tốn thời gian nhấc kim, cung cấp ga vào trong xy lanh. Một hệ thống van và đồng hồ báo được thiết kế để đảm bảo an tồn và hiển thị tình trạng của hệ thống. 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, ga được phun vào cuối kỳ nén. Ga 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 ga, 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. Kim phun với lượng nhiên liệu được ấn định bằng độ rộng xung cung cấp ga trực tiếp vào buồng đốt. Hình 3.5 Họat động của động cơ phun LPG trực tiếp Hình 3.6 Kết cấu cụm bộ phận sinh cơng Ngồi ra cịn cĩ bộ xúc tác làm giảm tối đa lượng khí xả độc hại. Việc kết hợp giữa ga và hiệu suất hoạt động cao đã giảm đáng kể lượng NOx khi so sánh với động cơ diesel và động cơ ga đốt cháy cưỡng bức tương ứng. Kết quả đạt được: - 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. Sơ đồ bố trí trên xe: Hình 3.7 Sơ đồ bố trí hệ thống nhiên liệu trên xe Ảnh chụp từ sau xe: Hình 3.8 Ảnh chụp từ sau xe Volvo V70 lắp hệ thống phun LPG trực tiếp 3.1.3. 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 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. Khi động cơ bắt đầu chuyển sang chế độ đầy tải, khí thiên nhiên tăng lên thay thế dầu diesel lên đến 80% hay 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 kép cũng tương đối dễ dàng. Sơ đồ một hệ thống nhiên liệu điển hình: Hình 3.9 Sơ đồ chung hệ thống dual fuel 3.2. Động cơ nhiên liệu kép (Dual fuel) 3.2.1. Nguyên lý hoạt động của động cơ Dual fuel 1. Kỳ nạp: - Ga được phun vào trong dịng khí nạp - Hỗn hợp khơng khí và ga được nạp vào trong lịng xy lanh. 2. Kỳ nén: - Khơng khí và ga hịa trộn trong lịng xy lanh - Hỗn hợp được nén - Nhiệt độ hỗn hợp tăng lên - Áp suất tăng lên - Nhiên liệu diesel được phun vào. 3. Kỳ nổ: - Nhiên liệu diesel phát cháy, đốt cháy ga - Áp suất và nhiệt độ trong lịng xy lanh tăng lên nhanh chĩng - Piston bị đẩy xuống phía dưới. 4. Kỳ thải: - Sản vật cháy đi ra ngồi qua đường xả. Hình 3.10 Nguyên lý hoạt động của động cơ dual fuel Đặc điểm: - Khơng thay đổi các kỳ của động cơ diesel 4 kỳ - Khơng thay đổi những phần cơ bản của động cơ Diesel - Ga được phun vào đường ống nạp vào kỳ nạp của động cơ - Ga được đốt cháy bởi diesel phun mồi (>10%)- Diesel mồi cho phép quá trình cháy rất ít ga - Tỷ số nén và hiệu suất của động cơ diesel được duy trì - Trung bình sử dụng hơn 75% ga - Động cơ cĩ thể chạy 100% diesel bất cứ lúc nào mong muốn. 3.2.2. Thành phần cơ bản của hệ thống 1.Kim phun: Hình dáng và kết cấu kim phun được chỉ ra trên hình 3.11 và 3.12 Kim phun ga được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp khí thiên nhiên ở những nơi cần phun với áp lực cao. Vỏ và các bộ phận bên trong được làm từ thép khơng rỉ. Áp suất hoạt động tối đa nằm trong khoảng 0,9 - 2 MPa. Cuộn dây điều khiển hoạt động với điện áp 12 – 24 VDC. 2. Bộ lọc: Bộ lọc ga được chỉ ra trên hình 3.13. Bộ lọc cho dịng ga đi qua và giữ lại những hạt bẩn trong ga. Nĩ cần thiết cho việc bảo vệ kim phun và những chi tiết chính xác khác trong hệ thống cung cấp ga. Bộ lọc cĩ thể lọc được 99,7% những hạt cĩ kích thước 0,3 – 0,6 µm. Phần tử lọc được làm bằng lưới thủy tinh cĩ kích thước 0,01 µm với dạng hình trụ trịn. Khi hoạt động, nhiên liệu vào đi qua các vách trịn, nơi mà những hạt bẩn rắn được giữ lại. Bụi ở dạng nhũ tương được tích trữ trong một ngăn, sau đĩ cĩ thể xả ra. Chất bẩn dạng bay hơi khơng thể lọc bởi bất cứ bộ lọc nào sẽ được khử ở trạm cung cấp nhiên liệu. 3. Van ngắt nhiên liệu: Van cắt nhiên liệu cĩ cấu trúc bằng thép chống ăn mịn chất lượng cao và bề mặt tiếp xúc cĩ độ kín tốt. Được thiết kế để sử dụng cho động cơ ga, nĩ cĩ thể hoạt động ở áp suất 0,9 MPa. Điệp áp hoạt động là 12VDC, cường độ dịng điện là 1,6 A. 4. Bộ điều áp: Bộ điều áp được thiết kế để duy trì áp suất ổn định với áp suất đầu vào thay đổi khác nhau. Áp suất đầu vào tối đa là 2,8 MPa đầu ra nằm trong dải 0,7-1,4 MPa. Hình 3.11 Kim phun ga Hình 3.12 Kết cấu kim phun ga Hình 3.13 Bộ lọc ga 3.2.3. Một số kết quả nghiên cứu về tính kinh tế nhiên liệu và khí thải trên động cơ nhiên liệu kép Trong phần này, một số kết quả thực nghiệm về tính kinh tế nhiên liệu và khí thải. 3.2.3.1. Thử nghiệm trên xe tải Kenworth: Hình 3.14 Xe tải Kenworth Thơng số kỹ thuật của xe: - Model: K125CR - Động cơ: Cummins N14, 465HP - Hệ thống nhiên liệu: Cummins - Hộp số: 18 số - Tải trọng tối đa: 82 tấn Thử nghiệm với thành phần Diesel/LPG: 60%/40% 1. Thử nghiệm chi phí nhiên liệu: Hình 3.15 Biểu đồ thử nghiệm chi phí nhiên liệu - Chi phí nhiên liệu: giảm 29.5% (0.108 $AUD trên 1km) - Diesel 100% = 36.6 cents/km - Diesel/Gas = 25.8 cents/km 2. Thử nghiệm tiêu hao nhiên liệu: Hình 3.16 Biểu đồ thử nghiệm tiêu hao nhiên liệu - Tiêu hao nhiên liệu: giảm 5.5% - Diesel 100% = 57.8 Lít/100 km - Diesel/Gas = 54.6 Lít/100 km 3.2.3.2. Thử nghiệm trên xe Mitsubishi 3.2L Diesel Hình 3.17 Xe Mitsubishi 3.2L Diesel Thơng số kỹ thuật của xe: - Động cơ: 3.2 lít Di-D DOHC 16-valve Intercooled Turbo Diesel - Dung tích: 3200cm3 - Tỷ số nén: 17:1 - Hệ thống nhiên liệu: Phun trực tiếp, bơm phân phối điều khiển bằng điện - Turbocharger và Intercooler - Cơng suất tối đa: 121kW ở 3800 vịng/phút - Moment xoắn tối đa: 373Nm ở 2000 vịng/phút Thử nghiệm với thành phần nhiên liệu diesel/LPG: 60%/40% 1. Thử nghiệm tiêu hao nhiên liệu: Hình 3.18 Biểu đồ thử nghiệm tiêu hao nhiên liệu - Tiêu thụ nhiên liệu : tiết kiệm 7.9% trên động cơ dual fuel - Diesel 100% = 11.05 Lít / 100 km - Diesel/LPG = 10.17 Lít (kết hợp) / 100 km 2. Thử nghiệm hiệu suất nhiệt: Hình 3.19 Biểu đồ thử nghiệm hiệu suất nhiệt Hiệu suất nhiệt: tăng 16.3% trên động cơ dual fuel 3. Thử nghiệm chi phí nhiên liệu: Hình 3.20 Biểu đồ thử nghiệm chi phí nhiên liệu Chi phí nhiên liệu: giảm 26% (0.0253 $AUD trên km) 4. Thử nghiệm khí thải: Hình 3.21 Biều đồ thử nghiệm khí thải - CO2: Giảm 12.6% - Độ mờ khĩi: giảm 74.9% - NOx: giảm 18.1% trên động cơ dual fuel KẾT LUẬN Với nhiều loại nhiều ưu điểm nổi bật so với nhiều loại nhiên liệu nói chung và các loại nhiên liệu khí nói riêng, ở Việt Nam can phải tiếp tục công tác đầu tư nghiên cứu để có thể sử dụng rộng rãi hơn nữa loại nhiên liệu thân thiện với môi trường và giàu tiềm năng này. TÀI LIỆU THAM KHẢO -----&----- [1] PGS.TSKH Bùi Văn Ga- Quá trình cháy trong động cơ đốt trong- Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật. [2] Nguyễn Tất Tiến: Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB Giáo Dục, năm 2001. [3] LPG system manual for automobile conversion kit- HWA SEANG BOILER CO.LTD. [4] Dieselongas Pty Ltd: Alternative fuel technology. [5] MFO: Marknadsundersưkning Av Fordon drivna med biogas/naturgas, Stockholm MFO, 2001 [6] Các Website :