TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNGBỘ MÔN KỸ THUẬT Ô TÔ BÁO CÁO KẾT THÚC HỌC PHẦN NĂNG LƯỢNG MỚI SỬ DỤNG TRÊN Ô TÔ Chủ đề: Sử dụng nhiên liệu LPG cho động cơ đánh lửa cưỡng
Khái quát về khí hóa lỏng (LPG)
Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) là loại khí hydrocarbon có 3 hoặc 4 nguyên tử cacbon, đóng vai trò là sản phẩm trung gian giữa khí tự nhiên và dầu thô LPG có thể được thu được từ quá trình lọc dầu hoặc tinh chế khí thiên nhiên.
LPG được sản xuất từ hai nguồn chính: mỏ dầu và khí đốt, thông qua quá trình tách biệt các thành phần trong chiết xuất dầu hoặc khí tự nhiên Ngoài ra, LPG còn là sản phẩm phụ của quá trình tinh chế.
LPG có thể được hóa lỏng ở nhiệt độ thường bằng cách tăng áp suất hoặc sử dụng kỹ thuật làm lạnh để giảm nhiệt độ Thành phần của khí hóa lỏng thường bao gồm propan và butan, được trộn theo các tỷ lệ như 30:70, 40:60 hoặc 50:50.
Phân loại LPG
Khí hóa lỏng chủ yếu được phân loại theo sự khác biệt về độ tinh khiết (hàm lượng propan và butan) hoặc tỷ lệ thành phần propan và butan
+ LPG sạch: Được sản xuất tại các nhà máy lọc dầu công nghệ cao, không chứa tạp chất và có giá thành tương đối cao
LPG chất lượng thấp được sản xuất từ các nhà máy lọc dầu sử dụng công nghệ cũ, thường chứa tạp chất như olefin và có giá thành rẻ hơn.
+ LPG hỗn hợp: Được tạo ra bằng cách bổ sung một lượng lớn khí tạp chất kém chất lượng và được bán với giá rất thấp.
Nguồn gốc LPG
LPG là sản phẩm tự nhiên có mặt trong các giếng dầu và khí đốt, đồng thời cũng được sản xuất tại các nhà máy lọc dầu Nguyên liệu chính để sản xuất LPG là khí tự nhiên, được khai thác từ các mỏ dầu hoặc từ quá trình chế biến dầu thô Quy trình sản xuất LPG bao gồm một loạt các bước quan trọng.
Tinh chế khí là quá trình loại bỏ tạp chất thông qua các phương pháp như lắng và lọc Sau khi hoàn tất quá trình này, khí thô còn lại chủ yếu chứa các hydrocacbon như ethane, propan và butan.
Tách khí là quá trình cần thiết để phân tách hỗn hợp khí thô, nhằm phục vụ cho các mục đích sử dụng khác nhau Các phương pháp tách khí bao gồm hơi nước, hấp thụ, làm mát giai đoạn và làm mát giãn nở khí Hệ thống dây chuyền tách khí có khả năng sản xuất propan và butan với độ tinh khiết cao, đạt nồng độ từ 96% đến 98%.
Pha trộn khí LPG trên thị trường Việt Nam hiện có nhiều tỷ lệ khác nhau, phổ biến nhất là 30:70, 40:60 và 50:50 Tỷ lệ 30:70 và 40:60 thường được sử dụng trong sinh hoạt hàng ngày, trong khi tỷ lệ 50:50 được ưa chuộng trong ngành công nghiệp, phục vụ cho sản xuất thủy tinh, pin, và cơ khí đóng tàu.
Khi LPG chuyển hóa từ chất lỏng sang khí, nó có độ giãn nở rất cao, với 1 lít khí lỏng tương đương khoảng 250 lít khí Vì lý do này, các bồn chứa LPG không được phép đầy hoàn toàn, mà chỉ được quy định chứa từ 80% đến 85% dung tích của chúng.
Việc sản xuất LPG không khó, nhưng vấn đề lưu trữ luôn là thách thức do chi phí xây dựng bồn chứa cao, khoảng 60 tỷ đồng cho kho chứa 1.000 tấn Bồn chứa LPG phải tuân thủ tiêu chuẩn ISO 6486-1999 hoặc ISO 7441-2004 Kho chứa LPG của PVGas Việt Nam có công suất lớn nhất cả nước, lên đến 7.000 tấn, nhưng chỉ có hai tàu có thể bơm trong vài ngày Do kho bãi hạn chế, các công ty thường ngại ký hợp đồng nhập khẩu dài hạn với số lượng lớn, dẫn đến tình trạng thiếu ổn định trong thị trường và biến động giá LPG trong nước so với thế giới.
Thành phần hóa học của khí hóa lỏng LPG
Khí dầu mỏ hóa lỏng chủ yếu bao gồm các hydrocacbon bão hòa thuộc họ ankan, trong đó có propan (C3H8) và butan (C4H10), được nén theo tỷ lệ nhất định.
Thành phần của khí LPG không đồng nhất và tỷ lệ các chất trong LPG có thể thay đổi tùy theo quy định của từng quốc gia, với các tỷ lệ phổ biến như 50/50, 30/70 hoặc thậm chí lên tới 95/5.
Tuy nhiên, trên thực tế, ngoài thành phần chính là propan và butan, nhiên liệu LPG còn chứa các thành phần khác như: isobutane, butene, propene, mecaptan
Isobutane là đồng phân của butan có cùng công thức phân tử C4H10 nhưng có công thức cấu trúc khác nhau
Propene (C3H6) và butene (C4H8) là các hydrocacbon không no thuộc họ anken.
Mecaptan là chất tạo nên màu sắc đặc trưng cho LPG, vì LPG thường không màu và không mùi.
Propane là một hydrocarbon dạng khí, không màu, có công thức phân tử là C3H8 (CnH2n + 2) và công thức hóa học là CH3CH2CH3 Nó được thu được từ quá trình lọc dầu và có thể hóa lỏng khi được nén và làm lạnh.
Phương trình cháy hỗn hợp Propan (C3H8)/không khí:
Tỷ lệ hỗn hợp khối lượng không khí/khối lượng nhiên liệu (A/F) cần thiết cho sự cháy hoàn toàn đối với Propan là 15,6/1.
Bảng 1 Thông số lý hóa của Propan
Khối lượng riêng ở 15 o C 0,51 kg/lít
Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển - 43 o C
Nhiệt trị thấp PCI 46,1 MJ/kg
Nhiệt độ tự bốc cháy ở áp suất khí quyển 460 580 o C
Vận tốc ngọn lửa ở áp suất khí trời 46 85 cm/s
Giới hạn cháy theo % thể tích 2,37 9,5%
Butan là một hydrocacbon ankan với công thức hóa học C4H10, có mặt trong khí tự nhiên và được sản xuất từ quá trình tinh chế dầu mỏ Nó bao gồm hai dạng chính là n-butan và isobutan, với cấu trúc gồm 4 nguyên tử cacbon.
(CnH2n + 2) và có công thức cấu tạo như sau:
Phương trình cháy của hỗn hợp Butan (C4H10)/không khí:
Tỷ lệ hỗn hợp khối lượng không khí/khối lượng nhiên liệu (A/F) cần thiết cho sự cháy hoàn toàn đối với Butan là 15,45/1.
Bảng 2 Thông số lý hóa của Butan
Khối lượng riêng 0,58 kg/lít
Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển - 0,5 o C
Nhiệt trị thấp 45,46 MJ/kg
Nhiệt độ tự bốc cháy ở áp suất khí quyển 410 550 o C
Vận tốc ngọn lửa ở áp suất khí trời 40 87 cm/s
Giới hạn cháy theo % thể tích 1,86% 8,41%
Tính chất vật lý của LPG
LPG là chất lỏng không màu (trong suốt), không mùi (nhưng có mùi thơm để phát hiện rò rỉ dễ dàng hơn)
Nó có khối lượng riêng thấp hơn nước: 0,53 + 0,58 kg/lít Áp suất tuyệt đối của khí lỏng trong bình là:
LPG được lưu trữ trong bể dưới dạng chất lỏng với áp suất thấp (dưới 20 bar), trong đó có hai trạng thái: hơi và lỏng, với chất lỏng nằm ở đáy bình và hơi ở trên cùng Để đảm bảo an toàn, cần duy trì mức LPG chiếm khoảng 80% thể tích bể, vì độ giãn nở của LPG khoảng 0,25%, phần còn lại của bể sẽ dành cho sự giãn nở của hơi nước do nhiệt độ môi trường.
Tỷ số bén lửa từ 2,4% đến 9.6% trong không khí.
Nhiệt độ tự bốc cháy là 855°F (457°C).
Nhiệt trị thấp: QH = 46 MJ/kg (tương đương 11.000 kcal) Tỷ số không khí-nhiên liệu A/F: 15,5.
LPG không độc hại nhưng việc hít phải với lượng lớn có thể dẫn đến ngộ độc hoặc ngạt thở Ngoài ra, việc thải LPG ra môi trường cũng rất nguy hiểm do tính dễ cháy của nó Cần lưu ý rằng một lít khí hóa lỏng khi ở trạng thái lỏng có thể bay hơi thành khoảng 250 lít ở trạng thái hơi.
Ô nhiễm môi trường đang trở thành vấn đề nghiêm trọng, và động cơ sử dụng LPG nổi bật với khả năng ít gây ô nhiễm hơn So với động cơ xăng, động cơ LPG tạo ra lượng chất ô nhiễm trong khí thải giảm đáng kể, góp phần giảm tác động tiêu cực của giao thông vận tải tới môi trường.
So sánh mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ dùng xăng và LPG
Bảng 3 Tính chất vật lý của LPG Đặc tính Propan Butan
Khối lượng riêng ở 15 o C 0,51 Kg/lít 0,58 Kg/lít
Nhiệt độ tự bốc cháy 460 580 o C 410 550 o C
Nhiệt trị thấp 25,5 MJ/lít 28,7 MJ/lít
Nhiệt trị thấp 11070 Kcal/kg 10920 Kcal/kg
Nhiệt trị thấp 46,1 MJ/kg 45,46 MJ/kg
Giới hạn cháy theo % thể tích 2,37 9,5% 1,86%
Số lít trên mỗi tấn 1960 lít/tấn 1720 lít/tấn
Số octan động cơ 101 MON 93 MON
Số octan thí nghiệm 111 RON 103 RON
Vận tốc ngọn lửa ở áp suất khí trời 46 85 cm/s 40 87 cm/s
Bảng 4 So sánh nhiên liệu LPG với nhiên liệu khác Đặc tính Propan Butan Xăng Diesel
Khối lượng riêng ở 15 o C, Kg/lít 0,51 0,584 0.73
Số octan động cơ, MON 101 93 85 87 -
Số octan thí nghiệm, RON 111 103 96 98 -
Nhiệt trị thấp, MJ/lít 23,42 26,55 32,24 35,2
Chỉ số octan của nhiên liệu LPG
Nhiên liệu LPG nổi bật với chỉ số octan nghiên cứu (RON) cao, có thể đạt tới 98, và chỉ số octan động cơ (MON) của nó cũng vượt trội hơn so với xăng.
Bảng 5 Chỉ số octan của một số chất
Các ưu điểm của khí hóa lỏng LPG
Thành phần hóa học của LPG thấp, cho phép thiết lập tỷ lệ hỗn hợp không khí-nhiên liệu chính xác, từ đó đảm bảo quá trình đốt cháy hoàn toàn Điều này mang lại ưu điểm về tính chất cháy sạch của LPG.
Cả propan và butan đều có khả năng hóa lỏng dễ dàng và được lưu trữ trong bình áp suất, giúp nhiên liệu này trở nên cơ động và thuận tiện cho việc vận chuyển đến tay người tiêu dùng trong các thùng hoặc bồn chứa.
LPG là một sự lựa chọn tuyệt vời thay thế cho xăng trong động cơ xăng, nhờ vào đặc tính cháy sạch của nó Việc sử dụng LPG giúp giảm thiểu lượng khí thải và giảm ô nhiễm môi trường.
Hoạt động ổn định của LPG với ít cặn carbon và chu kỳ thay dầu bôi trơn dài giúp kéo dài tuổi thọ của dầu bôi trơn và bugi đánh lửa Đặc tính cháy sạch và dễ vận chuyển của LPG cung cấp giải pháp thay thế hiệu quả cho nhiên liệu sinh hoạt như gỗ, than và vật liệu hữu cơ khác, góp phần hạn chế nạn phá rừng và giảm lượng chất thải rắn nguy hại vào khí quyển.
Thay thế chất nổ và chất làm lạnh (hydrofluorocarbon), giúp hạn chế nguyên nhân phá hủy tầng ozone của Trái đất.
Nhược điểm khí hóa lỏng LPG
Bồn chứa nhiên liệu LPG được thiết kế với thành dày hơn và thể tích lớn hơn do phải chịu áp suất cao, đồng thời yêu cầu kỹ thuật khắt khe hơn so với bồn chứa xăng và dầu diesel.
LPG có mật độ năng lượng thấp hơn so với xăng và dầu diesel, và cơ sở hạ tầng cung cấp LPG hiện vẫn còn hạn chế, gây khó khăn trong việc tiếp nhiên liệu cho động cơ.
Thói quen tiêu thụ nhiên liệu mới còn hạn chế
Các biện pháp khuyến khích sử dụng nhiên liệu mới để giảm ô nhiễm và giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch trên toàn cầu vẫn còn rất hạn chế.
Ứng dụng của khí hóa lỏng LPG
LPG được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như sau:
Dân dụng: Đối với ứng dụng dân dụng, LPG được nạp vào bể để đáp ứng nhu cầu của con người như: gia đình, nhà hàng nhỏ.
Bình áp lực chứa LPG được phép lưu thông và sử dụng khi đạt áp suất vận hành từ 7kg-9kg/cm2, đã được cơ quan quản lý nhà nước kiểm định và cấp giấy chứng nhận an toàn.
Bình gas 12 kg chủ yếu phục vụ nhu cầu của người tiêu dùng cá nhân, như các hộ gia đình, quán ăn nhỏ và các hộ sản xuất nhỏ cần sử dụng nhiên liệu gas trong sinh hoạt hàng ngày.
LPG được cung cấp trong các thùng chứa có trọng lượng từ 20kg đến 45kg, phục vụ cho nhu cầu sử dụng của nhà hàng, khách sạn, trường học, bếp ăn cộng đồng và các nhà máy từ nhỏ đến lớn.
LPG được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như làm nhiên liệu cho ngành thực phẩm, sản xuất giấy, nhựa dẻo, và cả trong sản xuất chất nổ Nó cũng được sử dụng để vận hành tua-bin điện, sản xuất chất làm lạnh, và làm nguyên liệu cho các sản phẩm hóa chất Trong nông nghiệp và dân dụng, LPG phục vụ cho việc sấy nông sản, sưởi ấm, nấu ăn, và làm nhiên liệu cho phương tiện giao thông.
Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) đang dần trở thành một lựa chọn thay thế cho nhiên liệu truyền thống như xăng và dầu, được coi là nhiên liệu "xanh" Tuy nhiên, việc áp dụng khí lỏng trong lĩnh vực vận tải vẫn còn hạn chế Các thử nghiệm cho thấy việc sử dụng bộ chuyển đổi LPG cho xe taxi có thể tiết kiệm chi phí từ 25 đến 29% so với việc sử dụng xăng.
2 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG LPG CHO ĐỘNG CƠ XĂNG
Các nghiên cứu nước ngoài
M Gumus đã tiến hành thử nghiệm trên cùng một động cơ với tốc độ 3800 vòng/phút, thay đổi tỷ lệ LPG từ 25% đến 100% và tải từ 5% đến 90% Kết quả cho thấy hệ số nạp (ηv) giảm khi tăng tỷ lệ LPG, nhưng khí thải giảm đáng kể so với khi động cơ chạy bằng xăng, đồng thời phát thải khí nhà kính cũng giảm nhanh chóng khi sử dụng LPG làm nhiên liệu.
Hình 1 Hệ số nạp thay đổi theo BMEP Hình 2 Hiệu suất nhiệt thay đổi theo
Hình 3 CO 2 thay đổi theo BMEP Hình 4 HC thay đổi theo BMEP
Nghiên cứu của Sanjay Dbisen và Yogesh R Suple về ảnh hưởng của việc phun LPG vào buồng đốt của động cơ 4 thì xi-lanh đơn cho thấy rằng mức tiêu hao nhiên liệu giảm khi công suất tăng so với xăng Thí nghiệm được thực hiện ở tốc độ 400 vòng/phút và tải biến thiên, cho thấy LPG có giá trị BTE cao hơn xăng, mặc dù hiệu suất nạp của LPG lại thấp hơn.
Thirumal Mamidi và J.G Suryannshi đã tiến hành nghiên cứu về động cơ đơn 4 kỳ sử dụng nhiên liệu LPG với tải biến thiên và các tỉ số nén 4,67:1 và 5,49:1 Kết quả cho thấy LPG tiêu tốn nhiên liệu nhiều hơn xăng ở cả hai tỉ số nén, trong khi khả năng tiêu hao năng lượng của LPG chỉ cao hơn một chút so với xăng nhiệt Giá trị hiệu suất nhiệt (BTE) của xăng cũng cao hơn LPG ở cả hai tỉ số nén Đáng chú ý, nồng độ CO, CO2 và hydrocarbon không cháy của LPG hiện tại thấp hơn so với xăng.
Hakan Ozcan và Jehad A.A Yamin đã nghiên cứu hiệu quả của việc thay đổi chiều dài hành trình piston và tỷ số nén của động cơ, thực hiện mô phỏng trên động cơ cháy cưỡng bức sử dụng LPG Kết quả cho thấy công suất tăng từ 7-54% ở tốc độ thấp và 7-57% ở tốc độ cao khi hành trình piston thay đổi, trong khi mức tiêu hao nhiên liệu giảm khoảng 6% và tăng 3% ở tốc độ cao Mức độ nhiễm bẩn cũng thay đổi, tăng từ 0,65% lên 2% ở tốc độ thấp, trong khi ở tốc độ cao, hành trình piston lớn giúp giảm nhiễm bẩn khoảng 5% và hành trình thấp giảm khoảng 2%.
Baris Erkus, Ali Surmen và M Ihsari Karmangil đã nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống phun LPG điện tử hỗn hợp đến đặc tính động cơ cháy cưỡng bức, thực hiện thử nghiệm ở tốc độ 2000 - 4000 vòng/phút với độ mở bướm ga 25% và 45% Kết quả cho thấy, ở bướm ga 25%, công suất có ích thu được khi phun LPG đạt 99,52% và 84,84% so với xăng và LPG chế hòa khí ở 3500 vòng/phút Tại bướm ga 50%, công suất động cơ phun LPG luôn cao hơn LPG chế hòa khí ở tốc độ 3000 vòng/phút trở lên Hệ số nạp cũng cải thiện rõ rệt khi phun LPG so với LPG chế hòa khí tại các mức mở bướm ga 25% và 50% Mức tiêu hao nhiên liệu khi phun LPG thấp hơn ở cả hai vị trí bướm ga, ngoại trừ ở tốc độ 2500 vòng/phút với độ mở bướm ga 25%.
Nghiên cứu của Shankar K.S và Mohanan P cho thấy việc thay đổi thời điểm đánh lửa ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ xăng 4 kỳ phun đa điểm khi sử dụng LPG Thí nghiệm được thực hiện ở nhiều tốc độ khác nhau với thời điểm đánh lửa ở 5, 6, 4 và 3 độ trước điểm chết trên (TDC) Kết quả cho thấy ở 5 độ trước TDC, hiệu suất BTE của LPG thấp hơn so với xăng ở tốc độ thấp nhưng cao hơn khi động cơ đạt trên 3500 vòng/phút Nhiệt độ đánh lửa cao của LPG dẫn đến thời gian đánh lửa dài hơn và giảm tốc độ cháy trung bình, khiến động cơ tiêu thụ nhiều nhiên liệu hơn và giảm hiệu suất Tuy nhiên, ở tốc độ cao, tốc độ lan truyền ngọn lửa tăng lên, rút ngắn thời gian chu trình và yêu cầu hiệu suất cháy cao hơn Việc sử dụng LPG cũng giúp giảm lượng khí thải CO từ 5% xuống 1,5%, trong khi lượng HC giảm đáng kể ở tất cả các vị trí ga, nhưng NOX lại tăng gần gấp đôi ở 4500 vòng/phút Khi động cơ chạy ở 6 độ trước TDC, thời gian cháy tăng, dẫn đến công suất cao hơn ở tốc độ thấp và cải thiện hiệu suất.
Việc giảm thời điểm đánh lửa xuống 4 và 3 độ trước điểm chết trên dẫn đến hiện tượng nhiên liệu cháy không hoàn toàn, làm tăng mức tiêu hao nhiên liệu Ở 6 độ trước ĐCT, nồng độ CO và HC thấp hơn nhờ vào quá trình cháy hoàn toàn khi sử dụng LPG ở tốc độ cao Ngược lại, khi giảm thời điểm đánh lửa, lượng CO tăng lên do nhiên liệu không được cháy hết Nồng độ NOx đo được là 1400mg/l ở 6 độ trước ĐCT, trong khi chỉ 500mg/l ở 3 độ trước ĐCT, cho thấy sự giảm này là do nhiệt độ cháy thấp do cháy không hoàn toàn Tại 6 độ trước điểm chết trên, nhiên liệu cháy hoàn toàn với tốc độ cao, dẫn đến nồng độ NOx gia tăng.
Hình 5 CO 2 thay đổi theo công suất Hình 6 HC thay đổi theo công suất
Các nghiên cứu LPG ở Việt Nam
Để tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường, việc sử dụng nhiên liệu "sạch" thay thế xăng thông thường ở Việt Nam là một hướng đi cần được đầu tư nghiên cứu và phát triển Dưới đây là một số nghiên cứu nổi bật trong lĩnh vực này.
Bùi Văn Ga và các cộng sự đã thực hiện nghiên cứu về quá trình cháy của nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng LPG trên một động cơ đặc biệt, cho thấy tốc độ cháy của hỗn hợp LPG - không khí vượt trội hơn so với xăng - không khí và phụ thuộc vào tốc độ động cơ Nghiên cứu chỉ ra rằng tia phun LPG bốc hơi nhanh hơn tia phun xăng truyền thống, nhạy cảm với tốc độ không khí trong buồng cháy Khi tăng áp suất phun, góc mở của tia phun xăng tăng trong khi góc mở của tia LPG giảm Quá trình cháy trong động cơ GDI phụ thuộc vào tính bốc hơi của nhiên liệu, với tốc độ bốc hơi của LPG tỉ lệ thuận với lượng cung cấp và các hạt LPG bốc hơi hoàn toàn trong 2,5 ms ở nhiệt độ khoảng 350K Tính bốc hơi cao của LPG giúp hòa trộn nhanh chóng, nhưng gây khó khăn cho việc tạo hỗn hợp phân lớp Tia phun LPG có sự phân lớp mạnh về hình học và tốc độ bốc hơi, và việc điều chỉnh cánh hướng dòng cùng hình dạng piston có thể tối ưu hóa hỗn hợp quanh nến đánh lửa Mô hình ba khu vực và diễn biến áp suất trong buồng cháy được thiết lập để tính toán quá trình cháy phân lớp và dự đoán ảnh hưởng của các yếu tố như độ đậm đặc hỗn hợp và góc đánh lửa sớm đến đường cong áp suất của động cơ LPG.
Nghiên cứu của Trường Cao đẳng nghề Nha Trang đã chỉ ra rằng động cơ xăng chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) trên ô tô NISAN phát thải khí CO, HC và CO2 ở mức thấp hơn đáng kể so với khi sử dụng xăng A92 và A95.
Nghiên cứu của Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh chỉ ra rằng việc sử dụng nhiên liệu LPG không chỉ nâng cao khả năng chịu tải của động cơ xăng mà còn giúp giảm mức tiêu hao nhiên liệu.
Nghiên cứu của Đại học Bách Khoa TP.HCM chỉ ra rằng nhiên liệu LPG có ảnh hưởng tích cực đến tính năng và khả năng phục hồi của động cơ xăng Việc sử dụng LPG không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn nâng cao khả năng chịu tải của động cơ.
Nghiên cứu của PGS TS Trần Thanh Hải Tùng về hệ thống LPG và xăng song song cho thấy việc sử dụng nhiên liệu LPG có thể giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Kết quả kiểm tra trên thiết bị phân tích khí thải cho thấy nồng độ các chất ô nhiễm như CO và HC giảm hơn 50% so với việc sử dụng xăng.
Hình 9 Giới thiệu sơ đồ bố trí hệ thống cung cấp nhiên liệu song song xăng-LPG
3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG LPG CHO ĐỘNG CƠ XĂNG TỪ MỘT ĐỘNG CƠ NGUYÊN THỦY ĐỐI VỚI ĐỘNG
Phương pháp chuyển đổi động cơ từ xăng sang sử dụng LPG
- Thay bộ chế hòa khí
- Tỷ số nén là một trong những thông số động học quan trọng, nó có ảnh hưởng lớn đến tính năng kinh tế và hiệu suất động cơ
Tăng tỷ số nén lý thuyết có thể cải thiện tính kinh tế của động cơ, nhưng thực tế cho thấy chỉ có hiệu quả trong một giới hạn nhất định do sự gia tăng tổn thất cơ học không thể tránh khỏi.
Trong động cơ đốt cháy cưỡng bức, tỷ số nén tối đa bị giới hạn bởi hiện tượng kích nổ, phụ thuộc vào tính chất kích nổ của nhiên liệu, được đo bằng trị số octan Khi các điều kiện giữ nguyên, nhiên liệu có trị số octan cao cho phép chọn tỷ số nén cao hơn cho động cơ.
Nhiên liệu LPG có chỉ số Octan cao hơn xăng, do đó, khi chuyển đổi động cơ xăng sang LPG, cần tăng tỷ số nén của động cơ để tối ưu hiệu suất hoạt động.
- Giữ nguyên hệ thống đánh lửa.
Phương pháp thực nghiệm được chọn để nghiên cứu ôtô du lịch tại thành phố Nha Trang, nơi mà hầu hết các phương tiện đang sử dụng hệ thống nhiên liệu xăng kiểu chế hòa khí.
Hệ thống này sở hữu cấu trúc đơn giản, hoạt động ổn định và dễ dàng bảo trì, sửa chữa khi cần thiết, vì vậy thường được áp dụng cho các xe cũ Để tiến hành thí nghiệm, động cơ ô tô NISSAN đã được lựa chọn từ Khoa Động lực học.
Cơ khí tại Đại học Nha Trang thực hiện thí nghiệm xác định nồng độ CO, HC và CO2 trong khí thải động cơ khi sử dụng xăng A92 và LPG Mục tiêu của nghiên cứu là nhằm giảm chi phí vận chuyển và cải thiện hiệu suất môi trường.
Hệ thống sử dụng song song LPG và xăng mang lại sự tiện lợi cho việc vận chuyển ô tô, giúp tài xế không phải lo lắng về việc hết nhiên liệu hay chi phí cao Trong thành phố, LPG có thể giảm thiểu ô nhiễm, trong khi xăng đảm bảo hiệu suất xe khi di chuyển ở ngoại thành Tóm lại, hệ thống LPG song song là giải pháp tối ưu cho tình hình hiện tại.
Hình 10 Sơ đồ bố trí hệ thống sử dụng LPG và xăng
9 Bộ giảm áp hoá hơi
12 Ông dẫn nhiên liệu xăng
13 Ống dẫn nhiên liệu LPG
8 Đường nước tuần hoàn trong bộ giảm áp hoá hơi
Sơ đồ bố trí song song hai hệ thống cung cấp xăng A92 và LPG công nghiệp cho động cơ xăng CA18 của xe NISSAN model 83, mang biển số đăng ký 79C 0332, được thể hiện trong hình 10.
- Có 3 dạng hỗn hợp LPG:
Hiệu ứng khuếch tán hay hiệu ứng venturi là phương pháp trộn không khí thường được sử dụng trong động cơ xăng chế hòa khí.
Phun LPG ở thể khí, phương pháp tương tự như phun xăng vào một hoặc nhiều điểm của đường ống nạp
Phun LPG ở thể lỏng, đây là phương pháp mới LPG có thể được phun ngược dòng van nạp hoặc phun trực tiếp vào buồng đốt của động cơ.
Bảng 6 Đặc điểm của các phương pháp tạo hỗn hợp
Công nghệ/ thông số chức năng Hòa khí
Phun hơi LPG kiểu cơ khí
Phun hơi LPG kiểu điện tử
Khả năng điều chỉnh PF - - ++++ ++++
Ghi chú: ++++ : rất tốt ; +++ : tốt ; ++ : khá ; + : trung bình ; - : xấu
Bảng 7 So sánh độ giảm phát chất ô nhiễm giữa các phương án tạo hỗn hợp không khí/LPG
Hệ thống/ chất ô nhiễm CO NOx CO 2 HC
Phun LPG lỏng một điểm +++ + ++ ++
Phun LPG lỏng nhiều điểm ++ ++ ++ ++
Ghi chú: ++++ : rất tốt ; +++ : tốt ; ++ : khá ; + : trung bình ; - : kém
Kết quả thí nghiệm, mô phỏng
Khởi động động cơ bằng xăng A92 và để động cơ ấm lên trước khi tăng tốc độ Sau đó, đưa chất thải vào máy phân tích MHC 222 - HERMANN để xác định nồng độ CO, HC và CO2 Quy trình thử nghiệm với khí hóa lỏng cũng được thực hiện tương tự như với xăng A92.
Hình 11 So sánh nồng độ CO theo tốc độ quay trục khuỷu
Kết quả đo nồng độ CO trên xe NISSAN khi chạy không tải với xăng A92 cho thấy, khi tăng tốc độ lên 1577 vòng/phút, nồng độ CO giảm xuống mức thấp nhất là 4,17 (%Vol), thấp hơn tiêu chuẩn cho phép là 7,3% theo Quyết định 1397/1999/QĐ-BGTVT của Bộ GTVT.
Khi động cơ hoạt động ở tốc độ 4505 vòng/phút, nồng độ CO tăng đáng kể lên 10% (Vol) Tương tự, trong điều kiện chạy không tải với ga, khi tốc độ đạt 1577 vòng/phút, nồng độ CO tối đa ghi nhận là 0,59% (Vol).
%) so với tiêu chuẩn, tức là thấp hơn 86%, ở mức, tốc độ 2518 vòng/phút, nồng độ CO thấp nhất là 0,15 (%Vol).
Hình 12 So sánh nồng độ HC theo tốc độ quay trục khuỷu
Hình 12 cho thấy nồng độ HC khi sử dụng xăng A92, với nồng độ khí thải giảm xuống mức thấp nhất 722 (ppmvol) ở tốc độ động cơ 4.505 vòng/phút, tương ứng mức giảm 39,8% so với tiêu chuẩn cho phép Trong khi đó, khi sử dụng LPG, nồng độ khí thải tăng cao nhất ở tốc độ 720 vòng/phút đạt 1.029 (ppmvol), vẫn thấp hơn 14,3% so với tiêu chuẩn cho phép Các tốc độ khác đều vượt mức tiêu chuẩn.
Hình 13 So sánh nồng độ CO 2 theo tốc độ quay trục khuỷu
Kết quả từ hình 13 cho thấy nồng độ CO2 đạt đỉnh khi sử dụng xăng A92 với tốc độ 4505 vòng/phút Việc sử dụng khí lỏng ở tốc độ cao hơn sẽ giúp giảm nồng độ CO2.
Sử dụng LPG thay cho xăng giúp tăng hiệu suất động cơ khoảng 4% và giảm lượng khí thải CO, HC, NOx, đồng thời không có nồng độ khí thải nào vượt quá tiêu chuẩn ngành.
Tính kinh tế của phương tiện được đánh giá thông qua mức tiêu hao nhiên liệu, được đo bằng lít trên mỗi mét hoặc quãng đường di chuyển 100 km Các lộ trình thử nghiệm để xác định mức tiêu thụ nhiên liệu được lựa chọn từ nhiều tuyến đường khác nhau.
Hình 14 Chạy thử NISSAN model 83 biển số 79C 0332 trên đường QL1A xã Vĩnh Phương
Quốc lộ 1A thuộc xã Vĩnh Phương (đường ngoại ô) → đường 2/4 → đường 23/10 (đường nội thành) — Khu công nghiệp Suối Dầu (đường ngoài 6) — về lại Trạm xăng số 4 Đường 23/10 (đường nội thành).
Quốc lộ 1A đi qua xã Vĩnh Phương, kết nối với Ninh Hòa qua đường dốc, sau đó dẫn đến đường 2/4 và Trường ĐH Nha Trang trong khu vực nội thành Trên ô tô, tải trọng tối đa cho phép là 4 người, và xe được trang bị máy điều hòa không khí.
Sử dụng LPG trên xe NISSAN tiết kiệm 20,6006 đồng/100 km.
Đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật của hệ thống LPG - xăng song song trên
xe KIA PRIDE a Thử nghiệm tính năng động lực học của xe
Để đánh giá tính năng động lực D của xe theo gia tốc J, chúng ta có thể tính toán dựa trên quãng đường hoặc thời gian tăng tốc Trong một tuyến đường thử nhất định, với chế độ sử dụng tay số và loại xe cụ thể, sức cản tổng cộng và hệ số ảnh hưởng của chuyển động quay và tịnh tiến là không đổi Chúng ta chọn thời gian tăng tốc từ lúc xe bắt đầu xuất phát cho đến khi đạt tốc độ 100 km/h làm thông số thử nghiệm.
Khi sử dụng nhiên liệu xăng: Thời gian tăng tốc (Va = 0 km/h Va = 100 km/h) là:
Bảng 8 Thời gian tăng tốc của xăng và LPG
Thời gian tăng tốc (Va = 0 km/h100 km/h) 18 giây 20 giây
Xe sử dụng LPG có động lực học thấp hơn xe sử dụng xăng khoảng 11% Các nghiên cứu từ các hãng sản xuất ô tô trên toàn cầu cho thấy khi xe sử dụng LPG, công suất giảm từ 5% đến 14%, tùy thuộc vào loại hệ thống LPG là hòa khí hay phun khí.
Thử nghiệm tính kinh tế nhiên liệu của xe được đánh giá theo hai phạm vi hoạt động: Khi xe chạy trong thành phố và chạy đường dài.
Thông số chọn để so sánh là tiêu hao nhiên liệu trong 100 km Theo bảng như sau:
Bảng 9 Mức tiêu thụ nhiên liệu của xăng và LPG
Mức tiêu thụ trong 100 km
Thành phố 10 lít 10,85 lít Đường dài 8 lít 6,91 lít c Thử nghiệm tính ô nhiễm môi trường
Tính ô nhiễm môi trường của xe ô tô được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 6438/1998 Đối với xe sử dụng động cơ xăng 4 kỳ, nồng độ CO cho phép được phân loại thành 3 mức khác nhau.
Bảng 10 Mức đánh giá ô nhiễm môi trường
Mức đánh giá Nồng độ CO (%) Nồng độ HC (ppm)
Mức 1 Chưa áp dụng Chưa áp dụng
Mức 3 4.5 1200 Khi thử nghiệm trên xe KIA PRIDE và thử ô nhiễm trên thiết bị phân tích MHC
222, chúng ta có bảng sau:
Bảng 11 Nồng độ CO (%vol)
Tốc độ động cơ (v/ph)
Phân tích đánh giá kết quả nghiên cứu
Việc sử dụng LPG làm nhiên liệu cho động cơ xăng đã được nghiên cứu và chứng minh tiềm năng lớn, với khả năng giảm phát thải CO đạt tiêu chuẩn cộng đồng Châu Âu 2000 và Callotria ULEV Động cơ xăng chạy bằng LPG không chỉ thân thiện với môi trường mà còn đáp ứng yêu cầu về mức độ độc hại của khí thải.
Giảm lượng khí thải gây ô nhiễm vào không khí và giảm sự phụ thuộc vào xăng nhập khẩu.
Việc sử dụng động cơ xăng trên xe NISSAN chạy bằng khí lỏng là có thể thực hiện được về mặt thiết bị và công nghệ lắp đặt.
So với động cơ xăng A92, động cơ xăng của xe NISSAN chạy bằng LPG có lượng khí thải độc hại giảm đáng kể: CO giảm 96%, HC giảm 68,32%, trong khi CO2 tăng 70,05%.
Bằng cách sử dụng LPG trên xe NISSAN Model 83 số đăng ký 79C 0332, bạn tiết kiệm được 45% chi phí nhiên liệu trên 100 km trên cùng một tuyến đường.
