Nghiên cứu thiết kế chuyển đổi xe gắn máy sử dụng đa nhiên liệu báo cáo tổng kết kết quả đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường msđt t ktgt 2010 37
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (10.39 MB, 68 trang )
Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
Trường Đại Học Bách Khoa
PTN Trọng Điểm Động Cơ Đốt Trong
Báo Cáo Tổng Kết Kết Quả Đề Tài NCKH Cấp Trường
Nghiên Cứu Thiết Kế Chuyển Đổi
Xe Gắn Máy Sử Dụng Đa Nhiên Liệu
Mã số đề tài:
T – KTGT – 2010 – 37
Thời gian thực hiện:
10 tháng
Chủ nhiệm đề tài:
TS. Nguyễn Ngọc Dũng
Cán bộ tham gia đề tài:
Ths. Trần Đăng Long
Ks. Phan Thế Anh
Ks. Trương Hồi Linh
Tp.Hồ Chí Minh, tháng 3/2012
Danh sách các cán bộ tham gia thực hiện đề tài
1. Ts. Nguyễn Ngọc Dũng
Bộ mơn Ơ tơ – Máy Động Lực, khoa KTGT.
2. Ths.Trần Đăng Long
Bộ mơn Ơ tơ – Máy Động Lực, khoa KTGT.
3. Ks. Phan Thế Anh
PTN Trọng Điểm Động cơ Đốt Trong, khoa KTGT.
4. Ks. Trương Hoài Linh
PTN Trọng Điểm Động cơ Đốt Trong, khoa KTGT.
TÓM TẮT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Xe gắn máy hiện nay được xem là một trong những phương tiện cá nhân phổ biến
nhất tại Việt Nam.Mục tiêu chính của đề tài này nhằm nghiên cứu phát triển, mở
rộng ứng dụng nhiên liệu khí cho xe gắn máy nhằm giảm sự phụ thuộc vào nguồn
nhiên liệu lỏng truyền thống, giảm ô nhiễm mơi trường. Hệ thống phun nhiên liệu khí
được gắn và hoạt động song song với hệ thống nhiên liệu lỏng truyền thống tạo
thành xe gắn máy sử dụng đa nhiên liệu lỏng – khí. Nhiên liệu khí được thiết kế
phun trên đường ống nạp, lưu lượng phun, thời điểm phun được tính tốn và điều
khiển bằng bộ xử lý trung tâm thơng qua việc tính tốn và phân tích các thơng số
chính như áp suất khí nạp, vị trí bướm ga (tải), tốc độ động cơ, thời điểm phun và
thời gian phun từ bộ xử lý gốc của xe.Kết quả thử nghiệm trên băng thử cho thấy khi
sử dụng nhiên liệu khí nâng cao tính kinh tế động cơ, giúp giảm phát thải các khí
CO, CO2, HC và NOx.Việc thiết kế thành cơng hệ thống phun nhiên liệu khí giúp mở
rộng ứng dụng, nâng cao hiệu suất sử dụng nhiên liệu khí sinh học tại Việt Nam.
Kết quả đề tài đã giúp đào tạo 01 học viên cao học, 04 sinh viên đại học thực hiện
luận văn tốt nghiệp. Sản phẩm xe gắn máy đa nhiên liệu hiện đang được đăng ký sở
hữu trí tuệ. Ngồi ra, 03 bài báo được xuất bản từ kết quả nghiên cứu đề tài đăng
trên các hội nghị khoa học chuyên ngành trong nước và quốc tế.
Nội dung nghiên cứu
Chương 1:
Tổng Quan
1
1.1.
Giới thiệu chung
1
1.2.
Mục tiêu nghiên cứu đề tài
6
Chương 2: Điều Kiện Làm Việc, Yêu Cầu và Chọn Lựa Xe Cơ Sở Để Chuyển Đổi Thành Xe
8
Gắn Máy Sử Dụng Đa Nhiên Liệu
2.1.
Điều kiện làm việc
8
2.2.
Yêu cầu và đặc điểm kỹ thuật
9
2.3.
Phân Tích Lựa Chọn Xe Cơ Sở
10
2.3.1.
Xe tay ga và xe số
10
2.3.2.
Xe sử dụng bộ chế hịa khí và xe sử dụng phun nhiên liệu
11
2.3.3.
Xe gắn máy sử dụng nhiên liệu khí
12
2.3.4.
Chọn lựa xe cơ sở
13
2.4.
Kết luận chương 2
14
Chương 3:
Hệ Thống Nhiên Liệu Xe Gắn Máy Sử Dụng Đa Nhiên Liệu Lỏng – Khí
16
3.1.
Hệ thống nhiên liệu xe cơ sở
16
3.2.
Nguyên lý hoạt động xe gắn máy đa nhiên liệu lỏng – khí
17
3.3.
Cơ chế hoạt động của hệ thống nhiên liệu xe gắn máy đa nhiên liệu.
19
3.4.
Kết luận chương 3
20
Chương 4:
Nhiên Liệu
Thiết Kế, Chế Tạo Hệ Nhiên Liệu Khí và Hệ Thống Điều Khiển Phun Đa
21
4.1.
Các thơng số cơ bản
21
4.2.
Bình nhiên liệu khí và van nạp
21
4.3.
Đồng hồ báo áp suất nhiên liệu
21
4.4.
Van điện từ
22
4.5.
Van giảm áp
23
4.6.
Kim phun nhiên liệu khí
24
4.7.
Đường ống nhiên liệu khí
24
4.8.
Hệ thống điều khiển phun nhiên liệu khí (ECU2)
24
4.8.1.
Phần cứng hộp điều khiển
24
4.8.2.
Phần mềm điều khiển
25
4.9.
Mơ hình xe gắn máy đa nhiên liệu lỏng – khí
27
4.10.
Kết luận chương 4
27
Chương 5: Thử Nghiệm Đánh Giá Đặc Tính Cơng Suất và Khí Thải Xe Gắn Máy Đa Nhiên
28
Liệu
5.1.
Mục đích thử nghiệm
28
5.2.
Thiết bị thử nghiệm
28
5.3.
Quy trình thử nghiệm
5.3.1. Đo khả năng tăng tốc
29
29
5.3.2.
Đo tiêu hao nhiên liệu
29
5.3.3.
Đo mức phát thải khí thải
30
5.4.
Kết quả và thảo luận
5.4.1. Thời gian tăng tốc
30
30
5.4.2.
Lượng nhiên liệu tiêu thụ
31
5.4.3.
Thành phần khí thải
33
5.5.
Kết luận chương 5
Chương 6: Kết Luận và Kiến Nghị
34
35
6.1.
Kết luận
35
6.2.
Kiến nghị
35
Tài liệu tham khảo
37
Phụ Lục
i
Chương 1:
1.1.
Tổng Quan
Giới thiệu chung
Nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch là nguồn năng lượng chính cung cấp cho q
trình phát triển của nhân loại[1]. Trong năm 2006, việc đốt cháy các nguồn năng
lượng có nguồn gốc hóa thạch đóng góp hơn 85% tổng số nguồn năng lượng của
thế giới. Với sự phát triển của các nền kinh tế lớn, đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ,
nhu cầu về năng lượng có nguồn gốc hóa thạch ngày càng tăng cao. Theo dự đoán
của tổ chức năng lượng thế giới, tính từ năm 2006 đến 2030, nhu cầu năng lượng
thế giới sẽ tăng khoảng 44%. Trong đó, nhu cầu từ các nước đang phát triển tăng
73%, các nước phát triển tăng 15% [2]. Mặc dù đóng góp to lớn vào sự phát triển
của nhân loại, việc sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch này hiện đang gây ra các
vấn đề rất lớn về kinh tế, xã hội, tự nhiên, môi trường.
Việc đốt nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch thải ra môi trường một lượng lớn các
chất gây ô nhiễm, đang phá hủy trầm trọng môi trường sống, gây biến đổi khí hậu,
và là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến các thảm họa thiên tai trong
những năm gần đây[3]. Ngồi ra, nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch là các loại
nhiên liệu không tái sinh, việc sử dụng cạn kiệt nguồn nhiên liệu này cũng dẫn đến
các vấn đề rất lớn về kinh tế, chính trị trong việc đảm bảo sự phát triển bền vững
của các quốc gia. Vấn đề đảm bảo an ninh năng lượng cũng như giảm ô nhiễm môi
trường đang là các thách thức hàng đầu cho các quốc gia, các chuyên gia nghiên
cứu trong ngành năng lượng, ngành nhiên liệu, và ngành động cơ.
Rất nhiều các biện pháp, giải pháp đã được đề xuất, triển khai ứng dụng.Trong đó,
có các nghiên cứu và phát triển các loại năng lượng mới, năng lượng tái tạo
(new/renewable energy) thay thế nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch.Trong đó, các
nghiên cứu về việc ứng dụng nhiên liệu mới/ nhiên liệu thay thế như nhiên liệu dầu
sinh học (biodiesel), nhiên liệu cồn (ethanol/methanol, bioethano), nhiên liệu khí sinh
học (biogas), thiên nhiên (NG), khí hóa lỏng (LPG) là một trong những hướng
nghiên cứu nổi bật trong việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới bổ sung và thay thế
từng phần nhiên liệu có xăng và diesel truyền thống trên động cơ đốt trong.
Biodiesel là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel
nhưng được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật.Về phương diện hóa học thì
biodiesel là hỗn hợp methyl ester của những axít béo được tạo ra từ các loại dầu
thực vật (dầu dừa, dầu Jatropha curcas, dầu đậu nành, dầu cọ, dầu cải [4], [5], [6],
các nguồn dầu tái chế trong quá trình chế biến thực phẩm từ các nhà hàng (recycled
cooking oils) [7], [8] hoặc dầu từ mỡ động vật [9]. Dầu biodiesel được oxy hóa và
chứa khoảng 11% oxy [10].
Biodiesel có tiềm năng rất lớn dùng làm nhiên liệu thay thế nhiên liệu diesel truyền
thống sử dụng cho động cơ.Có hai tiêu chuẩn phát triển dầu diesel sinh học chính là
1/36
ASTM-D 6751 ở Hoa Kỳ và EN14214 ở Liên minh Châu Âu.Theo đó, q trình sản
xuất diesel sinh học bắt đầu từ dầu thực vật nguyên chất hoặc các chất béo đã qua
sử dụng. Các cấu trúc phân tử phân nhánh lớn của dầu thực vật được chuyển sang
các cấu trúc phân tử mạch thẳng ngắn hơn gọi là các ester methyl- hoặc ethyl giống
như các thành phần của dầu diesel hố thạch. Q trình biến đổi ester hố này cần
có cồn (thường là methanol hoặc ethanol) để loại bỏ glycerol ra khỏi dầu thực
vật.Hai sản phẩm chính của phản ứng này là glycerol và ester a-xít béo – FAME
(Fatty Acid Methyl Ester, biodiesel), là hai chất có các pha tách biệt với pha ester.
Cả glycerol và lượng methanol còn dư q trình ester hố có thể được thu hồi và sử
dụng lại trong các ngành công nghiệp mỹ phẩm và dược phẩm.
Nhiên liệu biodiesel có tốc độ lão hố cao, nó bắt đầu xuống cấp và tạo thành các
chất lắng đọng có thể làm hư hệ thống phun nhiên liệu.Nhiên liệu biodiesel được
khuyến khích sử dụng trong vịng 6 tháng sau ngày sản xuất và phải đảm bảo hạn
chế tối đa sự tiếp xúc với ánh sáng, khơng khí và nước.Chất lượng dầu diesel sinh
học được coi là một yếu tố quan trọng trong đặc tính lão hố và nó ảnh hưởng đến
hệ thống nhiên liệu của động cơ.Ngồi ra, do tính chất đặc trưng, Biodiesel hoạt
động như một chất hoà tan. Một số các nghiên cứa chỉ ra việc sử dụng pha biodiesel
vào nhiên liệu diesel truyền thống có thể tác động làm hư hợp chất chất nhựa tổng
hợp và cao su tự nhiên trên đường ống nhiên liệu. Sự tiêu chuẩn hoá các yêu cầu
về chất lượng nhiên liệu được coi là một bước quan trọng để phát triển ứng dụng
biodiesel.
Nguồn nguyên liệu cho sản xuất dầu diesel sinh học hiện nay ở các nước đi tiên
phong chủ yếu là bốn loại dầu thực vật: dầu hạt cải chiếm gần 85%, dầu hạt hướng
dương, dầu đậu tương, và dầu cọ[11]. Các nguyên liệu còn lại được sản xuất từ dầu
hạt lanh, mỡ bò, và mỡ rán tái chế. Tuy nhiên, bốn loại dầu thực vật chính sử dụng
để sản xuất dầu diesel sinh học đang được trồng chủ yếu cho nhu cầu thực phẩm
của con người và góp phần dán tiếp đến khủng hoảng lương thực thế giới.
Viện Kỹ Thuật Bandung là một trong những trung tâm đầu tiên ứng dụng dầu cây
Jatropha vào nghiên cứu sản xuất biodiesel với mục tiêu giảm sự phụ thuộc vào các
nguồn nguyên liệu cạnh tranh với thực phẩm con người [12]. Dầu của cây Jatropha
chứa toxalbumine, còn gọi là “curcine” là chất độc, không thể dùng cho thực phẩm.
Sự khảo sát về các đặc tính nhiên liệu của ester-methyl và ester-ethyl từ Jatropha
đã cho nhiều kết quả hứa hẹn và việc áp dụng nhiên liệu biodiesel sản xuất từ dầu
cây Jatropha khá tốt, đáp ứng tốt cho việc ứng dụng trên động cơ diesel truyền
thống [13]. Ngoài ra, các chất béo động vật và dầu cá là sản phẩm phụ từ các ngành
công nghiệp đánh bắt và chế biến thuỷ sản đây là nguyên liệu hứa hẹn cho sản xuất
Biodiesel vì giá của chúng thấp.Các chất béo và dầu có nguồn gốc động vật đã
được thử nghiệm làm nguyên liệu sản xuất alkyl ester, bao gồm mỡ bò, mỡ heo,
dầu cá. Tuy nhiên, dầu diesel sinh học sản xuất từ các chất béo động vật có một số
nhược điểm nhất định là do thành phần a-xít béo và độ bão hồ cao dẫn đến dễ
đơng đặc, làm tăng sự cản trở nhiên liệu khi nhiệt độ xuống thấp và tính ổn định ơ-xy
hóa thấp.
2/36
Ưu điểm của dầu biodiesel là giảm đáng kể khí thải (Cacbon monoxide - CO,
Hidrocacbon - HC, Particulate matter - PM) của động cơ góp phần giảm hiệu ứng
nhà kính [14], [13], có thể sử dụng trực tiếp cho động cơ diesel mà khơng cần phải
cải tạo[15], [16], có độ nhờn cao hơn dầu diesel, tăng tính an tồn trong bảo quản
và vận chuyển (có điểm chớp cháy cao hơn)… Vì những ưu điểm trên, dầu biodiesel
được xem là nguồn nhiên liệu thay thế phù hợp, tối ưu và đáp ứng được yêu cầu
cấp thiết cho sự phát triển ngành năng lượng của nhân loại trong tương lai.
Cồn là chất lỏng khơng màu, có mùi đặc trưng, dễ hút ẩm, tạo hỗn hợp đẳng phí với
nước, nồng độ cồn ở điểm đẳng phí là 89%, cồn trộn với nước có nhiệt độ sôi là
78,150C. Cồn được chia ra làm 2 loại: cồn methanol (CH3OH) và cồn ethanol
(C2H5). Cồn dễ cháy và tạo hỗn hợp nổ với khơng khí.Cồn có thể trộn lẫn với ete và
nhiều dung mơi khác.Ngồi ra, cồn có thể hồ tan nhiều hợp chất hữu cơ và vơ cơ.
Cồn methanol được điều chế từ khí thiên nhiên, dầu thơ, than đá, khí sinh khối hoặc
thậm chí từ các chất thải hữu cơ.Metanol là một hợp chất đơn giản, nó khơng chứa
lưu huỳnh và các hợp chất hữu cơ phức hợp. Sử dụng Metanol sẽ cho chất lượng
không khí tốt hơn xăng ở hai mặt: giảm lượng CO2 và nếu sử dụng metanol tinh
khiết thì chất thải rất ít benzen và các Hydrocacbon thơm mạch vòng.Tuy nhiên một
trong các chất Oxy hóa ban đầu của Metanol tạo thành là Formaldehyde (HCOH),
đây là khí độc và cịn là một tác nhân gây bệnh ung thư.Giống như ethanol,
methanol là nhiên liệu sạch có thể trộn lẫn với xăng.Methanol được sử dụng trong
các xe đua địi hỏi nhiên liệu có chỉ sô octan cao, loại nhiên liệu tốt cho những động
cơ có mức hoạt động cao.
Cồn Etanol hoặc cồn ngũ cốc: được chế tạo từ các sản phẩm nông nghiệp như ngơ,
gạo, đậu tương … hoặc thậm chí từ gỉ đường mía. Etanol giống như Methanol
nhưng nó sạch hơn nhiều, ít chất độc và ít chất ăn mịn. Tuy nhiên giá để sản xuất
nó cao hơn, nó địi hỏi thu hoạch trên các vụ mùa lớn và một lượng năng lượng lớn
để chế tạo nó.
Etanol sinh học có thể phân làm 2 loại: Etanol khan (nồng độ trên 99%) vàetanol
ngậm nước (nồng độ dưới 96%). Etanol ngậm nước được sử dụng ở dạng nguyên
chất cho động cơ đốt trong (thay thế 100% nhiên liệu hóa thạch), trong khi etanol
khan có thể sử dụng trên động cơ dưới dạng hỗn hợp etanol – nhiên liệu hóa thạch
(xăng hay diesel).Khơng giống như xăng dầu, cồn ethanol là nguồn năng lượng có
thể tái sinh được do có nguồn gốc từ thực vật - một nguồn hấp thụ khí CO2 tự
nhiên. Việc sản xuất và sử dụng ethanol thải ra ít khí CO2 vào khí quyển hơn loại
năng lượng lấy từ dầu mỏ.
Ethanol là một trong những nhiên liệu “sạch” (so sánh với dầu hỏa, ít làm ô nhiễm
môi trường hơn) đang được chính phủ nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm đến.
Cồn Etanol có tính chống kích nổ cao hơn (chỉ số Octane từ 105 -115) xăng nên
người ta còn pha trộn cồn trong xăng để chạy xe có tỷ số nén cao. Động cơ xăng khi
sử dụng hỗn hợp xăng - cồn với hàm lượng nhỏ hơn 20% (VN qui định dưới 10%),
thì khơng cần thiết cải tạo lại động cơ cũ. Một kết quả nghiên cứu cho thấy cồn có
3/36
thể sử dụng làm nhiên liệu trong động cơ đa nhiên liệu, trong đó cồn là thành phần
chủ yếu kết hợp với phun 10% nhiên liệu Diesel
Theo đề án phát triển nguyên liệu ethanol sinh học, đến năm 2015, Việt Nam cần
750 triệu lít ethanol, (E10- tỷ lệ 10% ethanol có trong xăng) tương đương 4,2 triệu
tấn sắn (khoai mì) tươi, để đáp ứng nhu cầu hoạt động sản xuất và vận tải của cả
nước. Hiện tai, cả nước có 6 nhà máy sản xuất ethanol từ khoai mì được cấp giấy
phép và hoạt động vào năm 2010 với tổng cơng suất 650 triệu lít ethanol/năm. Tuy
nhiên, 6 nhà máy này đang đứng trước nguy cơ thiếu nguyên liệu.
Hiện nay, một số nước trong khu vực đã sử dụng cồn nhiên liệu để pha vào xăng,
nhiều nhất là Trung Quốc, Thái Lan,Nhật Bản,...Nhiên liệu cồn thường được pha với
tỉ lệ 3-10% do tỷ lệ này không làm thay đổi chất lượng xăng và không phải thay đổi
cấu tạo của động cơ. Ở Mỹ, Braxil …hiện nay một loại động cơ mới đang được triển
khai trên loại xe FFV- (Flexible Fuel Vehicle), có thể dùng hỗn hợp E85, tuy nhiên
khi đó động cơ phải có yêu cầu cao hơn về vật liệu chế tạo. Tại Việt Nam, PGS.TS.
Trần Thanh Hải Tùng (Đại học Đà Nẵng) cũng cho biết, việc pha cồn vào xăng như
là chất phụ gia hiện nay ở mức khoảng từ 5 đến 10%, còn trong trường hợp như là
một nhiên liệu chính tỷ lệ cồn có thể đạt đến 85% (hỗn hợp E85), bởi nếu pha theo
tỷ lệ trung bình (40 – 50%) thì sẽ có hiện tượng phân tầng, xăng và cồn tách thành
hai lớp riêng biệt trong qua trình bảo quản hỗn hợp
Nhiên liệu khí cũng là một trong các loại nhiên liệu tiềm năng sử dụng trên động cơ
đốt trong.Các loại nhiên liệu khí phổ biến ứng dụng trên động cơ đốt trong hiện nay
bao gồm khí thiên nhiên (NG), khí hóa lỏng (LPG) và khí sinh học (biogas).
Thành phần chính của NG là mê-tan (CH4), chiếm hơn 80%. Ngồi ra, trong thành
phần khí thiên nghiên cịn có các hydrocacbon khác cao hơn (Etan, Propan...), một
phần rất nhỏ các khí như H2, N2, CO2, H2S, He, hơi nước...,các khí này được xem
như là các tạp chất làm giảm giá trị của NG khi làm nhiên liệu hay làm các ngun
liệu thơ cho hóa dầu.
Khí thiên nhiên là khí khơng màu, có mùi nhẹ giống như xăng.Vì khơng mùi nên
người ta thêm tác nhân mùi (Etyl Mercaptan, Butyl Mercaptan, Amyl Mercaptan
(Pentolarm) và Calodoran (hỗn hợp Hydrocarbon và hợp chất hữu cơ của lưu huỳnh
chủ yếu là Sulfid va Disulfide).Khí thiên nhiên khơng độc, nhưng sự rị rỉ trong khơng
gian kín sẽ nguy hiểmdo sự thay thếchỗ oxi và tạo hỗn hợp khí thiên nhiên và khơng
khí.
Khí thiên nhiên được chia làm hai loại tùy theo cách lưu trữ và vận chuyển của
chúng: khí thiên nhiên dạng nén (CNG) và khí thiên nhiên dạng lỏng (LNG).
CNG (Compressed Natural Gas) là khí thiên nhiên nén lại ở dạng khí thành phần
chủ yếu là methane (CH4) lấy từ các mỏ khí thiên nhiên, được sử lý và nén ở áp
suất cao (165bar- 248bar) để tồn trữ và vận chuyển.CNG được sử dụng làm nhiên
liệu cho các nhà máy tiêu thụ nhưng khơng có khả năng tiếp can đường ống dẩn
khí, và là nhiên liệu sạch cho các phương tiện giao thông vận tải thay thế xăng dầu.
4/36
CNG là nhiên liệu thân thiện với môi trường, không giải phóng nhiều khí độc như
NO, CO, SO2, khi cháy khơng phát sinh bụi do khí cháy hồn tồn, khơng gây đóng
cặn tại thiết bị đốt và tại bộ chế hịa khí của các phương tiện nên giúp nâng cao hiệu
suất, kéo dài chu kỳ bảo dưỡng và kéo dài tuổi thọ của thiết bị. Các động cơ sử
dụng CNGcó thể làm giảm đến 93% lượng CO2 và 33% lượng NO và đến 50%
lượng hydrocarbon thải ra. Giá thành CNG rẽ hơn xăng từ 10% đến 30% và có tính
chất ổn định trong thời gian dài so với giácác sản phẩm dầu mỏ thay đổi thất
thường.Do đặc tính của CNG nên việc cung cấp CNG chỉ triển khai ở phạm vi có
bán kính 200km kể từ nguồn cung cấp. việc cung cấp CNG cho các hộ công nghiệp
xa tuyến ống địi hỏi phải cung ứng liên tục dảm bảo khơng bị gián đoạn trong quá
trình sản xuất.
LNG (Liquefied Natural Gas) là khí thiên nhiên hóa lỏng ở nhiệt độ-160oC sau khi
sau khi loại bỏ các tạp chất.thành phần chủ yếu của khí LNG là mê-tan.LNG phải
chứa trong các bình được cách nhiệt tốt.Cùng một năng lượng như nhau, khí thiên
nhiên hóa lỏng LNG có thể tích và khối lượng bình chứa nhỏ hơn khí CNG, khi nó ở
dạng khí CNG (thường tỷ lệ 1:3 đối với thể tích và 1:3,7 đối với khối lượng).Tuy
nhiên, việc sử dụng khí thiên nhiên ở trạng thái lỏng LNG cần có kỹ thuật làm lạnh
phức tạp, bình chứa phải được cách nhiệt an tồn.Do vậy hiện nay trên thế giới
người ta thường sử dụng CNG để chạy ô tô. Tuy nhiên ở một số nước như Mỹ, Úc...
người ta đang tiếp tục nghiên cứu sử dụng LNG để sử dụng trên các động cơ có
cơng suất lớn như: Xe tải, tàu lửa, tàu biển...
LNGchỉ chiếm khoảng 1/600 thể thích khí thiên nhiên thơng thường, nhờ vậy nó có
thể vận chuyển được bằng các phương tiện giao thơng như tàu, xe bồn,...Khí thiên
nhiên LNG được vận chuyển đến những khoản cách rất xa hoặc những nơi có địa
hình phức tạp khơng phù hợp cho việc xây dựng đường ống dẩn khí. Sau khi được
vận chuyển đến nơi tiêu thụ, LNG được chuyển trở lại trạng thái khí nhờ thiết bị tái
hóa khí.LNG được sử dụng làm nhiên liệu cho các nhà máy khơng có khả năng tiếp
cận đường ống dẩn khí và là nhiên liệu cho các phương tiện giao thông vận tải, đặc
biệt là các phương tiện giao thơng vận tải nặng.
Khí sinh học (biogas) là hỗn hợp khí mê-tan (CH4) (50-60%)và một số khí khác phát
sinh từ sự phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí. Nếu thành phần khí
mê-tan này khơng được sử dụng, nó có thể tạo ra hiệu ứng nhà kính gấp 21 lần hơn
khí carbonic (CO2). Các loại chất thải có thể làm nguồn cung cấp cho quá trình sản
xuất biogas như chất thải của con người, chất thải của động vật, gia súc, gia cầm và
các chất thải sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp.
Khu vực các tỉnh miền Đơng Nam Bộ như Đồng Nai, Bình Dương những năm gần
đây trở thành những địa phương điểm trong cả nước trong việc sản xuất chăn nuôi
gia súc, gia cầm. Hiện tại, Đồng Nai là tỉnh có số lượng đàn heo lớn nhất nước, tập
trung chủ yếu ở các khu vực như Thống Nhất, Xuân Lộc, Bắc Sơn...Tại các khu vực
chăn nuôi tập trung này, phong trào xây dựng các hầm sản xuất biogas qui mơ gia
đình và trang trại đã và đang được phát triển nhanh chóng. Các hầm biogas không
những giúp giảm ô nhiễm môi trường, nâng cao chất lượng môi trường sống tại địa
5/36
phương mà cịn giúp người nơng dân giảm chi phí do sử dụng năng lượng nhiệt từ
nguồn khí sinh học nay. Tuy nhiên, việc triển khai sử dụng biogas vẫn cịn rất hạn
chế và khơng tận dụng hết tiềm năng của nó.
Nguồn khí sinh học được sản sinh từ các hầm ủ hiện nay chủ yếu được dùng để đốt
trực tiếp thay thế cho chất đốt truyền thống (than, củi).Việc triển khai sử dụng biogas
cho động cơ nhỏ phục vụ các công việc như phát điện, bơm nước, xay xát...đang
được triển khai rộng rãi.Tuy nhiên, hiệu suất sử dụng biogas cho động cơ còn rất
thấp.Trong những trang trại vừa và lớn, trữ lượng biogas sinh ra rất lớn và phần
biogas không sử dụng hết được người dân thải lại ra môi trường.Phần năng lượng
thải ra này không những gây lãng phí mà cịn góp phần làm tăng hiệu ứng nhà kính.
Năm 2009, chương trình JICA-SUPREM tại Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh đã
hỗ trợ nhóm nghiên cứu Phạm Xn Mai và đồng nghiệp thực hiện việc nghiên cứu
sử dụng biogas trên động cơ phát điện cỡ lớn. Nguyễn Ngọc Dũng và Huỳnh Thanh
Công hiện đang tiếp tục thực hiện giai đoạn hai của dự án với việc tinh lọc, nén và
sử dụng biogas cho nhiều mục đích khác nhau. Trong đó, việc triển khai ứng dụng
biogas trên xe gắn máy là một trong những hướng nghiên cứu chính của đề tài.
Việt Nam là một quốc gia điển hình ở khu vực và trên thế giới về sử dụng xe mô tô,
xe gắn máy khi chiếm tới 95% tổng số xe cơ giới. Đây là loại phương tiện đi lại được
nhiều người dân lựa chọn bởi dễ sử dụng, khả năng cơ động và giá thành hợp lý.
Năm 2010, tổng lượng xe gắn máy tại thành phố Hồ Chí Minh khoảng 4,5 triệu
chiếc. Nhu cầu sử dụng xe gắn máy hiện vẫn tăng cao, thành phố có khoảng
300000 - 350000 xe gắn máy đăng ký mới mỗi năm, với mức tăng khoảng
10%/năm. Việc sử dụng xe gắn máy đóng góp rất lớn vào trong sự phát triển của
đất nước. Tuy nhiên, sử dụng xe này hiện đang là các vấn đề quan tâm hàng đầu do
xe gắn máy là một trong những tác nhân chính gây kẹt xe và gây ô nhiễm môi
trường trong các thành phố lớn. Việc tìm kiếm, ứng dụng những nguồn nhiên liệu
mới thay thế nguồn ngun liệu có nguồn gốc hố thạch đang sử dụng cho xe gắn
máy hiện nay đang là các vấn đề quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học tại các
trường đại học, viện nghiên cứu cũng như các nhà hoạch định chính sách tại Việt
Nam.
1.2.
Mục tiêu nghiên cứu đề tài
Theo các phân tích ở trên, việc giảm phát thải do sử dụng xe gắn máy là các vấn đề
cấp thiết hiện nay nhằm đóng góp cho việc đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia,
đảm bảo cho sự phát triển bền vững và cải thiện môi trường sống. Để đáp ứng mục
tiêu này, việc cải tiến nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ xe gắn máy ngày
càng được quan tâm khi các xe mới liên tục giới thiệu trên thị trường được trang bị
hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử. Ngoài việc cải tiến nâng cao hiệu suất
cơ khí, việc ứng dụng các loại nhiên liệu mới, nhiên liệu thay thế trên xe gắn máy
cũng là một trong những giải pháp quan trọng nhằm giảm ô nhiễm xe gắn máy. Tuy
nhiên, việc ứng dụng các loại nhiên liệu mới, nhiên liệu thay thế trên động cơ xe gắn
máy còn rất hạn chế.
6/36
Do đó, mục tiêu chính (tổng qt) của đề tài này là thiết kế chuyển đổi xe gắn máy
truyền thống thành xe gắn máy sử dụng đa nhiên liệu lỏng – khí. Xe gắn máy
được chuyển đổi để có thể sử dụng một cách linh hoạt với các loại nhiên liệu lỏng –
khí như xăng, xăng pha cồn (E5), khí hóa lỏng/khí sinh học/khí thiên nhiên dạng
nén.
Việc chuyển đổi xe gắn máy sử dụng nhiên liệu lỏng truyền thống thành xe gắn máy
sử dụng đa nhiên liệu lỏng – khí tập trung vào các mục tiêu cụ thể sau:
-
Phân tích chọn lựa xe cơ sở và đưa ra thiết kế bố trí chung.
-
Thiết kế kỹ thuật hệ thống nhiên liệu lỏng – khí.
-
Thiết kế chế tạo mơ hình.
-
Thực nghiệm so sánh và đánh giá các đường đặc tính động cơ khí sử
dụng đa nhiên liệu.
7/36
Chương 2: Điều Kiện Làm Việc, Yêu Cầu và Chọn Lựa Xe
Cơ Sở Để Chuyển Đổi Thành Xe Gắn Máy Sử
Dụng Đa Nhiên Liệu
Trong q trình thiết kế ơtơ nói chung và xe gắn máy nói riêng, việc xác định các
điều kiện làm việc và các yêu cầu đặc trưng là nội dung quan trọng, ảnh hưởng đến
tất cả các vấn đề thiết kế sau này. Điều kiện làm việc và yêu cầu thiết kế là cơ sở để
lựa chọn các phương án bố trí các cụm chi tiết của hệ thống đa nhiên liệu
Nội dung chương sẽ bao gồm 2 phần chính:
-
Phần 1: Nêu lên các điều kiện làm việc và yêu cầu thiết kế xe gắn máy sử
dụng đa nhiên liệu.
-
Phần 2: Nêu lên các phương án bố trí chung và lựa chọn phương án phù
hợp nhất đối với xe gắn máy sử dụng đa nhiên liệu lỏng – khí dựa trên
các điều kiện làm việc và yêu cầu đã nêu ở phần 1 của chương.
Kết quả của chương này là bảng thơng số bố trí chung xe cơ sở và sơ đồ bố trí
chung của hệ thống nhiên liệu khí trên xe.
2.1.
Điều kiện làm việc
Trong năm 2011, Việt Nam có khoảng 33,4 triệu xe gắn máy chiếm khoảng 95%
trong tổng số phương tiện giao thông. Theo dự báo cho những năm kế tiếp về tình
hình sử dụng phương tiện giao thơng thì xe gắn máy vẫn là lựa chọn ưu tiên của
người dân.
Điều kiện làm việc của xe gắn máy sử dụng đa nhiên liệu lỏng – khí phải thỏa mãn
các điều kiện làm việc của xe gắn máy thường, kết hợp với một số điều kiện làm
việc đặc biệt khí kết hợp sử dụng với nhiên liệu khí. Các điều kiện làm việc cụ thể
như sau:
-
Loại xe: xe gắn máy
-
Tải trọng: 2 người (kể cả người lái).
o Khối lượng 1 người: 80 kg/người
o Hàng hóa: 5 kg/người
o Tổng tải trọng: 2 x (5+80) = 170 kg
-
Tầm hoạt động:
o Vận tốc cực đại: 80 km/h
o Quãng đường di chuyển: 150 – 180 km
-
Điều kiện đường:
o Hệ số cản lăn: f = 0.02
8/36
o Độ dốc cực đại: i=20%
-
Vận hành thường xuyên ở tốc độ thấp.
-
Hệ thống bình nhiên liệu khí khơng được làm thay đổi kết cấu bên ngồi, hình
dáng của xe. Dễ nạp, bảo trì nhiên liệu.
-
Bình nhiên liệu khí phải đảm bảo độ an toàn về chống cháy nổ.
2.2.
-
Yêu cầu và đặc điểm kỹ thuật
Các yêu cầu chính:
o Yêu cầu về tầm hoạt động:
Vận tốc cực đại 80 km/h.
Có khả năng đáp ứng tốt ở mọi chế độ tốc độ và tải.
Có khả năng tăng tốc tốt.
Có khả năng vượt được độ dốc tối đa 20% khi đầy tải.
Có thể hoạt động liên tục trong nhiều giờ.
Tầm hoạt động khoảng 250-300 km, khi nạp đầy nhiên liệu.
o Yêu cầu hệ thống nhiên liệu khí:
Điều khiển chuyển chế độ sử dụng nhiên liệu dễ dàng.
Kết cấu đơn giản, dễ tháo lắp, dễ bảo trì, bảo dưỡng.
Bố trí gọn gàng, thẩm mỹ.
Đảm bảo an toàn khi vận hành.
Chế độ nạp nhiên liệu đơn giản
Giá thành chuyển đổi không quá đắt.
o Yêu cầu hình dáng khí động học và tiện nghi:
-
Khơng được thay đổi kết cấu, hình dáng bên ngồi của xe.
Đảm bảo khả năng vận hành êm ái của xe.
Các yêu cầu chung:
o Có kich thước phù hợp các tiêu chuẩn hiện hành.
o Có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, phù hợp với trình độ cơng nghệ của
Việt Nam hiện nay.
9/36
o Giá thành chế tạo thấp để có thể đưa vào sử dụng rộng rãi.
2.3.
Phân Tích Lựa Chọn Xe Cơ Sở
Việc lựa chọn xe cơ sở đảm bảo sao cho xe dễ dàng được cải tạo, không thay đổi
nhiều về kết cấu, hình dáng bên ngồi của xe so với xe cơ sở. Xe được chuyển đổi
phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của xe hiện có, dễ dàng trong việc lắp đặt thêm
bộ chuyển đổi nhiên liệu khí, thùng nhiên liệu khí và đảm bảo xe có thể hoạt động
linh hoạt giữa các loại nhiên liệu. Việc phân tích, đánh giá chọn lựa xe cơ sở cho
nghiên cứu được thực hiện theo một số các đánh giá sau:
2.3.1. Xe tay ga và xe số
Việc phân loại xe gắn máy trên thị trường có thể phân theo kiểu kết cấu của hệ
thống truyền động. Xe số là các xe có kết cấu hộp số thường (manual
transmission), việc chuyển đổi số do tác động của người điều khiển. Trong khi đó,
xe tay ga là xe được trang bị hệ thống truyền động vơ cấp, việc chuyển số được
Hình 1: Kết cấu chung giữa xe tay ga và xe số. Xe tay ga có kết cấu thùng chứa
đồ rộng, dễ dàng bố trí thùng nhiên liệu khí bên trong mà khơng làm thay đổi hình
dang bên ngồi cũng như kết cấu chung của xe, đảm bảo xe dễ dàng vận hành
10/36
thực hiện một cách tự động theo chế độ tốc độ và tải.
Hình 1 trình bày kết cấu tiêu biểu giữa xe gắn máy tay ga và xe số. Xe số có ưu
điểm là kết cấu đơn giản, dễ dàng gắn thêm hệ thống nhiên liệu khí. Tuy nhiên, việc
đặt bình nhiên liệu khí trên xe (chủ yếu nằm ở phần đi xe) sẽ làm giảm tính cơ
động của xe, gây mất thẩm mỹ của xe trong quá trình vận hành. Ngồi ra, việc bố trí
bình nhiên liệu phía đi xe có thể dẫn đến nguy hiểm trong q trình vận hành nếu
xe bị đổ hoặc gặp tai nạn. Phương án này đã được giáo sư Bùi Văn Ga ứng dụng,
tuy nhiên do các phân tích ở trên, việc ứng dụng trên xe này chỉ mang ý nghĩa mơ
hình trình bày.
Xe tay ga thơng thường có ưu điểm là kết cấu vỏ, thân xe lớn và có khoang chứa đồ
rộng. Khoang chứa đồ trong các xe tay ga có thể sẽ thích hợp cho việc bố trí bình
nhiên liệu khí bên trong thùng. Việc bố trí này có ưu điểm rất lớn do khơng thay đổi
nhiều về kết cấu, tính thẩm mỹ của xe. Nếu thùng nhiên liệu khí được bố trí trong
thùng đựng đồ, các yêu cầu về an tàn sẽ tốt hơn nếu xe bị tai nạn hoặc đổ trong q
trình sử dụng. Tuy nhiên, việc bố trí này sẽ dẫn đến việc khó lắp đặt các chi tiết khác
của hệ thống nhiên liệu trên xe. Ngoài ra, việc lắp đặt bình nhiên liệu trong xe sẽ
chiếm mất không gian để đồ trong xe, làm mất một phần tiện dụng cho chủ sở hữu.
2.3.2. Xe sử dụng bộ chế hịa khí và xe sử dụng phun nhiên liệu
Xe sử dụng hệ thống phun xăng điện tử với ưu điểm tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm
môi trường đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trên thị trường. Các hãng xe gắn máy tại
Việt Nam hầu hết đều có các phiên bản xe gắn máy sử dụng hệ thống phun xăng điện tử. Đi
đầu phải kế đến hãng Honda với các kiểu xe như Future FI, Airblade, Lead, SH 150i.
Yamaha, Suzuki, SYM, Piago cũng đều có các kiểu xe sử dụng hệ thống phun xăng điện tử.
Hình 2 trình bày một số kiểu loại xe phun xăng trên thị trường Việt Nam. Nhìn chung, các xe
được trang bị hệ thống phun xăng điện tử là các xe tay ga, khoang đựng đồ lớn và thông
thường được làm mát bằng nước. Trên các xe này,hệ thống điều khiển trung tâm (ECU)
điều khiển lượng phun nhiên liệu, điều khiển thời điểm đánh lửa dựa trên các tín hiệu từ các
cảm biến về tốc độ, nhiệt độ dầu bôi trơn, tải trọng động cơ (độ mở bướm ga) để đưa ra các
tín hiệu điều khiển tương ứng. Lượng tiêu hao nhiên liệu và khí thải động cơ giảm rất nhiều
do ứng dụng hệ thống điều khiển điện tử này.
11/36
A) Sơ đồ hệ thống phun xăng điện tử
b) Sơ đồ ngun lý bộ chế hồ khí
Hình 3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng điện tử xe gắn máy (Honda
Airblade) và sơ đồ nguyên lý bộ chế hoà khí xe Honda Dream.
Như đã phân tích trong phần trên, xe số có kết cấu đơn giản. Hệ thống nhiên liệu trên các
xe số thông thường sử dụng bộ chế hồ khí kiểu cơ khí. Kết cấu này có ưu điểm là rẻ tiền,
đơn giản trong bảo trì sửa chữa nhưng nhược điểm rất lớn là mức tiêu hao nhiên liệu lớn và
mức độ các chất phát thải cao. Mặc dù được cải tiến nhiều, hiệu suất các xe gắn máy sử
dụng bộ chế hồ khí hiện nay vẫn khơng tăng nhiều so với các xe gắn máy sản xuất trong
những năm đầu thập niên 90.Hình 3 trình bày sơ đồ tổng quát hệ thống phun xăng và bộ
chế hoà khí sử dụng trên xe gắn máy.
2.3.3. Xe gắn máy sử dụng nhiên liệu khí
Hình 2: Một số mẫu xe tay ga thông dụng trên thị trường hiện nay. Các xe này có
đặc điểm chung là thùng chứa đồ lớn, có thể chứa đên 2 nón bảo hiểm và nhiều
vật dụng khác.
12/36
Giáo sư Bùi Văn Ga, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, là một trong những người tiên
phong trong việc nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu khí trên xe gắn máy (hình 4). Giáo
sư đã nghiên cứu thành cơng bộ chuyển đổi gas/xăng cho xe gắn máy. Bộ chuyển
đổi này có ưu điểm là linh hoạt trong việc sử dụng, có thể sử dụng nhiên liệu khí ga
lỏng hoặc xăng để chạy.
Bộ chuyển đổi gas/xăng là bộ chuyển đổi dạng cơ khí, có ngun lý hoạt động
tương tự như bộ chế hồ khí (hình 5).Do điều khiển cơ khí và cơng nghệ chế tạo tại
Việt Nam chưa tốt, bộ chuyển đổi này có nhiều hỏng hóc trong q trình sử dụng.
Ngồi ra, bộ chuyển đổi này được thiết kế cho một mẫu/ kiểu xe riêng biệt, khi mang
vào ứng dụng thực tế lại dùng cho nhiều kiểu xe khác nhau, dẫn đến các thiết bị này
khơng được tương thích, làm cho đặc tính cơng suất cơng suất, hiệu suất động cơ
giảm nhiều so với giới thiệu ban đầu.Do nhiều hỏng hóc phát sinh trong quá trình sử
dụng, các bộ chuyển đổi gas/xăng được ứng dụng trong một thời gian ngắn Đà
Nẵng và hiện nay cịn rất ít người sử dụng thiết bị này.
2.3.4. Chọn lựa xe cơ sở
Có thể nói, việc ứng dụng nhiên liệu khí có thể áp dụng thực tế, nhưng để các ứng
dụng này mang tính thực tiễn đòi hỏi phải chọn lựa đúng đối tượng sử dụng.Việc
ứng dụng nhiên liệu khí cho xe gắn máy kiểu hộp số thường có thể mang tính khả
thi, nhưng việc thay đổi kết cấu, khó chuyển đổi lại như xe nguyên thuỷ làm mất đi
tính ứng dụng thực tiễn của đề tài.Ngồi ra, do các trạm nạp nhiên liệu khí hiện nay
cịn rất ít, việc chuyển đổi xe gắn máy thường thành xe gắn máy chạy khí là giải
pháp khó khả thi.
Dựa vào các phân tích ở trên, có thể thấy, việc chọn lựa kiểu xe, đối tượng xe để áp
dụng thực tiễn là công việc hết sức quan trọng. Để đảm bảo tính thẩm mỹ, tính an
tồn trong q trình sử dụng, việc chọn lựa xe gắn máy tay ga làm đối tượng áp
dụng có tính khả thi hơn nhiều hơn. Trong việc lựa chọn giữa xe sử dụng bộ chế
hồ khí và sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử, thì các xe sử dụng
Hình 4: Xe gắn máy sử dụng nhiên liệu khí do nhóm nghiên cứu Đại học Đà
Nẵng phát triển.
13/36
hệ thống phun nhiên liệu điều khiển có nhiều ưu thế hơn.
Việc lựa chọn xe sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử và chuyển đổi
thành xe gắn máy sử dụng đa nhiên liệu lỏng/khí có thể giải thích ở các điểm sau:
-
Hai hệ thống nhiên liệu lỏng và khí có thể sử dụng song song một cách dễ
dàng.
-
Có thể tận dụng tín hiệu điều khiển thời gian phun và thời điểm phun nhiên
liệu lỏng để tính toán lượng phun và thời điểm phun cho nhiên liệu khí. Việc
này dẫn đến dễ dàng áp dụng kết qủa nghiên cứu từ đề tài cho nhiều kiểu xe
khác nhau.
-
Khắc phục nhược điểm của bộ trộn kiểu cơ khí, cho tín hiệu điều khiển nhanh
hơn, nâng cao cơng suất, hiệu suất động cơ và giảm thành phần khí thải.
Trong việc khảo sát các xe gắn máy trên thị trường Việt Nam, chúng tơi nhận thấy
xe Honda Lead (SCR) có các thoả mãn đầy đủ các yêu cầu trên (hình 6). Xe Honda
Lead là dạng xe tay ga, sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử, thùng
đựng đồ lớn. Cùng với xe Honda Airblade, xe Honda Lead Lead hiện nay được thị
trường tiêu thụ với số lượng rất lớn. Ra đời từ khoảng cuối năm 2008, hiện nay số
lượng xe Honda Lead đã chiếm phân lớn trong phân loại xe tay ga trên thị trường do
tính ổn định, thùng đồ lớn và giá cả phải chăng. Việc chọn lựa xe Honda Lead làm
xe cơ sở cho việc thiết kế chuyển đổi mang tính khả thi cao trong tương lai nếu sản
phẩm của đề tài được thương mại hoá.
2.4.
-
Kết luận chương 2
Yêu cầu làm viêc xe gắn máy sử dụng đa nhiên liệu lỏng – khí là phải thoả
mãn các điêu kiện hoạt động của xe gắn máy thường, ngồi ra cịn phải đảm
bảo tính tiện dụng, tính khả thi khi chuyển đổi thành xe gắn máy sử dụng đa
Khơng
khí
Dm
Flx
s1
s2
δh
df
Fk
df
Biogas
Quả
ga
Dh
Hỗn
hợp
Hình 5: Bộ trộn gas/xăng kiểu cơ khí do nhóm nghiên cứu của Giáo sư Bùi Văn
Ga phát triển.
14/36
nhiên liệu.
-
Xe gắn máy sau khi chuyển đổi phải đảm bảo hoạt động ổn định với nhiên
liệu lỏng truyền thống.
-
Xe gắn máy sử dụng đa nhiên liệu không được thay đổi về hình dáng, kết cấu
bên ngồi và tính thảm mỹ của xe.
-
Dựa vào các phân tích, xe gắn máy Honda Lead được lựa chọn làm xe cơ sở
để nghiên cứu chuyển đổi thành xe gắn máy sử dụng đa nhiên liệu lỏng – khí.
Hình 6: Hình dáng cấu tạo bên ngồi xe cơ sở. Xe Honda Lead có ưu điểm sử
dụng động cơ phun xăng điện tử, thùng đựng đồ lớn.
15/36
Chương 3: Hệ Thống Nhiên Liệu Xe Gắn Máy Sử Dụng Đa
Nhiên Liệu Lỏng – Khí
3.1.
Hệ thống nhiên liệu xe cơ sở
Như đã trình bày ở phần trên, xe gắn máy được chọn trong nghiên cứu này là xe
Honda Lead. Hình 7 trình bày hình dáng bên ngồi xe này, bố trí hệ thống phun
nhiên liệu điều khiển điện tử (PGM-FI), và thùng chứa đồ lớn. Xe Honda Lead sử
dụng động cơ 4 kỳ, 1 xy-lanh, làm mát bằng dung dịch. Các thơng số kỹ thuật xe cơ
sở được trình bày trong bảng 1.
Công nghệ phun xăng điện tử tiên tiến của Honda giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm
lượng khí thải. Bộ điều khiển trung tâm ECU (Engine Control Unit) của hệ thống
PGM-FI sẽ tính tốn và quyết định tỉ lệ hỗn hợp khí - nhiên liệu tối ưu dựa trên kết
quả phân tích các yếu tố như điều kiện vận hành, điều kiện khơng khí và những thay
đổi của người lái. Bên cạnh đó, việc kiểm sốt chính xác tỉ lệ khí - nhiên liệu, hệ
thống PGM-FI cịn góp phần giảm đáng kể lượng khí thải độc hại ra môi trường
nhưng vẫn đạt được các mục tiêu khác như tiết kiệm nhiên liệu, khởi động tốt, vận
hành hoàn hảo trên những điều kiện đường sá khác nhau. Những tiện lợi khác từ hệ
thống phun xăng điện tử như: 1) Khởi động xe nhanh chóng ngay cả trong thời tiết
lạnh; 2) Khả năng vận hành ổn định trên mọi độ cao địa hình; và 3) Dễ dàng khởi
động sau thời gian dài không sử dụng.
Từ xe cơ sở, ta sẽ phải thiết kết bố trí chung thêm hệ thống nhiên liệu khí để chuyển
đổi thành xe đa nhiên liệu.
Bảng 1:Một số thông số kỹ thuật cơ bản của xe Honda Lead.
Mẫu xe
Lead Honda
Trọng lượng bản thân
115 kg
Kích thước
1835/670/1125 mm
Truyền động
CVT
Loại động cơ
Đường kính xi-lanh
Hành trình pit-tơng
SI, 4 kì
50 mm
55 mm
Dung tích
Tỷ số nén
Hệ thống làm mát
108 cm3
11.0:1
Làm mát bằng nước
Công suất đầu ra cực đại
6.4 kW (7500 rpm)
Mô-men cực đại
9.2 Nm (6000 rpm)
Hệ thống nhiên liệu
Phun xăng điện tử
16/36
Hình 7: Sơ đồ cấu tạo xe Honda Lead với hệ thống phun xăng điện tử và thùng
đựng đồ lớn. Thùng đựng đồ U box rất thích hợp cho việc đặt thùng nhiên liệu
mà không làm thay đổi kết cấu, tính thẩm mỹ của xe.
Về bản chất, xe gắn máy đa nhiên liệu lỏng – khí trong đề tài này hoạt động theo
cùng một nguyên lý với các xe du lich chạy gas trên thị trường. Hệ thống nhiên liệu
khí thiết kế và hoạt động song song với hệ thống nhiên liệu lỏng. Khác với hệ thống
nhiên liệu khí sử dụng trong nghiên cứu của giáo sư Bùi Văn Ga, hệ thống nhiên liệu
khí trên xe gắn máy này sử dụng hệ thống phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử.
Tín hiệu điều khiển lưu lượng phun và thời gian phun cho kim phun nhiên liệu khí
được lấy từ tín hiệu điều khiển phun kim phun nhiên liệu lỏng (xăng). Từ đó, bộ điều
khiển trung tâm (thiết kế mới) sẽ tính tốn và điều khiển lượng phun, thời điểm phun
tương ứng.
Q trình tính tốn, thiết kế cụ thể và các lý thuyết về hình thành hỗn hợp đã được
thực hiện thông qua 1 luận văn thạc sĩ và 02 luận văn đại học tại Bộ mơn Kỹ Thuật
Ơ tơ – Máy Động lực. Trong đó, LVTS do học viên Hồ Trọng Du thực hiện với đề tài
“Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử cho xe gắn máy sử dụng
biogas” đã nghiên cứu các lý thuyết cơ bản và tính tốn q trình điều khiển hệ
thống nhiên liệu khí. Kết quả đề tài được báo cáo tại hội thảo công nghệ lần thứ 2
(xem thêm phần phụ lục đề tài). Phần tiếp theo của báo cáo sẽ trình bày tóm tắt
ngun lý hoạt động của hệ thống đa nhiên liệu lỏng – khí cho xe gắn máy.
3.2.
Nguyên lý hoạt động xe gắn máy đa nhiên liệu lỏng – khí
Hình 8 trình bày so đồ bố trí hệ thống nhiên liệu khí trên xe Honda Lead và hình 9
trình bày sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống cung cấp đa nhiên liệu lỏng – khí
cho xe gắn máy.
Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí: Hệ thống nạp khí (LPG/biogas) vào bình chứa khí
qua đầu nạp khí (1) và van nạp (2). Khí được nén được đưa vào bình (3) với áp suất
10 – 15 bar tuỳ theo nhiên liệu khí được sử dụng là LPG/Biogas. Bình (3) được thiết
17/36
kế tùy thuộc vào kích thước khoang đựng đồ xe gắn máy, thể tích nằm trong khoảng
15 – 25 lít. Trước khi cho xe vận hành, tài xế phải mở van tay (4) để nhiên liệu khí
ln chờ sẵn ở trước van điện từ (5). Trên đầu ra bình nhiên liệu có đồng hồ báo áp
suất khí trong bình. Nhiên liệu khí sau khi qua van điện từ sẽ qua bộ điều áp (6), bộ
điều áp có nhiệm vụ giảm áp suất khí trong bình chứa từ 10 – 15 bar xuống còn 1 –
1.5 bar. Trên bộ điều áp cũng có đồng hồ cảm biến áp suất để điều chỉnh áp suất
nhiên liệu theo yêu cầu. Nhiên liệu khí sau khi qua bộ điều áp sẽ đi qua bộ lọc (8)
giúp lọc bụi bẩn trước khi được kim phun (9) phun vào đường ống nạp động cơ. Khi
có tín hiệu từ công tắc chuyển đổi 20 (công tắc 3 vị trí), ECU2 sẽ tác động để mở
van điện từ 5 và điều khiển kim phun (9) phun nhiên liệu khí với lượng phun và thời
điểm phun dựa theo các kết quả tính tốn từ cảm biến vị trí bướm ga (11), cảm biến
ô-xy (17), cảm biến nhiệt độ dầu bôi trơn (18) và cảm biến tốc độ động cơ (19).
Hệ thống cung cấp xăng: Các xe chuyển đổi giữ nguyên hệ thống nhiên liệu lỏng
(phun xăng điện tử). Xăng trong bình chứa (15) sẽ được bơm (14) bơm qua bộ lọc
(13) đến kim phun (12) và phun vào buồng cháy động cơ. Các tín hiệu để điều khiển
và tính tốn lượng phun được giữ khơng đổi và được điều khiển bằng ECU1
Hình 8: Sơ đồ bố trí hệ thống nhiên liệu khí trên xe Honda Lead. Trong đó, 1)
ECU gốc; 2)Bình LPG; 3) Cốp xe; 4) ECU chuyển đổi; 5) Kim phun khí; 6) Van
giảm áp; 7) Kim phun xăng; 8) Động cơ; 9) Bình xăng
18/36
Hình 9: Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống nhiên liệu xe gắn máy đa nhiên liệu
lỏng – khí
ECU1 là ECU gốc của xe Honda Lead lấy tín hiệu đầu vào từ các cảm biến tính tốn
thời điểm đánh lửa, thời điểm phun xăng và thời gian phun xăng, sau đó sẽ phát tín
hiệu điều khiển bugi đánh lửa và phát thời gian phun xăng đến ECU2.
ECU2 là ECU thiết kế mới trong dự án này và là bộ phận quan trọng trong dự án.
ECU2 nhận tín hiệu thời gian phun từ ECU1 rồi tính tốn thành lượng nhiên liệu
chuyển đổi, sau đó phát tín hiệu thời gian phun chuyển đổi cho chế độ nhiên liệu
đang sử dụng đi điều khiển phun kim phun nhiên liệu chuyển đổi (kim phun xăng và
kim phun khí).
Diễn giải một cách cụ thể, phương pháp thực hiện để điều khiển kim phun nhiên liệu
lỏng và khí là dựa vào các tín hiệu từ ECU nguyên thuỷ (ECU1). Tín hiệu điều khiển
kim phun 9 và 12 sẽ do ECU2 thực hiện. Phương pháp này được sử dụng nhiều
trên các xe du lịch khi chuyển đổi thành xe sử dụng đa nhiên liệu lỏng khí. Do điều
kiện về nguồn nhiên liệu, trong dự án này chúng tơi chỉ thực hiện cho một loại nhiên
liệu khí duy nhất là khí dầu mỏ hố lỏng (LPG).
3.3.
Cơ chế hoạt động của hệ thống nhiên liệu xe gắn máy đa nhiên liệu.
Xe gắn máy đa nhiên liệu sẽ được hoạt động trong 3 chế độ sau tương ứng với vị trí
cơng tắc chuyển đổi (20):
1. Sử dụng nhiên liệu lỏng truyền thống:Cơng tắc chuyển đổi (20) ở vị trí 1.
Xe hoạt động với nhiên liệu lỏng (xăng/xăng pha cồn) truyền thống. ECU1
truyền tín hiệu đến ECU2 để điều khiển phun 12 (kim phun xăng). Dựa vào
kết quả thực nghiệm, ECU2 có thể xuất tín hiệu giúp xe tiết kiệm nhiên liệu
hơn so với ECU của nhà chế tạo. Đây là một trong những hướng nghiên cứu
19/36
trong tương lai của PTN Trọng Điểm Động Cơ Đốt Trong nhằm đưa ra giải
pháp tiết kiệm nhiên liệu cho xe tay ga.
2. Sử dụng 100 % nhiên liệu khí: (Cơng tắc chuyển đổi ở vị trí 2) khi xe khởi
động, xe sẽ được khởi động bằng nhiên liệu lỏng. Tài xế sẽ nhấn công tắc
chuyển đổi (20) để chuyển sang sử dụng 100% nhiên liệu khí. Khi nhận được
tín hiệu này, ECU2 sẽ tính tốn lượng phun để điều khiển kim phun (9) theo
chế độ hoạt động của động cơ. Đồng thời, ECU 2 cũng chuyển tín hiệu đến
ECU1 để ngắt kim phun (12).
3. Chế độ chạy hỗn hợp đa nhiên liệu lỏng – khí: Khi cơng tắc chuyển đổi (20)
ở vị trí 3, xe sẽ chạy ở chế độ hỗn hợp xăng và khí. ECU 2 sẽ tính toán để
điều khiển kim phun (9) và (12) phun đồng thời.
3.4.
Kết luận chương 3
Chương này đã thực hiện phân tích hệ thống nhiên liệu xe cơ sở và phương án thiết
kế hệ thống đa nhiên liệu trên xe. Các đặc điểm của hệ thống nhiên liệu được tóm
tắt như sau:
-
Hệ thống nhiên liệu lỏng của xe được giữ nguyên và xe được gắn thêm hệ
thống nhiên liệu khí.
-
Bộ điều khiển mới (ECU2) sẽ điều khiển thời điểm phun, lượng phun cho cả 2
kim phun nhiên liệu lỏng (kim phun 12) và kim phun nhiên liệu khí (kim phun
9) dựa trên kết quả từ ECU1 và các cảm biến.
-
Xe có thể hoạt động tại 3 chế độ nhiên liệu: sử dụng nhiên liệu lỏng 100%, sử
dụng nhiên liệu khí 100% và sử dụng hỗn hợp nhiên liệu lỏng – khí.
-
Thùng nhiên liệu khí được bố trí trong thùng đồ đảm bảo tính thẩm mỹ và ổn
định xe trong q trình sử dụng. Ngoài ra, nhiên liệu để trong thùng đồ đảm
bảo độ an toàn hơn cho hệ thống nhiên liệu trong trường hợp xe bị do tai
nạn…
-
Chế độ chạy đa nhiên liệu, hỗn hợp giữa nhiên liệu xăng và nhiên liệu khí
được được xem là có nhiềm tiềm năng và cần phải được nghiên cứu kỹ hơn.
-
Hệ thống đa nhiên liệu lỏng khí đã được đăng ký sở hữu trí tuệ (xem phụ lục
đính kèm).
20/36
