NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ NHIÊN LIỆU LPG THAY THẾ CHO ĐỘNG CƠ 1NZFE

LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................i TÓM TẮT ......................................................................................................................ii MỤC LỤC .....................................................................................................................iii DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................... x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU....................................... 1 1.1. Đặt vấn đề và lý do chọn đề tài ............................................................................1 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ..........................................................2 1.2.1. Các nghiên cứu được thực hiện ở ngoài nước:..............................................2 1.2.2. Các nghiên cứu được thực hiện trong nước: .................................................3 1.3. Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu ................................................4 1.3.1. Mục tiêu của đề tài: .......................................................................................4 1.3.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:................................................................4 1.3.3. Phương pháp nghiên cứu:..............................................................................4 1.4. Nhiên liệu LPG.....................................................................................................5 1.4.1. Nguồn gốc và lịch sử của nhiên liệu LPG:....................................................5 1.4.2. Tính chất lý hóa của nhiên liệu LPG:............................................................7 1.4.3. Tính chất của nhiên liệu LPG:.......................................................................7 1.4.4. Các ưu điểm của LPG so với nhiên liệu truyền thống: .................................9 1.4.5. Các ứng dụng của nhiên liệu LPG:................................................................9 1.4.6. An toàn trong sử dụng và tồn trữ LPG:.......................................................10 1.4.7. So sánh khả năng ứng dụng LPG so với các loại nhiên liệu khí khác: .......10 1.4.8. Sản xuất nhiên liệu LPG:.............................................................................12 1.5. Đặc điểm chung của động cơ sử dụng LPG .......................................................15 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP XĂNGLPG.................................................................................................................. 17 2.1. Tổng quan động cơ 1NZFE...............................................................................18 2.1.1. Thông số động cơ 1NZFE..........................................................................18 2.1.2. Cảm biến lưu lượng khí nạp MAF: .............................................................20iv 2.1.3. Cảm biến nhiệt độ khí nạp IAT:..................................................................20 2.1.4. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát: ...............................................................21 2.1.5. Cảm biến vị trí bướm ga:.............................................................................21 2.1.6. Cảm biến kích nổ:........................................................................................22 2.1.7. Cảm biến vị trí trục khuỷu CKP – trục cam CMP: .....................................23 2.1.8. Cảm biến Oxy và cảm biến AF: .................................................................24 2.2. Hệ thống điều khiển động cơ 1NZFE ...............................................................26 2.2.1. Hệ thống điều khiển phân phối khí VVTi:.....................................................26 2.2.2. Hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS: ................................................................30 2.3. Sơ Đồ Mạch Điện ...............................................................................................34 2.4. Quá trình cháy của trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép Xăng LPG ............38 2.5. Phần mềm AVL IndiCom...................................................................................39 2.6. Phần mềm AVL CONCERTO ...........................................................................40 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP LPG ................................. 42 3.1. Hệ thống điều khiển cung cấp khí hóa lỏng LPG cho động cơ thực nghiệm.....42 3.1.1. Phương pháp cung cấp LPG:.......................................................................42 3.1.2. Sơ đồ nguyên lý cung cấp LPG cho động cơ: .............................................43 3.2. Hệ thống điều khiển và cung cấp LPG cho động cơ 1NZFE sử dụng nhiên liệu kép XăngLPG...........................................................................................................44 3.2.1. Sơ đồ hệ thống LPG BRC lắp trên động cơ thực nghiệm:..........................44 3.2.2. Tín hiệu điều khiển:.....................................................................................47 3.3. Hệ thống chuyển đổi BRC..................................................................................48 3.3.1. Giới thiệu.....................................................................................................48 3.3.2. Những điểm khác chính so với các hệ thống trước.....................................48 3.3.3. Hệ thống SEQUENT 24: .............................................................................50 3.3.4. Hệ thống SEQUENT 24 trong cài đặt và quản lý cung cấp LPG: ..............60 3.4. Vấn đề và giải pháp: ...........................................................................................68 CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ..................................................... 71 4.1. Mục đích, đối tượng và trang thiết bị thực nghiệm............................................71 4.1.1. Mục đích và đối tượng thực nghiệm: ..........................................................71 4.1.2. Điều kiện thực nghiệm: ...............................................................................72v 4.2. Kết quả thực nghiệm...........................................................................................77 4.2.1. Đặc tính ngoài của động cơ sử dụng nhiên liệu xăng: ................................77 4.2.2. So sánh moment và công suất động cơ ở các chế độ hoạt động: ................80 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................................... 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 84

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ NHIÊN LIỆU LPG

THAY THẾ CHO ĐỘNG CƠ 1NZ-FE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ NHIÊN LIỆU LPG

THAY THẾ CHO ĐỘNG CƠ 1NZ-FE

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

1 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ NHIÊN LIỆU LPG THAY THẾ CHO ĐỘNG CƠ 1NZ-FE

2 Nhiệm vụ đề tài:

- Nghiên cứu tổng quan về nhiên liệu LPG

- Nghiên cứu hệ thống điều khiển của động cơ 1NZ-FE

- Nghiên cứu chuyển đổi động cơ 1NZ-FE sang sử dụng nhiên liệu thay thế LPG với hệ thống LPG của BRC

- Thực nghiệm, đánh giá và kết luận

3 Sản phẩm của đề tài:

- Mô hình hệ thống động cơ 1NZ-FE với HT chuyển đổi nhiên liệu LPG BRC

- Thuyết minh đề tài

4 Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 01/03/2021

5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 10/08/2021

6 Ngày bảo vệ dự kiến: 17/08/2021

TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

 Sinh viên thực hiện:

Email: SĐT:

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô Lớp: - Họ và tên SV2: MSSV: Email: SĐT: Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô Lớp:  Giảng viên hướng dẫn:

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm :………(Bằng chữ )

TP HCM, ngày tháng 08 năm 2021

Giảng viên hướng dẫn

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

 Sinh viên thực hiện:

- Họ và tên SV1: MSSV:

Email: SĐT:

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô Lớp: - Họ và tên SV2: MSSV: Email: SĐT:

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô Lớp:  Giảng viên phản biện: NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm :………(Bằng chữ )

TP HCM, ngày tháng 08 năm 2021

Giảng viên phản biện

LỜI CẢM ƠNSau gần 5 tháng thực hiện nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu đánh giá nhiên liệu

thay thế cho động cơ Vios 1NZ-FE” đã phần nào được hoàn thành Ngoài sự cố

gắng, nỗ lực hết mình của nhóm và cũng đã nhận được rất nhiều những sự giúp đỡ,

góp ý, quan tâm và khích lệ đến từ gia đình, nhà trường, các thầy cô và bạn bè trong

quá trình nghiên cứu

Trước tiên con xin cảm ơn gia đình đã luôn động viên và tạo mọi điều kiện tốt

để con học tập và hoàn thành đề tài này

Em xin cảm ơn tất cả các thầy cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

đã truyền đạt những kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt quá trình học tập Đặc

biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy , thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo và

luôn động viên tinh thần cho chúng em trong suốt quá trình làm đề tài

Tuy nhiên, do vốn kiến thức còn nhiều hạn chế và khả năng tiếp thu thực tế còn

nhiều bỡ ngỡ Mặc dù chúng em đã cố gắng hết sức nhưng chắc chắn bài tiểu luận khó

có thể tránh khỏi những thiếu sót và nhiều chỗ còn chưa chính xác, kính mong các

thầy xem xét và góp ý để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn

“Chúng em xin chân thành cảm ơn!”

TÓM TẮT

Đề tài “Nghiên cứu đánh giá nhiên liệu thay thế cho động cơ Vios 1NZ-FE”

cải tiến từ một động cơ chạy bằng nhiên liệu xăng sang động cơ chạy với nhiên liệu thay thế là khí LPG Bên cạnh đó đảm bảo cho động cơ hoạt động bình thường tạo ra được hiệu suất cao, ổn định khi nạp nhiên liệu và có khả năng làm giảm lượng khí thải phát thải ra môi trường

Chúng em thực hiện đề tài này nhằm tạo tiền đề cho việc cải tiến nhiều hơn những động cơ đang chạy bằng nguồn năng lượng không thể tái tạo được Việc chuyển đổi dần sang nguồn năng lượng thay thế và nguồn năng lượng sạch giúp cho ngành công nghệ kỹ thuật ô tô có những bước tiến mới về công nghệ nói riêng và bảo vệ môi trường nói chung Bên cạnh đó việc nghiên cứu này giúp chúng em tiếp cận nhiều hơn với các công nghệ trên xe, khơi dậy niềm đam mê về ngành, liên tục áp dụng và trao dồi kiến thức trong suốt quá trình nghiên cứu này

Nguyên lý hoạt động của động cơ cũng dựa trên nguyên lý của động cơ xăng truyền thống Việc tính toán lại lưu lượng phun nhiên liệu, thời điểm phun là cần thiết, đặc biệt phải trang bị thêm phần cứng chính là bộ chuyển đổi nhiên liệu LPG Ngoài

ra, còn thêm bình chứa khí LPG

Sau khi tính toán và thiết kế hoàn chỉnh nhóm chúng em lắp đặt, tiến hành thực nghiệm trên động cơ khi chạy bằng cả hai loại nhiên liệu Đánh giá các đặc tính động

cơ và nguồn khí thải khi chạy bằng nhiên liệu xăng và khi sử dụng nguồn nhiên liệu thay thế là LPG

Qua nhiều lần đánh giá, điều chỉnh hoạt động của động cơ, nhóm chúng em đã chế tạo thành công động cơ chạy bằng nhiên liệu thay thế khí LPG có khả năng tiết kiệm nhiên liệu, khả năng ổn định khi nạp nhiên liệu, tạo ra được công suất động cơ tốt và có lượng khí thải phát thải ra môi trường ít ô nhiễm hơn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1

1.1 Đặt vấn đề và lý do chọn đề tài 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2

1.2.1 Các nghiên cứu được thực hiện ở ngoài nước: 2

1.2.2 Các nghiên cứu được thực hiện trong nước: 3

1.3 Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu 4

1.3.1 Mục tiêu của đề tài: 4

1.3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 4

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu: 4

1.4 Nhiên liệu LPG 5

1.4.1 Nguồn gốc và lịch sử của nhiên liệu LPG: 5

1.4.2 Tính chất lý hóa của nhiên liệu LPG: 7

1.4.3 Tính chất của nhiên liệu LPG: 7

1.4.4 Các ưu điểm của LPG so với nhiên liệu truyền thống: 9

1.4.5 Các ứng dụng của nhiên liệu LPG: 9

1.4.6 An toàn trong sử dụng và tồn trữ LPG: 10

1.4.7 So sánh khả năng ứng dụng LPG so với các loại nhiên liệu khí khác: 10

1.4.8 Sản xuất nhiên liệu LPG: 12

1.5 Đặc điểm chung của động cơ sử dụng LPG 15

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP XĂNG-LPG 17

2.1 Tổng quan động cơ 1NZ-FE 18

2.1.1 Thông số động cơ 1NZ-FE 18

2.1.3 Cảm biến nhiệt độ khí nạp IAT: 20

2.1.4 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát: 21

2.1.5 Cảm biến vị trí bướm ga: 21

2.1.6 Cảm biến kích nổ: 22

2.1.7 Cảm biến vị trí trục khuỷu CKP – trục cam CMP: 23

2.1.8 Cảm biến Oxy và cảm biến A/F: 24

2.2 Hệ thống điều khiển động cơ 1NZ-FE 26

2.2.1 Hệ thống điều khiển phân phối khí VVT-i: 26

2.2.2 Hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS: 30

2.3 Sơ Đồ Mạch Điện 34

2.4 Quá trình cháy của trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép Xăng - LPG 38

2.5 Phần mềm AVL IndiCom 39

2.6 Phần mềm AVL CONCERTO 40

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP LPG 42

3.1 Hệ thống điều khiển cung cấp khí hóa lỏng LPG cho động cơ thực nghiệm 42

3.1.1 Phương pháp cung cấp LPG: 42

3.1.2 Sơ đồ nguyên lý cung cấp LPG cho động cơ: 43

3.2 Hệ thống điều khiển và cung cấp LPG cho động cơ 1NZ-FE sử dụng nhiên liệu kép Xăng-LPG 44

3.2.1 Sơ đồ hệ thống LPG BRC lắp trên động cơ thực nghiệm: 44

3.2.2 Tín hiệu điều khiển: 47

3.3 Hệ thống chuyển đổi BRC 48

3.3.1 Giới thiệu 48

3.3.2 Những điểm khác chính so với các hệ thống trước 48

3.3.3 Hệ thống SEQUENT 24: 50

3.3.4 Hệ thống SEQUENT 24 trong cài đặt và quản lý cung cấp LPG: 60

3.4 Vấn đề và giải pháp: 68

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 71

4.1 Mục đích, đối tượng và trang thiết bị thực nghiệm 71

4.1.1 Mục đích và đối tượng thực nghiệm: 71

4.1.2 Điều kiện thực nghiệm: 72

4.2 Kết quả thực nghiệm 77

4.2.1 Đặc tính ngoài của động cơ sử dụng nhiên liệu xăng: 77

4.2.2 So sánh moment và công suất động cơ ở các chế độ hoạt động: 80

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Khí cầu Graf Zeppelin 6

Hình 1.2: Xe buýt Flexible Twin Coach chạy bằng LPG ở Chicago 6

Hình 1.3: Công thức hóa học, cấu trúc phân tử của thành phần nhiên liệu LPG 7

Hình 1.4: Top 10 quốc gia hàng đầu trên thế giới về sản xuất LPG (2012) 12

Hình 1.5: Top 10 nước tiêu thụ khí LPG trên thế giới 13

Hình 1.6: Bản đồ tiêu thụ khí LPG trên thế giới 13

Hình 1.7: Mức tiêu thụ khí LPG trên thế giới qua từng năm 14

Hình 2.1: Động cơ 1NZ-FE 18

Hình 2.2: Sơ đồ mạch điện cảm biến MAF 20

Hình 2.3: Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ khí nạp 20

Hình 2.4: Sơ đồ mạch điện cảm biến nước làm mát 21

Hình 2.5: Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bướm ga 21

Hình 2.6: Cấu tạo cảm biến bướm ga và đồ thị quan hệ giữa điện áp-góc mở 22

Hình 2.7: Sơ đồ mạch điện cảm biến kích nổ 22

Hình 2.8: Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục khuỷu–trục cam 23

Hình 2.9: Vị trí cảm biến trục khuỷu và tín hiệu NE 23

Hình 2.10: Vị trí cảm biến trục cam và tín hiệu G 24

Hình 2.11: Sơ đồ mạch điện cảm biến Oxy và cảm biến A/F 24

Hình 2.12: Mạch điều khiển cảm biến oxy 24

Hình 2.13: Mạch điều khiển cảm biến A/F và đường đặc tuyến A/F 25

Hình 2.14: Sơ đồ điều khiển hệ thống VVT-i 26

Hình 2.15: Cấu trúc của hệ thống VVT-i 27

Hình 2.16: Sơ đồ mạch điện van điều khiển dầu phân phối trục cam OCV 28

Hình 2.17: Các chế độ làm việc của hệ thống VVT-i sớm-trễ-giữ 29

Hình 2.18: Sơ đồ mạch điện của hệ thống đánh lửa DIS 30

Hình 2.19: Mạch đánh lửa 31

Hình 2.20: Tín hiệu IGT và thời điểm đánh lửa sớm 32

Hình 2.21: Quan hệ tín hiệu IGF, IGT và dòng sơ cấp 33

Hình 2.22: Phần mềm AVL Indicom 39

Hình 2.23: Giao diện phần mềm AVL Indicom 39

Hình 2.24: Tiến hành lấy số liệu trong phòng thí nghiệm 40

Hình 2.25: Chức năng của AVL CONCERTO 40

Hình 2.26: Giao diện AVL Concerto 41

Hình 2.27: Tiến hành vẽ đồ thị tại phòng thí nghiệm 41

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý cung cấp LPG theo cơ sở lý thuyết 42

Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ 43

Hình 3.3: Sơ đồ mạch điều khiển phun LPG BRC 44

Hình 3.4: Vị trí các chân của ECU 24MY07 47

Hình 3.5: Tín hiệu điều khiển 47

Hình 3.6: Đầu ra và đầu vào ECU động cơ và ECU BRC 48

Hình 3.7: Các bộ phận cung cấp LPG BRC cho động cơ thực nghiệm 50

Hình 3.8: ECU SEQUENT 24 51

Hình 3.9: Bình chứa LPG và kết cấu van điện từ 52

Hình 3.10: Bộ lọc khí BRC 52

Hình 3.11: Bộ hóa hơi giảm áp LPG BRC 53

Hình 3.12: Cấu tạo Bộ hóa hơi giảm áp LPG BRC 54

Hình 3.13: Hệ thống phân phối, kim phun LPG lắp trên động cơ thực nghiệm 55

Hình 3.14: Ống phân phối, các kim phun và cảm biến áp suất nhiệt độ 55

Hình 3.15: Kim phun BRC IN03 56

Hình 3.16: Các loại kim phun BRC 56

Hình 3.17: Cảm biến MAP 58

Hình 3.18: Công tắc chuyển đổi và còi báo 59

Hình 3.19: Giao diện người dùng 61

Hình 3.20: Bảng thông tin 61

Hình 3.22: Động cơ chạy xăng ở tốc độ cầm chừng 62

Hình 3.23: Động cơ chạy LPG ở tốc độ cầm chừng 63

Hình 3.24: Điều chỉnh tham số chuyển đổi 64

Hình 3.25: Điều chỉnh tham số chuyển đổi Xăng-LPG 65

Hình 3.26: Thời gian phun của Xăng và LPG ở chế độ GAS 66

Hình 3.27: Điều chỉnh TIP-IN 67

Hình 4.1: Động cơ 1NZ-FE sử dụng nhiên liệu kép LPG-Xăng 71

Hình 4.2: Phòng thí nghiệm động cơ 72

Hình 4.3: Băng thử AVL DynoPerform và động cơ 1NZ-FE 73

Hình 4.4: Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm tại phòng thí nghiệm động cơ trường ĐH Sư phạm kỹ thuật TPHCM 74

Hình 4.5: Bàn điều khiển trong phòng thí nghiệm 75

Hình 4.6: Bộ điều khiển bướm ga tự động, bàn điều khiển và tủ điều khiển PUMA 75

Hình 4.7: Đồ thị đặc tính ngoài của động cơ 1NZ-FE 77

Hình 4.8: Thông số trên máy chẩn đoán MaxiSys khi động cơ xăng chạy ở tốc độ 1000 vòng/phút 79

Hình 4.9: Đồ thị đo xung IC điều khiển và xung hiệu chỉnh lượng phun nhiên liệu khi động cơ xăng chạy ở tốc độ 1000 vòng/phút 80

Hình 4.10: Đồ thị moment và công suất ở chế độ tải 20% độ mở bướm ga của động cơ 1NZ-FE sử dụng nhiên liệu kép Xăng-LPG 81

Hình 4.11: Đồ thị moment và công suất ở chế độ tải 50% độ mở bướm ga của động cơ

1NZ-FE sử dụng nhiên liệu kép Xăng-LPG 82

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Tính chất của các thành phần trong LPG: 8

Bảng 2.1: Thông số động cơ 1NZ-FE 19

Bảng 2.2: Ký hiệu các chân và tín hiệu của ECU 37

Bảng 3.1: Các chân ECU 24MY07: 45

Bảng 3.2: So sánh Sequent 24 với Sequent Fast 49

Bảng 3.3: Các vấn đề và giải pháp 68

Bảng 4.1: Kết quả đo thực nghiệm của Mô men và Công suất trên động cơ 1NZ-FE chạy xăng 77

Bảng 4.2: Thông số Mô men và Công suất của động cơ 1NZ-FE giữa nhà sản xuất và thực nghiệm 78

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ESA (Electronic Spark Advance): Đánh lửa sớm điện tử

ECU (Electronic Control Unit): Bộ điều khiển điện tử

IGT : Tín hiệu đánh lửa do ECU cấp đến IC của hãng Toyota

IGF: Tín hiệu phản hồi đánh lửa do IC cấp đến ECU của hãng Toyota

DIS (Direct Ignition System): Hệ thống đánh lửa trực tiếp

EFI (Electronic Fuel Injection): Hệ thống phun xăng điện tử

VVT-i (Variable Valve Timing with intelligence): Hệ thống điều khiển van nạp nhiên liệu biến thiên thông minh

IC (Integrated Circuit): Mạch tích hợp

LPG (Liquefied Petroleum Gas) : Khí dầu mỏ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đặt vấn đề và lý do chọn đề tài

Trên ô tô chúng ta hiện nay đa số sử dụng các loại năng lượng không tái tạo là xăng và diesel là chủ yếu, số lượng xe tại Việt Nam ngày càng tăng mạnh Theo thống

kê của dangkiemoto.com thì số lượng xe tính đến hết 05/2020 tổng có 3.797.946 trong đó: xe con là 2.164.531, xe khách là 169.811, xe tải là 1.326.289, chuyên dùng là 35.295, khác là 102.020 Hơn hết số lượng xe qua các năm ngày càng tăng cao đặc biệt

là xe sử dụng động cơ đốt trong nhiên liệu xăng do có nhiều ưu điểm nổi trội như có hiệu suất sử dụng cao, độ ổn định và tin cậy cao, giá thành thấp, nạp nhiên liệu nhanh Tuy nhiên nó cũng có các mặt hạn chế như cháy không hoàn toàn gây ô nhiễm, mức phát thải khí thải khá cao và đặc biệt xăng là nguồn nhiên liệu không tái tạo được dẫn đến tình trạng cạn kiệt tài nguyên Do vậy, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế

có mức phát thải thấp hơn như nhiên liệu LPG cho động cơ xăng để thay thế một phần nguồn nhiên liệu xăng đang cạn kiệt dần là vô cùng cần thiết Ở Việt Nam, số lượng xe chạy bằng động cơ xăng không nhỏ nên việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu LPG trên các động cơ này sẽ có ý nghĩa kinh tế xã hội rất cao đối với việc giảm tiêu thụ nguồn nhiên liệu truyền thống và bảo vệ môi trường Do có nhiều ưu điểm như tỏa năng lượng (nhiệt) khá cao, việc sản sinh ra các loại chất (khí NOx ,SOx) khí độc và tạp chất trong quá trình cháy thấp đã làm cho LPG trở thành một trong những nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường, ngoài ra với các đặc tính là nguồn nhiên liệu sạch dễ vận chuyển Khí này đã được phát triển và thương mại hóa từ những năm 1950 Trước đây, chúng được dùng chủ yếu cho công nghiệp và sinh nhiệt gia dụng Việc nghiên cứu sử dụng LPG trên phương tiện giao thông vận tải mới được tiến hành trong những thập niên gần đây Để góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường không khí, một số nước

đã áp dụng chính sách thuế đặc biệt để khuyến khích người dân sử dụng khí LPG chẳng hạn như Italy, Anh, Thổ Nhĩ Kỳ, Trung Quốc, Hàn Quốc, Ấn Độ Khí 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

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Các nghiên cứu được thực hiện ở ngoài nước:

Tiến hành khảo sát thực nghiệm về hiệu suất động cơ máy phát điện chuyển đổi

từ xăng sang LPG ở các áp suất phun và áp suất xi lanh khác nhau liên quan đến cấu trúc phun Propan của 3 tác giả Taib Iskandar Mohamad, Matthew Harrison, Mark Jermy Thực nghiệm tiến hành thông qua việc phun LPG bằng cách thiết kế một hệ thống phun để nhiệt cần thiết cho sự bay hơi của propan được lấy từ khí nạp nhằm để tăng hiệu suất thể tích Thực nghiệm quan sát bằng kỹ thuật chụp ảnh Mie và Lif từ vòi phun nhiên liệu đánh giá được LPG tạo ra ít hạt carbon monoxide (CO) và hydrocacbon (HC) không cháy, động cơ có xu hướng hoạt động ở các hỗn hợp nhỏ hơn làm cho hoạt động của động cơ tiết kiệm hơn nhưng thêm vào đó các lợi ích của

nhiệt trị cao hơn

Hai nhà nghiên cứu Collins Nwaokocha và Samuel Okezie thực nghiệm chuyển đổi của máy phát điện sử dụng xăng sang nhiên liệu khí Propan (LPG) với kết quả như sau: Các tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu của máy phát điện chạy bằng nhiên liệu khí LPG được khảo sát ở múc tải khác nhau khi động cơ chạy không tải, 139W và 750W ở chế

độ có tải Kết quả đưa ra mức tiêu thụ nhiên liệu xăng lần lượt là 0.5kg/giờ, 0.52kg/giờ, 0.62kg/giờ, trong khi mức tiêu thụ khí LPG là 0.3kg/giờ, 0.32kg/giờ, 0.59kh/giờ Các giá trị này thể hiện mức tiêu hao nhiên liệu giảm 40%, 38% và 4,8% cho mỗi kg nhiên liệu Qua đó thực nghiệm cho thấy hiệu suất động cơ cải thiện khi khi chạy bằng LPG và giảm việc tiêu thụ nhiên liệu từ đó giảm được mức độ phát thải

ô nhiễm ra ngoài môi trường Đồng thời tiết kiệm được đáng kể chi phí nhiên liệu và chi phí đầu tư cho bộ chuyển đối khí LPG cũng được giảm đáng kể

Một nghiên cứu của nhóm các tác giả Lukasz Wargula, Mateusz Kukla, Piotr Lijewski, Michal Dobrzynski và Filip Markiewicz với đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng LPG cho động cơ nhỏ băm dăm gỗ sử dụng xăng để đánh giá khí thải

và chi phí vận hành Nó trình bày kết quả nghiên cứu về mức tiêu hao nhiên liệu, phát thải khí thải và chi phí vận hành của máy băm dăm gỗ có thể băm cành có đường kính

tần suất băm các cành liên tiếp là khoảng 4 phút, năng suất khối lượng khoảng 0,73 tấn/h Dựa trên các kết quả ghi lại, người ta thấy rằng động cơ sử dụng nhiên liệu LPG

có đặc điểm là phát thải khí carbon monoxide (CO) và nito oxit (NO) cao hơn lần lượt

là 22% và 27% Hiệu quả tích cực của việc sử dụng LPG là giảm được 28% mức tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải carbon dioxide (CO2) và hydrocarbon (HC) lần lượt là 37% và 83% Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng nhiên liệu thay thế có thể mang lại lợi ích về phát thải CO2 và HC, nhưng đồng thời cũng có sự gia tăng CO và

NO

1.2.2 Các nghiên cứu được thực hiện trong nước:

Trong nước ta, tiêu biểu có PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng nghiên cứu biến đổi động cơ xăng sang động cơ LPG Trong quá trình chạy thử, các ý kiến phản hồi cho thấy xe hoạt động ổn định, có khả năng tăng tốc tốt và dễ khởi động ngoài ra khả năng vượt dốc tương đương khi dùng xăng Việc tiêu hao trung bình nhiên liệu LPG là 5,5-6 kg/100km tùy thuộc vào từng loại đường (so với khi chưa bổ sung hệ thống làm đậm

là 7-8 kg/100km) Kiểm tra trên thiết bị phân tích khí thải, nồng độ các chất ô nhiễm như CO, HC giảm trên 50% so với dùng xăng

Tác giả Nguyễn Văn Phụng học viên Cao học trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng với đề tài “Ứng dụng vi điều khiển vào bộ điều chỉnh tự động cung cấp LPG cho động cơ đánh lửa cưỡng bức” Tác giả nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động vi điều khiển và động cơ bước cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ ô tô thế hệ mới thay thế cho xăng góp phần tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Thực nghiệm được tiến hành với các thiết bị AVL hiện đại, dùng bộ điều chỉnh

tự động cung cấp nhiên liệu tự động Kết quả thực nghiệm đưa ra như sau: Van điều chỉnh tự động cung cấp LPG sử dụng vi điều khiển kiểm soát được quá trình cung cấp LPG, khả năng điều chỉnh của van rất mịn và khắc phục được các tình trạng của các van Solenoid Chất ô nhiễm trong khí thải giảm đáng kể có nồng độ khí thải CO giảm 43,7%, HC giảm 40,4 %, NOx giảm 50,8% so với dùng xăng

Tác giả Ths Phan Tấn Tài với đề tài “ Nghiên cứu chế tạo hệ thống phun LPG trên xe máy” tại trường đại học Trà Vinh Sản phẩm là chiếc xe máy có thể chạy bằng

2 loại nhiên liệu xăng và LPG đồng thời tiết kiệm nhiên liệu và góp phần hạn chế mức khí thải gây ô nhiễm môi trường trong nội thành của thành phố Lắp đặt hệ thống phun

nhiên liệu LPG với kết quả thu được như sau: Công suất cực đại đạt 87,7% so với khi chạy bằng xăng, nhiệt độ động cơ nằm trong giới hạn cho phép, nồng độ CO, HC giảm đáng kể, nồng độ trung bình CO giảm 21,84%, còn HC giảm 24,57% và tiêu phí nhiên liệu giảm 5,74% Kết này cho thấy rằng xe phát huy được hiệu quả rất cao trong khu vực nội, ngoại thành

1.3 Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu của đề tài:

- Đưa ra ưu điểm và chọn phương pháp cải tiến động cơ chạy khí LPG

- Lắp đặt và thiết kế hệ thống điều khiển cung cấp khí LPG lên động cơ, tiến hành thực nghiệm khi động cơ sử dụng xăng so với khí LPG

- Xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ

- Đánh giá hoạt động của hệ thống điều khiển nhiên liệu kép LPG và xăng

- Đánh giá các thông số ảnh hưởng đến chế độ hoạt động của động cơ

1.3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu: Động cơ TOYOTA Vios 1NZ-FE

Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá các tính năng kỹ thuật của động cơ sử dụng nhiên liệu kép (Xăng - LPG) với các trang thiết bị thực nghiệm (kiểm tra công suất, mô men, …)

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu:

Thông qua động cơ Vios 1NZ-FE, hiểu và phân tích một số các thông số đặc trưng của xe Dựa trên nguyên lý của động cơ xăng truyền thống phương pháp nghiên cứu là tìm kiếm các nguồn tài liệu trên các trang mạng internet, các thiết kế đã làm, các cá nhân phát triển ở trong và ngoài nước Việc tính toán lại lưu lượng phun nhiên liệu, thời điểm phun là cần thiết, đặc biệt phải trang bị thêm phần cứng chính là bộ chuyển đổi nhiên liệu LPG dựa vào các linh kiện dễ tìm thấy và phù hợp cho động cơ

Nhóm đã thực hiện đề tài này trong vòng hơn 5 tháng gồm 4 giai đoạn chính:

Giai đoạn 1:

- Xác định động cơ để cải tiến và tìm kiếm tài liệu

- Nghiên cứu các nhiên liệu thay thế có thể được sử dụng thay thế cho động cơ xăng

- Sau đó chọn ra một loại phù hợp với điều kiện thí nghiệm là khí LPG Lựa chọn các hệ thống thay thế và lắp đặt phù hợp với các điều kiện vận hành của động

- Lắp đặt hệ thống điều khiển cung cấp LPG BRC

- Sử dụng phần mềm mô phỏng AVL Concerto và AVL IndiCom để đưa ra các thông số đặc tính của momen và công suất của động cơ chạy bằng LPG

1.4.1 Nguồn gốc và lịch sử của nhiên liệu LPG:

LPG là tên viết tắt từ từ tiếng anh “Liquefied Petroleum Gas” hay còn gọi là khí dầu mỏ hóa lỏng hoặc khí hóa lỏng

Người ta đã cho rằng nhiên liệu khí LPG đã ra đời trong thời kỳ khó khăn của thế chiến thứ hai, khi tình trạng thiếu xăng phổ biến Điều thú vị và có lẻ đáng ngạc nhiên là LPG lần đầu tiên được sử dụng làm nhiên liệu động cơ rất lâu trước chiến tranh bùng nổ Tại Hoa Kỳ, lần đầu tiên đề cập đến hỗn hợp propan và butan bắt nguồn từ đầu năm 1910 Sau đó, Walter O.Snelling một nhà hóa học người Mỹ, nghiên cứu về các đặc tính của xăng, đã tách các phần khí ra khỏi chất lỏng, từ đó phát hiện ra

sự tồn tại của propan Vào năm 1913, ông được cấp bằng sáng chế và sản xuất khí propan ở quy mô công nghiệp LPG thực tế đã sử dụng cho đèn hàn và quạt gió cắt kim loại từ năm 1918 nhưng mãi đến 1920 sản xuất thương mại mới bắt đầu Doanh số

bán LPG ở Mỹ đứng đầu với 223 nghìn gallon vào năm 1922 và không ngừng tăng trưởng qua các năm sau Năm 1928 lần đầu tiên khí LPG được sử dụng làm nhiên liệu động cơ (trong xe tải) Trong vài năm sau đó, nhu cầu về khí hóa lỏng càng được thúc đẩy bởi sự phổ biến của khí cầu

Hình 1.1: Khí cầu Graf Zeppelin

Sau chiến tranh thế giới thứ hai sản xuất công nghiệp đã tăng trở lại, doanh số bán LPG ở Hoa Kỳ đạt mức 1 tỷ gallon, có gần 62% tổng số hộ gia đình lắp đặt Đến năm 1947, tàu chở khí đốt hóa lỏng đầu tiên được chế tạo và đi vào hoạt động Năm

1950, Chicago Transit Authority, một nhà điều hành giao thông công cộng từ Chicago,

đã đặt hàng 1000 chiếc xe buýt chạy bằng LPG và ở Milwaukee 270 chiếc taxi đã được chuyển đổi

Hình 1.2: Xe buýt Flexible Twin Coach chạy bằng LPG ở Chicago

Đối với Châu Âu, khí LPG lần đầu tiên xuất hiện là do được nhập khẩu từ Mỹ

và được giới thiệu tại Pháp vào giữa những năm 1930

LPG có từ hai nguồn gốc:

- Từ các quặng dầu và các mỏ dầu khí, được tách ra từ các thành phần khác trong quá trình chiết xuất từ dầu hoặc khí tự nhiên

- Còn là sản phẩm phụ trong quá trình tinh luyện dầu

LPG có thể hóa lỏng ở nhiệt độ bình thường bằng cách gia tăng áp suất vừa phải, hoặc ở áp suất bình thường bằng cách dùng kỹ thuật làm lạnh để làm giảm nhiệt

độ LPG là tên chung dùng cho propan và butan thương mại

1.4.2 Tính chất lý hóa của nhiên liệu LPG:

LPG là sản phẩm hydrocacbon có nguồn gốc từ dầu mỏ với thành phần chủ yếu

là C3H8 (Propan) và C4H10 (Butan) gồm: n-butane, iso-butane

Tùy 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 1.3: Công thức hóa học, cấu trúc phân tử của thành phần nhiên liệu LPG

Propane là một ankan thể khí có thể thu được trong quá trình tinh luyện dầu Propane thì không màu Công thức hóa học là CH3CH2CH3 Có thể được hóa lỏng khi nén hoặc làm lạnh

Butane là một hydrocacbon có trong khí thiên nhiên và có thể thu được từ quá trình tinh luyện dầu mỏ Là một ankan thể khí, gồm có các hydrocacbon chứa 4 nguyên tử cacbon, chủ yếu là n-butane và iso-butane

1.4.3 Tính chất của nhiên liệu LPG:

Về mặt lý thuyết, LPG chứa theo tỷ lệ phần trăm Propan trên phần trăm Butan

là 50-50 Được dùng chung như một hỗn hợp là do cả hai đều là alkane nên không xảy

ra phản ứng hóa học với nhau

Là một chất lỏng không màu (trong suốt), không mùi

LPG lỏng gây bỏng nặng trên da khi tiếp xúc trực tiếp, đặc biệt là với dòng LPG rò rỉ trực tiếp vào da

Có tỷ trọng nhẹ hơn nước: 0.53 ÷ 0.58 kg/lít 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

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 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 khuếch tán, hòa trộn với không khí thành hỗn hợp cháy nổ

LPG được bảo quản trong bình chứa như một chất lỏng có áp suất không cao (dưới 20 bars)

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 λ= 0,95 – 1 Đặc điểm diễn

biến quá trình cháy và các nhân tố ảnh hưởng cũng tương tự như đối với nhiên liệu xăng

1.4.4 Các ưu điểm của LPG so với nhiên liệu truyền thống:

Hỗn hợp LPG và không khí có đặc tính cháy sạch do khí LPG có thành phần hóa học tương đối ít

Đặc tính cháy sạch của LPG trong một động cơ thích hợp đã làm giảm bớt lượng khí thải, kéo dài tuổi thọ của dầu bôi trơn và bugi đánh lửa Sản phẩm từ quá trình 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, nhiên liệu LPG có trị số octan nghiên cứu cao hơn so với xăng không chì từ 5-12 đơn vị, 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

Do có tốc độ bay hơi nhanh, nhiên liệu LPG dễ dàng khuếch tán và hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp

Trong quá trình sử dụng, nhiên liệu LPG không làm ăn mòn các thiết bị liên quan, lại rất thông dụng và đa năng khi vận chuyển

Với những ưu điểm kể trên, nhiên liệu LPG có thể làm nhiên liệu thay thế cho các loại nhiên liệu như củi, than, , hạn chế việc phá hủy rừng và đặc biệt là nhiên liệu truyền thống của động cơ đốt trong là xăng và dầu Diesel Điều này đã góp phần khắc phục được tình trạng và nguy cơ cạn kiệt nhiên liệu truyền thống, đồng thời giảm phát thải ô nhiễm môi trường Thay thế cho chất nổ và chất làm lạnh f (fluorocarbons ), giúp hạn chế nguyên nhân gây phá hủy tầng ozon của trái đất

1.4.5 Các ứng dụng của nhiên liệu LPG:

Nhiên liệu LPG rất nhiều ứng dụng được chia làm 5 lĩnh vực thị trường chính: Lĩnh vực dân dụng và thương nghiệp: Nấu ăn, nấu nước nóng, sưởi ấm, đèn gas… trong các hộ dân, các cửa hàng ăn uống, các khách sạn …

Lĩnh vực công nghiệp và nông nghiệp: Sấy thực phẩm, nung gốm sứ, ấp trứng, hàn cắt, thanh trùng dụng cụ y tế, …

Lĩnh vực ô tô: LPG được biết như là loại nhiên liệu thay thế cho diesel và xăng

Vì thế, hiện nay đã có nhiều xe sử dụng LPG như là nguồn nhiên liệu cung cấp năng

lượng cho động cơ Trong thực tế việc sử dụng LPG thường mang lại cảm giác chạy

xe êm hơn, tiếng ồn thấp, đặc biệt trên các xe tải nặng Tuy nhiên các xe thương mại dùng LPG như một nguồn nhiên liệu hiện nay vẫn chưa được sản xuất

Lĩnh vực cung cấp năng lượng: Chạy máy phát điện, Turbin

Lĩnh vực hóa dầu: Sản xuất ethylene, propylene, butadiene cho ngành nhựa và đặc biệt là sản xuất MTBE là chất làm tăng chỉ số Octane

1.4.6 An toàn trong sử dụng và tồn trữ LPG:

Quá trình cháy của LPG sinh ra carbon dioxide(CO2) và hơi nước, nhưng phải

có đủ không khí Nhưng nếu hỗn hợp thiếu không khí, trong khi cháy có thể sinh ra khí độc là carbon monoxide(CO)

Hơi LPG thì dày đặc hơn không khí: butan thì nặng vào khoảng hai lần không khí và propan nặng khoảng 1.5 lần không khí Vì vậy hơi LPG có thể bay gần sát mặt đất và đi vào các đường cống rãnh, đầm lầy đến các nơi thấp nhất của môi trường xung quanh và bị đốt cháy ở khoảng cách xa từ nơi rò rỉ Trong không khí yên tĩnh, hơi LPG

sẽ phân tán rất chậm

Một cái bình rỗng, nhưng trước đó đã chứa LPG có thể vẫn còn LPG tồn tại ở thể hơi và do đó có những nguy hiểm tiềm ẩn Áp suất bên trong bình này xấp xỉ áp suất khí trời Nếu một cái van đang rò rỉ hoặc để ở trạng thái mở, không khí có thể khuếch tán vào trong bình chứa tạo thành một hỗn hợp có khả năng gây cháy và nổ rất nguy hiểm

1.4.7 So sánh khả năng ứng dụng LPG so với các loại nhiên liệu khí khác:

Các loại nhiên liệu khi dùng trên xe chủ yếu gồm 2 loại: khí thiên nhiên và khí đồng hành từ mỏ dầu

Khí thiên nhiên:

Là khí được khai thác từ các mỏ khí có sẵn trong tự nhiên Thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên là Methane (CH4) 80÷90% Khí thiên nhiên dùng làm nhiên liệu cho xe cộ dưới 3 dạng sau:

Khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas/CNG): khí được nén ở thể tích nhỏ hơn với một áp suất cao 250 bars và chứa trong một bình chứa chắc chắn Bình chứa chứa được 40 ÷50 lít khí

Khí thiên nhiên hóa lỏng (Liquefied Natural Gas/LNG): Khí được làm lạnh ở nhiệt độ -162o C, áp suất khoảng 8,9 bars để chuyển sang trạng thái lỏng và chứa trong các bình cách nhiệt

Khí thiên nhiên hấp thụ (Adsorbed Natural Gas/ANG): Khí thiên nhiên được chứa dưới dạng hấp thụ trong các vật liệu đặc biệt (như ống mao dẫn Cacbon hoạt tính) ở áp suất 30÷40 bars

Ở hai loại sau, do khí được chứa ở áp suất không cao nên các bình chứa không đòi hỏi khắt khe như đối với khí thiên nhiên nén

Khí đồng hành từ dầu mỏ:

Ở các mỏ dầu luôn luôn có loại khí này Khi khai thác dầu mỏ, người ta sẽ thu được khí này trước, do chúng nằm phía trên mỏ Thành phần chủ yếu của khí đồng hành là Propane và Butane với tỉ lệ: 50/50, 60/40, 70/30 Khí đồng hành được dùng làm nhiên liệu dưới dạng khí hoá lỏng (Liquefied Petroleum Gas/ LPG) Khí đồng hành hóa lỏng được chứa trong các bình có áp suất thấp (dưới 20 bars)

Ưu điểm của việc sử dụng khí LPG so với các loại khí khác:

Nguồn khí LPG có sẵn tại các mỏ dầu Việt Nam với trữ lượng lớn và khả năng sản xuất LPG lớn (nhà máy khí Dinh Cố 300.000 tấn/năm)

Áp suất sử dụng thấp hơn (20 bars) Trong khi các loại khí khác đòi hỏi một áp suất rất cao, do đó cần phải dùng các thiết bị nén khí đặc biệt, tốn kém

Do LPG ở áp suất thấp hơn nên việc sản xuất và sử dụng đơn giản, cấu tạo bình chứa đơn giản và rẻ tiền hơn

Các động cơ sử dụng nhiên liệu LPG ở dạng khí nên không làm loãng lớp màng dầu nhờn bôi trơn trên bề mặt tiếp xúc của các cặp chi tiết làm việc như piston – xy lanh, trục khuỷu – thanh truyền, làm tăng hiệu quả bôi trơn, tăng thời gian sử dụng dầu nhờn đồng thời cũng làm tăng tuổi thọ của động cơ lên gấp 2 – 2,5 lần so với động cơ

sử dụng nhiên liệu lỏng

KẾT LUẬN: Từ các ưu điểm trên ta thấy việc sử dụng LPG sẽ mang lại hiệu

quả cao hơn so với các loại khí thiên nhiên khác Do đó, trong đề tài này chúng ta sẽ

sử dụng LPG để làm nhiên liệu ứng dụng trên xe

Đặc điểm công tác của động cơ chạy bằng nhiên liệu khí: Những khái niệm cơ

bản về quá trình công tác của động cơ chạy bằng nhiên liệu khí hoàn toàn giống như động cơ Diesel và xăng

1.4.8 Sản xuất nhiên liệu LPG:

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 Mỹ là nước có sản lượng đứng đầu thế giới với 54,6 triệu tấn chiếm đến 20% lượng sản xuất trên thế giới vào năm 2012

Hình 1.4: Top 10 quốc gia hàng đầu trên thế giới về sản xuất LPG (2012)

Và Mỹ cũng là nước có lượng tiêu thụ khí LPG đứng đầu thế giới với hơn 2300 thùng mỗi ngày

Hình 1.5: Top 10 nước tiêu thụ khí LPG trên thế giới

Hình 1.6: Bản đồ tiêu thụ khí LPG trên thế giới

Hình 1.7: Mức tiêu thụ khí LPG trên thế giới qua từng năm

Tình hình sản xuất, sử dụng 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 26 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 Bunga Kekwa - 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, nhà máy điện Bà Rịa

- Vũng Tàu, đồng thời xây dựng nhà máy khí Dinh Cố tại Bà Rịa cung cấp LPG phục vụ cho công nghiệp và dân dụng

Nhu cầu sử dụng LPG tại Việt Nam những năm gần đây gia tăng một cách nhanh chóng: 50.000 tấn (1991), 305.000 tấn (2000), 1,2 triệu tấn (2010), 1,4 triệu tấn (2015) và dự báo năm 2020 đạt 2 triệu tấn

Tuy nhiên ở nước ta, LPG vẫn chủ yếu sử dụng làm chất đốt, việc sử dụng LPG cho các phương tiện giao thông vận tải chưa đáng kể

1.5 Đặc điểm chung của động cơ sử dụng LPG

Momen và công suất: động cơ sử dụng LPG thấp hơn khoảng 10% so với động

cơ xăng cùng cỡ do các yếu tố sau:

Nhiệt trị thể tích của hỗn hợp không khí/ xăng lớn hơn nhiệt trị thể tích của hỗn hợp không khí/ LPG khoảng 3% ÷ 5%

Đặc tính của hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG Khi phun LPG dạng khí vào đường nạp qua họng Venturi làm giảm hệ số nạp và gây xáo trộn động lực học trên đường nạp do đó làm giảm momen và công suất động cơ Khi phun LPG dạng lỏng sẽ bốc hơi trên đường nạp làm giảm nhiệt độ khí nạp và tăng khối lượng riêng của hỗn hợp, hệ số nạp được cải thiện hơn do đó khắc phục phần nào sự giảm momen và công suất động cơ

Suất tiêu hao nhiên liệu tính theo thể tích và theo khối lượng nhiên liệu của động cơ LPG so với động cơ xăng như sau: thực tế nếu so sánh năng lượng tiêu hao

trên 100km hành trình (J/100km) thì nhiên liệu LPG thấp hơn động cơ xăng khoảng vài phần trăm Điều này là do sự lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG mới có khả năng phun nhiên liệu với độ chính xác cao Mặt khác, nếu LPG giàu Propan (C3H8) với chỉ số Octan của nó rất cao do đó có thể tăng chỉ số nén động cơ nên suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm

Về môi trường: Động cơ sử dụng LPG phát sinh ít ô nhiễm Sự phát sinh ô

nhiễm trong khí xả động cơ LPG giảm đi rất đáng kể so với động cơ xăng

Đồng thời nồng độ NOx giảm, đặc biệt khi động cơ hoạt động ở khu vực gần đầy tải, điều này là do nhiệt độ màng lửa nhiên liệu LPG thấp hơn màng lửa xăng Còn mức độ phát sinh HC thấp chủ yếu do LPG bay hơi rất dễ dàng, lượng nhiên liệu bám trên thành buồng cháy thấp và lượng nhiên liệu hấp thụ bởi dầu bôi trơn thấp, HC trong khí xả động cơ LPG chủ yếu là Hydrocarbure nhẹ (C3 ÷ C4) ít độc hơn Hydrocarbure nặng trong khí xả động cơ xăng và diesel

Vấn đề an toàn: Trong hệ thống nhiên liệu LPG có rất nhiều thiết bị an toàn cả

về mặt cơ khí lẫn điện tử để đảm bảo an toàn trong khi động cơ hoạt động lẫn không hoạt động và khi xảy ra tai nạn Các van an toàn tự động đóng, ngắt hệ thống nhiên

liệu LPG và hệ thống này hoàn toàn bị khóa kín với môi trường không khí bên ngoài Các sự cố rò rỉ trên đường ống nếu có cũng làm toàn bộ hệ thống LPG tự động khóa kín lại

Vấn đề tuổi thọ động cơ: Do LPG có đặc tính kỹ thuật như tính chống kích nổ

cao, không có chì, sản phẩm cháy không có muội than, không có hiện tượng đóng màng nên động cơ làm việc với nhiên liệu LPG ít gây kích nổ hơn động cơ xăng Do không có các hạt chì hoặc các hạt muội than đọng lại trong thành xylanh, cửa xupap nạp, thải nên không gây mài mòn xylanh, piston, sec-măng, xupap, đế xupap Một vấn

đề quan trọng là động cơ xăng hay có hiện tượng hơi xăng hình thành trong buồng cháy, có tác hại rửa sạch các màng dầu bôi trơn và có khuynh hướng lọt xuống cacte làm dầu bôi trơn giảm khả năng bôi trơn, trong khi LPG không có hiện tượng này Chính vì những lý do này nên LPG cho phép kéo dài tuổi thọ động cơ hơn nhiên liệu xăng khi sử dụng động cơ ở cùng một chế độ hoạt động

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG

NHIÊN LIỆU KÉP XĂNG-LPG

Sau các kết luận được rút ra từ Chương 1, ta có thể thấy những nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí, nhất là đối với nhiên liệu LPG trong động cơ Xăng như một loại nhiên liệu kép Xăng-LPG với cách thức cung cấp và tạo hỗn hợp đồng nhất của nhiên liệu khí LPG-không khí từ bên ngoài vào xilanh còn nhiên liệu Xăng được sử dụng làm nhiên liệu phun mồi đang ngày càng được nghiên cứu và quan tâm

Mục đích của việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu kép trong động cơ Xăng là để giảm phát thải khói bụi và thay thế một phần nhiên liệu Xăng truyền thống đang ngày càng cạn kiệt Tuy nhiên, để đạt được mục đích này khi sử dụng nhiên liệu LPG trong động cơ Xăng cần phải hiểu rõ sự hình thành hỗn hợp và cháy của nhiên liệu kép này trong động cơ vì quá trình cháy trong động cơ nhiên liệu kép khí LPG - Xăng rất phức tạp Do đó, việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết để có cái nhìn toàn diện về bản chất của các quá trình này trong động cơ nhiên liệu kép LPG - Xăng là rất cần thiết, để thực hiện hiệu quả việc nghiên cứu chuyển đổi động cơ chạy xăng hiện hành sang sử dụng nhiên liệu kép LPG - Xăng

Đối tượng được tiến hành thực nghiệm là động cơ Vios 1NZ-FE, được lắp đặt

hệ thống cung cấp - chuyển đổi, hệ thống điều khiển, hệ thống phân phối khí Mô hình được xây dựng nhằm mục đích:

- Xây dựng và phát triển các mô hình biểu diễn các quá trình tạo hỗn hợp, quá trình cháy và hình thành phát thải của động cơ nhiên liệu kép LPG - Xăng

- Đánh giá đặc tính kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ và xác định tỷ lệ LPG thay thế hợp lý và các thông số điều chỉnh tối ưu cho động cơ

- Cung cấp những bộ số liệu tính toán làm cơ sở cho việc nghiên cứu thực nghiệm để chuyển đổi động cơ Xăng hiện hành thành động cơ sử dụng nhiên liệu kép LPG - Xăng một cách hiệu quả

Việc cải tiến chuyển từ động cơ xăng sang dùng khí LPG: Thay đổi bộ chế hòa khí, giữ nguyên hệ thống đánh lửa, tang tỉ số nén, Tỷ số nén là một trong những thông số động lực quan trọng, ảnh hưởng rất nhiều đến các chỉ tiêu kinh tế và công suất của động cơ Về mặt lý thuyết khi tang tỉ số nén thì công suất về kinh tế của động

cơ sẽ tăng Nhưng trong thực tế do không tránh khỏi tổn thất cơ giới tăng nên tăng tỉ số nén chỉ có lợi trong phạm vi nhất định Đối với động cơ giới hạn tỉ số nén được quy định bởi hiện tượng kích nổ và phụ thuộc vào tính chất chống kích nổ của nhiên liệu đặc trưng bằng hằng số Octan Trong những điều kiện khác nhau nhiên liệu có chỉ số Octan càng lớn thì tỉ số nén chọn cho động cơ có thể càng cao Do đó, nhiên liệu LPG

có chỉ số Octan cao hơn xăng, nên khi chuyển động cơ xăng sang dùng LPG chúng ta nên tăng tỉ nén của động cơ

2.1 Tổng quan động cơ 1NZ-FE

2.1.1 Thông số động cơ 1NZ-FE

Động cơ 1NZ-FE của TOYOTA sản xuất được lắp trên xe TOYOTA Vios là loại động cơ xăng thế hệ mới với 4 xy lanh thẳng hàng, dung tích xy lanh 1497 cm3 Trục cam kép DOHC 16 valve được dẫn động bằng xích với hệ thống valve nạp biến thiên thông minh VVT-i

Động cơ 1 NZ - FE có công suất 79 [KW] tương ứng với 106 [Hp] tại số vòng quay trục khuỷu là 6000 [rpm] với hệ thống đánh lửa điện tử và hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp điều khiển bằng ECU

Bảng 2.1: Thông số động cơ 1NZ-FE

Tên động cơ 1NZ-FE 1.5L (Toyota Vios)

Cơ cấu phân phối khí 16 Valve- DOHC, dẫn động xích với VVT-i

Hệ thống đánh lửa Hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS

(Direct Ignition System)

Hệ thống nạp nhiên liệu EFI (Phun nhiên liệu điện tử)

Công suất cực đại tại số vòng quay 79kW@6000rpm(106 HP @ 6000 rpm)

Mô men cực đại tại số vòng quay 139Nm@4200rpm(103ft lbf@4200 rpm) Thời gian

Thời gian tăng tốc từ 0 – 100 Km/h 10 giây

2.1.2 Cảm biến lưu lượng khí nạp MAF:

Hình 2.2: Sơ đồ mạch điện cảm biến MAF

Cảm biến lưu lượng khí nạp (MAF) dùng để đo lượng không khí đi qua bướm

ga ECM sẽ sử dụng thông tin này để xác định thời gian phun nhiên liệu và cung cấp một tỷ lệ không khí - nhiên liệu chính xác Bên trong của cảm biến MAF có một dây Platin tiếp xúc với dòng khí nạp

Bằng cách cấp một cường độ dòng điện đến dây, ECM sấy nóng dây đến một nhiệt độ nhất định Dòng không khí đi qua làm nguội cả dây sấy và nhiệt điện trở bên trong, ảnh hưởng đến điện trở của chúng Để duy trì một giá trị dòng điện không đổi, ECM thay đổi điện áp cấp đến những bộ phận này trong cảm biến MAF Giá trị điện

áp tỷ lệ thuận với luồng khí nạp đi qua cảm biến ECM sẽ hiểu điện áp này như là lượng khí nạp

2.1.3 Cảm biến nhiệt độ khí nạp IAT:

Hình 2.3: Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ khí nạp

Cảm biến nhiệt độ khí nạp (IAT) lắp bên trong cảm biến lưu lượng khí nạp (MAF) để theo dõi nhiệt độ khí nạp Một nhiệt điện trở nằm trong cảm biến sẽ thay đổi

nhiệt điện trở lớn và ngược lại, sự thay đổi điện trở này được phản ánh dưới dạng sự thay đổi điện áp đến ECU, nguồn đến cảm biến là nguồn 5V

Khi điện trở của cảm biến thay đổi thì điện áp từ cực THA sẽ thay đổi theo Bộ

xử lý dùng tín hiệu THA để nhận biết nhiệt độ không khí nạp

2.1.4 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát:

Hình 2.4: Sơ đồ mạch điện cảm biến nước làm mát

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát nhận biết nhiệt độ nước làm mát của động cơ bằng nhiệt điện trở Về cấu tạo là một chất bán dẫn có trị số nhiệt điện trở âm, nhiệt độ làm việc của cảm biến là 80oC Cảm biến nhiệt độ nước làm mát có 2 cực THW và một cực nối ETHW

Nguồn cấp điện cho cảm biến là nguồn 5V cung cấp qua một điện trở Khi nhiệt

độ nước làm mát thay đổi thì điện trở của biến trở cũng thay đổi theo Bộ vi xử lý nhận điện áp tại cực THW để xác định nhiệt độ làm việc của động cơ ECU nhận tín hiệu nhiệt độ nước làm mát để điều khiển lượng phun nhiên liệu, thời điểm đánh lửa sớm, điều khiển tốc độ cầm chừng theo nhiệt độ nước làm mát Khi nhiệt độ nước làm mát dưới 80oC, lúc này ECU sẽ điều khiển tăng tốc độ cầm chừng, tăng lượng nhiên liệu phun, và tăng góc đánh lửa sớm

2.1.5 Cảm biến vị trí bướm ga:

Hình 2.5: Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bướm ga

Hình 2.6: Cấu tạo cảm biến bướm ga và đồ thị quan hệ giữa điện áp-góc mở

Cảm biến vị trí bướm ga sử dụng trên động cơ 1NZ-FE là cảm biến kiểu phần

tử Hall được cấu tạo gồm hai IC Hall nguồn cung cấp là 5V từ ECU đến cực VC và nam châm quay quanh nó, khi bướm ga mở thông qua trục bướm ga sẽ làm cho các nam châm xoay theo làm cho vị trí của chúng thay đổi theo, do đó mật độ từ thông cũng thay đổi theo, do vậy điện áp tín hiệu VTA1 và VTA2 xác định độ mở bướm ga cũng thay đổi theo Khi góc mở bướm ga càng lớn thì lượng từ thông qua Hall càng tăng, tín hiệu điện áp gửi về ECU tăng theo quy luật đường thẳng

2.1.6 Cảm biến kích nổ:

Hình 2.7: Sơ đồ mạch điện cảm biến kích nổ

Khi xảy ra hiện tượng kích nổ, áp suất trong các xi lanh động cơ tăng nhanh đột ngột ở lân cận điểm chết trên, làm công suất và hiệu suất động cơ giảm gây ảnh hưởng đến tuổi thọ động cơ Để khắc phục hiện tượng kích nổ trên động cơ được bố trí cảm biến kích nổ, cảm biến kích nổ này được lắp trên thân máy và nhận biết tiếng gõ của động cơ Cảm biến này bao gồm một phần tử áp điện, nó sẽ phát ra một điện áp khi bị biến dạng, hiện tượng này xảy ra khi thân máy rung động do tiếng gõ Nếu tiếng gõ

xảy ra thì thời điểm đánh lửa sẽ được ECU điều khiển muộn lại để ngăn chặn hiện tượng đó

2.1.7 Cảm biến vị trí trục khuỷu CKP – trục cam CMP:

Hình 2.8: Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục khuỷu–trục cam

Cảm biến vị trí trục khuỷu dùng cảm biến điện từ kiểu rôto quay Cảm biến vị trí trục khuỷu được đặt tại đầu trục khuỷu, gồm một rôto và một cuộn nhận tín hiệu Cuộn nhận tín hiệu lắp cố định gồm một cuộn dây và một nam châm vĩnh cửu được lắp trên một khung từ Rôto được nắp ở đầu trục khuỷu có 34 răng mỗi răng ứng với

10o góc quay trục khuỷu, trên rôto có khuyết hai răng để xác định vị trí xy lanh số 1

Khi trục khuỷu quay làm rôto của cảm biến quay theo, khi rôto quay các răng của rôto quét qua cuộn tín hiệu làm từ thông đi qua cuộn dây thay đổi, sẽ tạo ra sức điện động trong cuộn dây dạng xung xoay chiều gửi về ECU để báo tốc độ động cơ qua đó tính toán tìm góc đánh lửa tối ưu và lượng nhiên liệu sẽ phun cho từng xy lanh, mỗi vòng quay của trục khuỷu sẽ có 34 xung gửi về ECU

Hình 2.9: Vị trí cảm biến trục khuỷu và tín hiệu NE