Nghiên cứu sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên động cơ diesel hiện hành ( Luận án tiến sĩ)

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN TƯỜNG VI

Nghiên cứu sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế
trên động cơ diesel hiện hành

Chuyên ngành: Cơ khí Động lực Mã số: 62520116
Nghiên cứu sinh: Nguyễn Tường Vi
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Hoàng Đình Long
2. PGS.TS. Lê Anh Tuấn

2014


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

-1-

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học,
Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí
Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Đình Long và PGS.TS Lê Anh Tuấn đã
hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và
hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt
trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện
hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ
nhiệm Khoa Công nghệ Ôtô và các thầy cô trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong
suốt quá trình nghiên cứu học tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng
chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận
án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã
động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công
trình này.
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Tƣờng Vi

-2-


MỤC LỤC

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

2.4.3

Mô hình nhiệt động ...................................................................................................................... 52

2.4.4

Mô hình truyền nhiệt ................................................................................................................... 53

2.4.5

Mô hình hình thành phát thải độc hại .......................................................................................... 53

2.5 Kết quả tính toán mô phỏng .............................................................................................................. 62
2.5.1

Đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng ................................................................................ 64

2.5.2

Ảnh hưởng của tỷ lệ LPG đến chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ........................................... 67

2.5.3

Ảnh hưởng của góc phun sớm ..................................................................................................... 73

2.6 Kết luận chƣơng 2 .............................................................................................................................. 76
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP LPG TRONG
ĐỘNG CƠ LPG/DIESEL ............................................................................................................................. 78
3.1 Giới thiệu chung ................................................................................................................................. 78
3.2 Nghiên cứu chế tạo hệ thống cung cấp LPG trên động cơ AVL 5402 ........................................... 82

-3-


3.2.1

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ điều khiển phun LPG ................................................................ 82

3.2.2

Thuật toán đọc và tính các giá trị cảm biến trong hệ thống LPG ................................................. 89

3.2.3

Thuật toán điều khiển kết nối máy tính ....................................................................................... 92

3.2.4

Chương trình điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG ....................................................... 92

3.2.5

Xây dựng giao diện điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG ............................................. 97

3.3 Kết luận chƣơng 3 .............................................................................................................................. 98
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ......................................................................................... 99
4.1 Mục đích, đối tƣợng và trang thiết bị thử nghiệm .......................................................................... 99
4.1.1

Mục đích thử nghiệm ................................................................................................................... 99

4.1.2

Đối tượng và nhiên liệu thử nghiệm ............................................................................................ 99

4.1.3

Trang thiết bị thử nghiệm ............................................................................................................ 99

4.2 Thử nghiệm trên động cơ AVL 5402 .............................................................................................. 103
4.2.1

Nội dung thử nghiệm ................................................................................................................. 103

4.2.2

Kết quả thử nghiệm và thảo luận ............................................................................................... 104

4.3 Thử nghiệm trên động cơ D1146TI ................................................................................................ 119
4.3.1

Nội dung thử nghiệm ................................................................................................................. 119

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

-4-

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

NOx

Ôxít nitơ

Soot

Bồ hóng

Smoke

Độ khói



Hệ số dư lượng không khí

GTVT

Giao thông vận tải

RON

Trị số Octan nghiên cứu

CN
Autogas
GDI
Common Rail
AVL-Boost

Trị số Cetan
Phương tiện giao thông dùng nhiên liệu là khí LPG
Hệ thống phun xăng trực tiếp
Hệ thống nhiên liệu phun dầu điện tử kiểu tích áp
Phần mềm mô phỏng một chiều của hãng AVL (Áo)

ELC

Bộ điều khiển phun LPG

MP

Mô phỏng

TN

Thực nghiệm

ECE R49

Chu trình thử châu Âu ở chế độ tĩnh đối với động cơ xe tải hạng
nặng và xe khách

USB

Cổng giao tiếp máy tính

COM

Cổng giao giao tiếp máy tính dạng nối tiếp

ECU

Bộ điều khiển điện tử

CEB-II
Mạng CAN
RS232
0

TK

∆KAcc

Combustion Emission Bench – II / Tủ thiết bị phân tích khí
Controller Area Network / mạng vùng tốc độ thấp
Cổng giao tiếp nối tiếp
Độ góc quay trục khuỷu
Biên độ độ rung động của động cơ

Dual

Lưỡng nhiên liệu LPG/diesel

P/B

Tỷ lệ thành phần propan/butan

-5-


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 NOx

60

Bảng 3.1 Đặc tính của cảm biến nhiệt độ

91

Bảng 4.1 Mức độ thay đổi phát thải trung bình khi thay đổi tỷ lệ LPG

112

Bảng 4.2 So sánh phát thải khi thay đổi góc phun sớm ở tốc độ 2000v/ph

117

Bảng 4.3 Độ chênh áp suất trước và sau vòi phun LPG

120

Bảng 4.4 Chế độ đo trong chu trình thử ECE R49

129

Bảng 4.5 Kết quả đo phát thải theo chu trình Châu Âu ECE R49

129

Bảng 4.6 Kết quả đo phát thải theo chu trình Châu Âu ECE R49 với góc phun
sớm 60

136

-6-


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cấu trúc hóa học của các thành phần trong nhiên liệu LPG

16

Hình 1.2 Sản lượng (triệu tấn) LPG trên toàn cầu

17

Hình 1.3 Bộ trộn Venturi với lỗ khoan bố trí xung quanh họng

22

Hình 1.4 Họng Venturi với một đường LPG vào loại cùng chiều

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
100% tải, tỷ lệ LPG thay thế diesel 20%, tốc độ 2000v/ph

66

Hình 2.9 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến tổng lượng
diesel + LPG tiêu thụ ở 100% tải

67

Hình 2.10 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến suất tiêu hao
năng lượng ở 100% tải

68

Hình 2.11 Kết quả mô phỏng phát thải HC ở các chế độ tải và tỷ lệ LPG thay thế
khác nhau

68

Hình 2.12 Kết quả mô phỏng phát thải NOx ở các tỷ lệ LPG khác nhau

70

Hình 2.13 Kết quả mô phỏng phát thải CO ở các tỷ lệ LPG khác nhau

71

Hình 2.14 Kết quả mô phỏng phát thải Soot ở các tỷ lệ LPG khác nhau

72

Hình 2.15 Kết quả mô phỏng diễn biến áp suất xilanh ở tốc độ 2000vg/ph, 100%
tải, với các tỷ lệ LPG khác nhau

73

-7-


Hình 2.16 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của góc phun sớm diesel đến mô men và
công suất động cơ ở tốc độ 2000v/ph, 100% tải, tỷ lệ LPG 20%

73

Hình 2.17 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của góc phun sớm diesel đến phát thải
NOx, 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 3.12 Mạch xử lý tín hiệu dự phòng (option)

85

Hình 3.13 Mạch xử lý tín hiệu điều khiển vòi phun LPG

86

Hình 3.14 Mạch xử lý tín hiệu điều khiển van điện từ và rơle đóng mở LPG

86

Hình 3.15 Sơ đồ khối vi điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG

87

Hình 3.16 Khối tạo xung nhịp

87

Hình 3.17 Khối mạch Reset

87

Hình 3.18 Sơ đồ chân ATmega32

88

Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối theo chuẩn RS232

89

Hình 3.20 Sơ đồ thuật toán đọc tốc độ động cơ

90

Hình 3.21 Sơ đồ đọc giá trị của tín hiệu từ cảm biến

90

Hình 3.22 Sơ đồ tính cảm biến lưu lượng

90

Hình 3.23 Sơ đồ tính cảm biến áp suất

91

Hình 3.24 Sơ đồ tính cảm biến nhiệt độ

91

-8-


Hình 3.25 Sơ đồ thuật toán truyền giá trị

92

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 NOx 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

107

Hình 4.7 Độ rung động của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên
liệu với tỷ lệ LPG 16% ở các giá trị áp suất khác nhau

108

Hình 4.8 Phát thải NOx khi thử nghiệm ở các tỷ lệ LPG khác nhau

109

Hình 4.9 Phát thải CO khi thử nghiệm ở các tỷ lệ LPG khác nhau

110

Hình 4.10 Phát thải độ khói (Smoke) khi thử nghiệm ở các tỷ lệ LPG khác nhau

110

Hình 4.11 Phát thải HC khi thử nghiệm ở các tỷ lệ LPG khác nhau

111

Hình 4.12 Phát thải CO2 khi thử nghiệm ở các tỷ lệ LPG khác nhau

112

Hình 4.13 Diễn biến áp suất xilanh ở tốc độ 2000vg/ph, 100% tải, với các tỷ lệ
LPG khác nhau

113

Hình 4.14 Độ rung động của động cơ ở tốc độ 2000vg/ph, 100% tải, với các tỷ lệ
LPG khác nhau

113

Hình 4.15 Diễn biến áp suất xilanh ở tốc độ 3000vg/ph, 100% tải, với các tỷ lệ
LPG khác nhau

114

Hình 4.16 Độ rung động của động cơ ở tốc độ 3000vg/ph, 100% tải, với ở các tỷ
LPG khác nhau

115

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

-9-


Hình 4.19 Phát thải NOx 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 NOx 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 CO2 tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ

123

Hình 4.28 Mức độ thay đổi các thành phần phát thải ở 100% tải

125

Hình 4.29 Phát thải CO tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ

125

Hình 4.30 Phát thải HC tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ

126

Hình 4.31 Phát thải NOx tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ

126

Hình 4.32 Độ đen tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ

127

Hình 4.33 Phát thải CO2 tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ

127

Hình 4.34 Mức độ thay đổi các thành phần phát thải ở 75% tải

128

Hình 4.35 Tỷ lệ thay thế LPG với 5 loại giclơ

128

Hình 4.36 Hàm lượng phát thải theo chu trình thử ECE R49

130

Hình 4.37 Công suất động cơ tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau

131

Hình 4.38 Mômen động cơ tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau

132

Hình 4.39 Tiêu hao nhiên liệu tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau

132

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 NOx 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
-10-


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

Hình 4.53 Sơ đồ đấu nối dây tín hiệu điều khiển hệ thống cung cấp LPG

141

Hình 4.54 Bộ điều khiển hệ thống cung cấp LPG

142

-11-


MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển mạnh của công nghiệp và sự gia tăng nhanh số lượng các
phương tiện giao thông vận tải (GTVT) và thiết bị động lực trang bị động cơ đốt trong, nhu
cầu sử dụng nhiên liệu càng ngày càng tăng cao, đặc biệt là nhiên liệu hóa thạch truyền
thống xăng và dầu diesel. Trung bình mỗi ngày thế giới tiêu thụ hết khoảng 87 triệu thùng
dầu. Trong đó phần lớn được sử dụng trên các phương tiện GTVT. Nhu cầu sử dụng nhiên
liệu tăng đang gây nguy cơ cạn kiệt nhanh nguồn nhiên liệu truyền thống và làm giá dầu
mỏ tăng lên, ảnh hưởng trực tiếp đến nền kinh tế toàn cầu. Thêm nữa, mức độ tiêu thụ lớn
nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống đang thải ra môi trường một lượng lớn các chất
độc hại làm ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ con người và gây ra hiệu ứng nhà kính. Trong đó,
hàm lượng phát thải của các phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel chiếm một tỷ lệ đáng
kể. Điều này dẫn đến những tác động xấu đến môi trường sinh thái, biến đổi khí hậu, trái
đất nóng lên và hiện tượng băng tan ở hai địa cực.

Việt Nam là nước đang phát triển nên cũng không nằm ngoài quy luật phát triển
chung của thế giới. Tình trạng thiếu nhiên liệu và ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ
cũng đã đến mức báo động. Do đó, vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu và sử dụng các loại
nhiên liệu thay thế có mức độ phát thải độc hại thấp để một mặt giảm ô nhiễm môi trường,
mặt khác có thể bù đắp phần nhiên liệu truyền thống đang bị thiếu hụt. Các loại nhiên liệu
thay thế được ưu tiên sử dụng là các loại nhiên liệu ―sạch‖ (phát thải độc hại thấp), trữ
lượng lớn, giá thành rẻ và có thể sử dụng dễ dàng trên động cơ mà không cần thay đổi
nhiều về kết cấu. Trong các loại nhiên liệu đó, khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) là nhiên liệu có
tiềm năng lớn, đáp ứng được các yêu cầu trên.
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.

-12-

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
thống hiện đang được sử dụng phổ biến trên các xe khách tại Hà Nội.
- Việc nghiên cứu và thực nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm tại Phòng
thí nghiệm động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường đại học Bách khoa Hà Nội và
nghiên cứu trên hiện trường.
iii. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu phương pháp cung cấp lưỡng nhiên liệu LPG/diesel và tạo hỗn hợp cháy
trong động cơ.
- Nghiên cứu đặc điểm quá trình cháy và hình thành phát thải của động cơ LPG/diesel.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến tính năng kinh tế kỹ thuật và phát
thải của động cơ.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng LPG đến góc phun sớm diesel tối ưu của
động cơ.
- Đánh giá sự làm việc ổn định của động cơ chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel khi lắp
lên xe khách.
iv. Phƣơng pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm
- Lý thuyết:



Xây dựng các mô hình lý thuyết mô tả sự tạo hỗn hợp, cháy và hình thành phát
thải của động cơ LPG/diesel.
Sử dụng phần mềm AVL BOOST và ngôn ngữ lập trình FORTRAN để tính toán
các thông số quá trình cháy và hàm lượng phát thải của động cơ; phân tích kết
quả và định hướng cho nghiên cứu thực nghiệm.

- Thực nghiệm:


Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất phun
LPG, tỷ lệ LPG thay thế và góc phun sớm diesel đến đặc tính kinh tế, kỹ thuật và
phát thải của các động cơ thí nghiệm sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel, từ đó
-13-


đề xuất chọn tỷ lệ LPG thay thế và các thông số điều chỉnh thích hợp.
 Ứng dụng giải pháp nghiên cứu trên xe khách và đánh giá sơ bộ khả năng ứng
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 NOx 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

-14-


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU LPG
CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1 Đặc điểm của LPG
LPG là tên viết tắt của khí dầu mỏ hoá lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas). LPG
tồn tại trong thiên nhiên ở các giếng dầu hoặc giếng gas và cũng có thể được sản xuất ở các
nhà máy lọc dầu. Thành phần chính của LPG là hỗn hợp hydrocacbon với thành phần
chính là butan (C4H10) và propan (C3H8) chiếm tới 99%, còn lại là một số thành phần
hydrocacbon khác [1]. Tỷ lệ giữa propan và butan thay đổi giữa các quốc gia cũng như thời
điểm sản xuất. Loại nhiên liệu này được phát triển và thương mại hóa từ những năm năm
mươi của thế kỷ trước.
LPG là loại nhiên liệu có thể dễ dàng được chuyển đổi sang thể lỏng bằng việc tăng
áp suất thích hợp hoặc giảm nhiệt độ để dễ tồn trữ và vận chuyển. LPG có thành phần hóa
học tương đối đơn giản hơn các loại nhiên liệu khác, ít tạp chất, không có hợp chất chứa
lưu huỳnh và chì, đặc biệt sản phẩm cháy không tạo muội, tạo cặn cacbon [1, 2]. Ngoài ra,
LPG còn có nhiệt trị theo khối lượng cao hơn so với các loại nhiên liệu truyền thống như
xăng và dầu diesel nên có điều kiện tăng tính kinh tế khi sử dụng [2].
1.1.1 Tính chất lý hóa của LPG

LPG biến đổi từ thể lỏng thành thể hơi theo tỷ lệ thể tích 1 lít LPG thể lỏng hoá
thành khoảng 250 lít ở thể hơi ở nhiệt độ lớn hơn 0oC trong môi trường áp suất bằng áp
suất khí quyển. LPG bay hơi rất nhanh, dễ dàng khuyếch tán, hòa trộn với không khí thành
hỗn hợp cháy nổ.
LPG nhẹ hơn nước, tỷ trọng của butan bằng 0,55 - 0,58 lần và propan từ 0,5 - 0,53
lần tỷ trọng của nước. Ở thể hơi trong môi trường áp suất bằng áp suất khí quyển, 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 1900oC÷1950oC, 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:

-15-


Hình 1.1 Cấu trúc hóa học của các thành phần trong nhiên liệu LPG
Bảng 1.1 Tính chất của các thành phần trong LPG [1]

Thông số đặc trƣng

Propan

n-butan

Công thức hóa học

C3H8

C4H10

C4H10

Nhiệt độ sôi (oC )

-42,1oC

+1,0

-0,5

111

102

94

Hệ số tỷ lượng A/F(kg/kg)

15,71

15,49

15,49

Nhiệt độ tự bắt cháy (oC )

481

544

441

46,34

45,55

45,70

3

9

13

Trị số octan nghiên cứu( RON)

Nhiệt trị thấp (MJ/kg)
Chỉ số Cetane

iso-butan

Phương trình cháy:
C3H8+5O2→3CO2+4H2O+Q
2C4H10+13O2 → 8 CO2+10 H2O+ Q
Sự cháy của LPG diễn ra thuận lợi nhất trong hỗn hợp đồng nhất của LPG với không
khí; tốc độ cháy và lan tràn màng lửa đạt cao nhất ở tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu – không khí
hơi đậm một chút với hệ số dư lượng không khí =0,95-1 [3, 4]. Đặc điểm diễn biến quá
trình cháy và các nhân tố ảnh hưởng cũng tương tự như đối với nhiên liệu xăng [4].
1.1.2 Ƣu điểm của LPG so với các loại nhiên liệu truyền thống
Nếu có đủ ôxy, quá trình cháy của LPG dễ diễn ra một cách triệt để. Điều này đã làm
cho LPG có các đặc tính của một nhiên liệu cháy sạch. Sản phẩm cháy chỉ có CO2 và hơi
nước, không có hợp chất chứa lưu huỳnh và chì, hàm lượng các khí NOx thấp, ít gây ô
nhiễm môi trường. Ngoài ra, LPG có trị số octan nghiên cứu cao hơn so với xăng không
chì từ 5-12 đơn vị, và có nhiệt trị khối lượng lớn hơn so với xăng và dầu diesel và lớn hơn
nhiều so với methanol và ethanol. Vì vậy, LPG rất có lợi thế khi muốn tăng hiệu suất nhiệt
và tăng công suất động cơ [5].
Trong sử dụng, LPG không làm ăn mòn các thiết bị liên quan, lại rất thông dụng và
đa năng khi vận chuyển vì cả propan và butan đều dễ hóa lỏng và có thể chứa được trong
-16-


các bình áp lực, thuận tiện khi cung cấp đến người tiêu dùng.
Vì có tốc độ bay hơi nhanh, LPG dễ dàng khuyếch tán và hòa trộn với không khí tạo
thành hỗn hợp nên LPG là loại nhiên liệu thay thế tốt cho xăng trong các động cơ đánh lửa
cưỡng bức [4, 5].
Với những ưu điểm như trên, LPG có thể làm nhiên liệu thay thế cho các loại nhiên
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
-17-


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.
1.1.3.2 Tình hình sản xuất 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.
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 sẽ được 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 đã khởi công xây dựng nhà máy lọc dầu Dung
Quất và cho tới nay đã dần 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 hòa tan trung bình là 180m3/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
180m3 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.

-18-


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
nhưng trong thời gian tới tỷ lệ này sẽ tăng với tốc độ nhanh chóng do các chính sách hỗ trợ
hiện tại của Chính phủ nhằm giảm mức độ ô nhiễm môi trường. Trong năm 1999, có
khoảng 175.000 xe sử dụng xăng dầu đã được lắp bộ phận chuyển đổi để sử dụng LPG.
Nhằm thúc đẩy sự chuyển đổi này, hiện nay chính phủ Italia đang áp dụng các biện pháp
khuyến khích như: thanh toán từ quỹ của chính phủ cho việc chuyển đổi, giảm lệ phí giao
thông, hạn chế việc lưu hành các xe chạy bằng xăng dầu tại một số khu vực có mật độ ô
nhiễm cao.
- Anh: Thị trường Autogas tại nước Anh được đánh giá là một trong những thị
trường tiềm năng nhất với mức tăng trưởng đạt tới 500%. Năm 1999, tại Anh mới chỉ có
3500 xe thì đến tháng 05/2000 con số này đã lên tới 20.000 xe và đến cuối năm 2000 theo
ước tính đạt 30.000 xe, tới năm 2007 con số này đã lên tới là 150.000 xe. Để đạt được tốc
độ này, chính phủ Anh đã có các tác động đáng kể thông qua các chính sách như: hình
thành quĩ hỗ trợ chuyển đổi từ xe chạy xăng, dầu sang chạy LPG, giảm thuế đối với LPG
dùng cho ô tô, mở rộng hệ thống các trạm bơm LPG cho xe ô tô.
- Thổ Nhĩ Kỳ: Năm 1999, có 500.000 xe taxi chạy bằng LPG (chiếm 92% trong tổng

số). Con số này năm 2000 là 800.000 chiếc, tăng 60%. Tuy nhiên, do chuyển đổi xảy ra
khá tuỳ tiện mà Chính phủ không thể kiểm soát được nên họ đang áp dụng các biện pháp
chặt chẽ hơn đối với các xe chạy bằng LPG nhằm đảm bảo sự an toàn đối với thị trường
Autogas đang phát triển ở nước này.
- Ba Lan: Hiện đang có 470.000 xe chạy LPG với hệ thống 1900 trạm nạp chính
thức. Chi phí LPG sử dụng cho phương tiện vận tải thấp hơn so với các loại nhiên liệu
khác là lý do cơ bản thúc đẩy sự phát triển của Autogas tại nước này phát triển. LPG sử
dụng cho Autogas năm 1999 là 395.000 tấn, tăng 32% so với năm 1998. Do được sự hỗ trợ
về thuế, giá LPG dùng cho Autogas chỉ bằng 35% so với nhiên liệu khác (đây là một trong
những quốc gia có mức chênh lệch thuế đối với Autogas và nhiên liệu khác lớn nhất).
- Trung Quốc: Do sự phát triển mạnh về kinh tế trong thời gian gần đây nên vấn đề
giao thông và ô nhiễm môi trường đang trở thành vấn đề nóng cần được giải quyết, đặc
biệt là tại các thành phố lớn. Kể từ năm 2000, Chính phủ dự kiến miễn thuế nhiên liệu 05
năm đối với xe chạy LPG. Tại thời điểm đó ở Thượng Hải có khoảng hơn 20.000 xe trong
tổng cộng hơn 61.000 xe taxi chạy bằng LPG. Theo LPG World, số 17 ngày 7/9/2000, mỗi
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
-19-


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
hợp. Các nghiên cứu đã 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 [8]. Mặt khác, phát thải các thành phần độc hại
của của động cơ chạy nhiên liệu LPG thấp hơn nhiều so với chạy xăng [2] nên LPG được
coi là nhiên liệu sạch và do vậy có xu hướng được sử dụng ngày càng rộng rãi để làm
nhiên liệu thay thế trong 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 sử dụng sẽ cao. Tuy nhiên,
các động cơ LPG mới sẽ được thiết kế tối ưu để chạy nhiên liệu LPG nên sẽ có tính kinh tế
và tính hiệu quả cao hơn động cơ chuyển đổi. Qua nghiên cứu đặc tính làm việc của cùng

-20-


một động cơ đốt cháy cưỡng bức khi chạy nhiên liệu xăng và khi chạy nhiên liệu LPG [9]
và nghiên cứu đặc tính làm việc của động cơ LPG khi thay đổi tỷ số nén của động cơ [5],
các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng động cơ chạy LPG nên được thiết kế tăng tỷ số nén của
động cơ và thay đổi góc đánh lửa sớm tối ưu theo hướng giảm một chút so với động cơ
chạy xăng để tăng hiệu suất, công suất và giảm suất tiêu hao nhiên liệu. Tuy nhiên, khi đó
động cơ sẽ nóng hơn nên cần thiết kế tăng hiệu quả làm mát và chọn vật liệu chịu nhiệt tốt
hơn cho các chi tiết như piston, xupáp thải và xilanh so với khi thiết kế động cơ xăng.
Việc nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng và động cơ diesel hiện hành sang chạy
nhiên liệu LPG có ý nghĩa thực tế hơn vì số lượng động cơ đốt trong hiện hành sử dụng
nhiên liệu truyền thống đang rất lớn trong khi nguồn nhiên liệu 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 rẻ
hơn so với chế tạo mới rất nhiều nên dễ dàng đáp ứng được khả năng chi trả của nhiều đối
tượng sử dụng.
Việc chuyển đổi động cơ xăng (thường là động cơ xăng tạo hỗn hợp bên ngoài như
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].
-21-


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 hòa 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 vẫn được 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. Hình
1.3 trình bày sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống cung cấp LPG kiểu này cùng với sơ đồ
bộ hòa trộn có họng khuyếch tán kiểu ống venturi. Áp suất hơi LPG sau bộ giảm áp và hóa
hơi dẫn vào bộ hòa trộn được duy trì ở giá trị ổn định bằng áp suất môi trường nên việc
cung cấp nhiên liệu khí vào họng venturi hoàn toàn phụ thuộc vào kết cấu họng và lưu
lượng không khí nạp đi qua họng (phụ thuộc chế độ làm việc của động cơ) tương tự như
nguyên lý tạo hỗn hợp trong bộ chế hòa khí của động cơ xăng.

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống cung cấp LPG dùng ống venturi với lỗ khoan xung quanh họng

Bộ hòa trộn trên hình 1.3 có chất lượng tạo hỗn hợp tốt, độ đồng nhất của hỗn hợp
cao và đường dẫn nhiên liệu vào họng không làm cản trở dòng không khí nạp nên được sử
dụng rộng rãi nhất. Một số kết cấu khác của bộ hòa trộn như giới thiệu trên các hình từ
hình 1.4 đến 1.6. Các bộ hòa trộn này có thể đơn giản về kết cấu, tuy nhiên có một số
nhược điểm. Ví dụ, bộ hòa trộn trên hình 1.4 và 1.6 có đường dẫn nhiên liệu nằm trong
dòng khí nạp nên làm tăng tổn thất dòng khí nạp; bộ hòa trộn hình 1.5 có đường cấp nhiên
liệu ở một phía của họng nên chất lượng hòa trộn nhiên liệu với không khí không tốt bằng
họng khuyếch tán cấp nhiên liệu vào đều xung quanh họng.
Các hệ thống cung cấp LPG và tạo hỗn hợp nhờ sử dụng bộ hòa trộn có các ưu điểm
nổi bật là thiết kế, chế tạo, lắp đặt và điều chỉnh dễ dàng, giá thành rẻ nên dễ dàng áp dụng
để chuyển đổi động cơ xăng hiện hành sang chạy LPG; mắt 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 hòa trộn cũng có nhược điểm như của bộ chế hòa 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 xilanh. 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 [15].
-22-


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.

-23-


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; 4Van 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
trí trên một cụm và từ mỗi vòi phun này có một đường dẫn nhiên liệu khí tới cửa nạp của
mỗi xilanh động cơ. Áp suất hơi sau bộ giảm áp và trước vòi phun được duy trì vào khoảng
1-2 kgf/cm2 tùy theo yêu cầu của mỗi hệ thống.
Hệ phống phun LPG vào cửa nạp khắc phục được các nhược điểm của hệ thống cung
cấp LPG dùng bộ hòa trộn mô tả ở trên. Hệ thống không bị tổn thất khí động qua họng
khuyếch tán và lại đảm bảo định lượng chính xác và đều nhiên liệu giữa các xilanh nên
tăng được công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải so với sử dụng bộ chế hòa khí
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 các cộng sự [15] cho thấy khi sử
dụng hệ thống phun LPG vào đường nạp công suất động cơ tăng so với động cơ xăng dùng

chế hòa khí và động cơ LPG dùng bộ trộn lần lượt là 31.07% và 29.86%. Tiêu thụ nhiên
liệu giảm tương ứng 20.65% và 16.35%.
Ở Việt Nam, các tác giả Phạm Quốc Thái, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Minh Trí Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng [21] 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, mô men và hiệu suất của động 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.
-24-