Nghiên cứu, lắp đặt bộ chuyển đổi nhiên liệu lpg thay thế cho nhiên liệu truyền thống trên động cơ diesel

PHẦN 2- CÁC PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG LPG TRÊN DIESEL HIỆN NAY: Sơ đồ tổng thể hệ thống nhiên liệu LPG và diesel song song Sơ đồ hệ thống nhiên liệu LPG và diesel song song có sử dụng bộ phận

PHẦN 1- ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, thế giới đang đối diện với nguy cơ cạn kiệt nguồn tài nguyên dầu mỏ do

khai thác và sử dụng ồ ạt, kéo theo đó là tình trạng ô nhiễm môi trường cũng đang gia

tăng rất nhanh Để giải quyết vấn đề này cần phải có những chiến lược dài hạn phát triển

các phương tiện giao thông như đường sắt, đường biển, tàu điện ngầm, …,tìm kiếm các

phương án kỹ thuật nhằm nâng cao quá trình cháy nhiên liệu và sử lý khí thải, sử dụng

các phương tiện dùng nhiên liệu sạch thay cho các loại động cơ dùng nhiên liệu truyền

thống xăng, dầu như hiện nay

Hiện nay trên thế giới kỹ thuật chuyển đổi động cơ dùng nhiên liệu truyền thống

(xăng, diesel) sang dùng nhiên liệu thay thế (LPG, Biodiesel, NGV, LNG…) đạt được

nhiều thành tựu, đặc biệt là kỹ thuật chuyển đổi động cơ diesel sang dùng nhiên liệu LPG

có những bước đột phá mới

Nước ta hiện nay có khoảng 94.000 tàu cá đang hoạt động và một lượng lớn

phương tiện vận tải sử dụng nhiên liệu diesel Vì vậy việc thay thế nhiên liệu diesel bằng

nhiên liệu khí hóa lỏng LPG sẽ góp phần đáng kể vào việc giảm chi phí cho nhiên liệu và

giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Đề tài nghiên cứu theo hướng giảm tiêu hao nhiên liệu, hạn chế ô nhiễm môi

trường và nâng cao tính năng của động cơ diesel công suất nhỏ theo phương hướng lắp

đặt bộ chuyển đổi nhiên liệu LPG thay thế cho nhiên liệu truyền thống Động cơ sau khi

chuyển đổi ít thay đổi kết cấu ban đầu, giá thành chuyển đổi thấp nhưng vẫn đáp ứng tốt

các yêu cầu kỹ thuật

PHẦN 2- CÁC PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG LPG TRÊN DIESEL HIỆN

NAY:

Sơ đồ tổng thể hệ thống nhiên liệu LPG và diesel song song

Sơ đồ hệ thống nhiên liệu LPG và diesel song song có sử dụng bộ phận điều khiển điện

tử

Hình 1 Sơ đồ hệ thống LPG và diesel song song có sử dụng bộ phận điều khiển điện tử

Lượng nhiên liệu LPG và diesel được điều khiển bởi bộ phận điều kiển điện tử sẽ

đưa tới hiệu quả cao về mặt hiệu suất nhiệt, đồng thời cung cấp lượng nhiên liệu chính

xác đúng thời điểm Lượng LPG trước khi qua mô đun điều khiển phải qua van an toàn

để đảm bảo sự an toàn về sử dụng gas Sau đây là 1 số giải pháp chính

I hệ thống cung cấp LPG với phương án tạo hỗn hợp kiểu phun nhiên liệu

Nhiên liệu LPG có thể được cung cấp bằng hệ thống phun vào cổ góp (phun tập

trung) hay phun vào trước xupap nạp của từng xylanh (phun riêng rẽ) Áp suất nhiên liệu

trước vòi phun của hai kiểu này đều cao hơn áp suất khí quyển Nhiên liệu phun vào

đường nạp động cơ có thể dưới dạng khí hay lỏng, trong đó phun nhiên liệu dạng lỏng có

nhiều hứa hẹn nhất

Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG (Hình 2)

Nguyên lý hoạt động: Nhiên liệu LPG dưới dạng lỏng từ bình nhiên liệu được hút

nhờ một bơm chuyển và duy trì áp suất dư trên đường ống khoảng 5 bar để tránh sự bốc

hơi Nhiên liệu sau đó được đưa qua bộ lọc và bộ điều áp trước khi dẫn đến vòi phun Vòi

phun được một bộ vi sử lý chuyên dụng điều khiển một cách tự động

Hệ thống phun LPG lỏng cải thiện rất đáng kể tính năng của động cơ cả về hiệu

suất cũng như mức độ phát sinh ô nhiễm Công suất và momen tăng do tăng hệ số nạp

còn suất tiêu hao nhiên liệu giảm do điều chỉnh tốt lượng cung cấp theo chế độ làm việc

của động cơ

Phương án này khó có thể thực hiện để áp dụng trên động cơ diesel do phải lắp

đặt thêm nhiều bộ phận đắt tiền như bộ vi xử lý LPG, các cảm biến…làm cho giá thành

chuyển đổi cao

Hình 2 Hệ thống cung cấp LPG kiểu phun nhiên liệu

1- Lọc khí ; 2- Vòi phun LPG lỏng; 3-Vòi phun diesel; 4- Điều hoà áp suất;

5 –Bình chứa LPG; 6 –Bơm; 7 -Bộ vi sử lý LPG

II Cung cấp gas trực tiếp nhờ xupap ga

a) Xupap gas có cơ cấu điều khiển kiểu cơ khí

Đối với động cơ gas công suất lớn, gas được cung cấp bởi một xupap đặc biệt

được đặt trước cửa nạp hay ngay trong xylanh Xupap này có thể được điều khiển bởi

một cánh tay đòn hay bởi một xylanh thuỷ lực Xupap gas được mở trễ hơn một chút so

với xupap nạp để tránh thất thoát gas ra đường xả trong giai đoạn trùng điệp Lượng gas

nạp vào được điều chỉnh nhờ thời gian mở xupap gas hay độ chênh áp giữa gas và không

khí

Hình 3 Cung cấp gas bằng xupap gas điều khiển cơ khí

Phương án này chỉ nên áp dụng cho động cơ sản xuất mới hoàn toàn Không thể

áp dụng để chuyển đổi trên động cơ đã sử dụng do nó làm thay đổi quá lớn kết cấu cơ cấu

phân phối khí của xe, giá chuyển đổi cao

b) Xupap ga điều khiển điện tử

Xupap này đặt ngay trước cửa nạp, điều khiển đóng mở nhờ hệ thống điều khiển

động cơ

Hình 4 Xupap gas điều khiển điện tử

Phương án này chỉ nên áp dụng cho động cơ sản xuất mới hoàn toàn Không thể áp dụng

để chuyển đổi trên động cơ cũ do nó làm thay đổi quá lớn kết cấu cơ cấu phân phối khí

của động cơ, giá chuyển đổi cao

III Sử dụng bộ giảm áp hóa hơi và bộ hòa trộn :

1 Điều khiển điện tử:

Hình 5 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu LPG và diesel

Ưu nhược điểm của phương án :

Hệ thống làm việc với độ tin cậy cao, mang tính hiện đại Phương án này chỉ nên

áp dụng cho động cơ hoàn toàn mới, nếu áp dụng trên các động cơ cỡ nhỏ thì ít mang tính

khả thi do phải thay đổi và lắp đặt thêm nhiều bộ phận và hệ thống điện điều khiển bơm

phun nhiên liệu mồi đắt tiền vì vậy giá thành khi chuyển đổi cao

Ưu nhược điểm của phương án :

Hệ thống làm việc với độ tin cậy cao, mang tính hiện đại Phương án này chỉ nên áp dụng

cho động cơ hoàn toàn mới, nếu áp dụng trên các động cơ cỡ nhỏ thì ít mang tính khả thi

do phải thay đổi và lắp đặt thêm nhiều bộ phận và hệ thống điện điều khiển bơm phun

nhiên liệu mồi đắt tiền vì vậy giá thành khi chuyển đổi cao

2 Điều khiển cơ khí:

Phương án cấp gas với việc sử dụng van điều khiển lưu lượng

Đây là phương phap điều khiển tỉ lệ hòa trộn của động cơ lưỡng nhiên liệu, đó là

một dụng cụ điều chỉnh đồng thời hai nhiên liệu cùng lúc Thiết bị này kết hợp với điều

khiển lưu lượng gas khi mà bơm cao áp chuyển từ mức độ 70-80% đầy tải tới những thời

điểm tương ứng để phun một số lượng lớn nhiên liệu, giảm bớt khoảng trống lưu lượng

trong việc điều chỉnh lượng gas hoặc sẽ giữ cho khoảng trống lưu lượng không đổi

Hình 6 Sơ đồ toàn cảnh hệ thống sử dụng van điều chỉnh lưu lượng

1- Cần điều chỉnh 4- Van điều chỉnh lưu lượng

2 - Bơm nhiên liệu 5- Ống dẫn gas vào van

3- Đòn bẩy 6- Ống dẫn gas vào bộ trộn

Khi tại vị trí khoảng 70-80% tải chỉ một lượng nhiên liệu diesel được phun lên

nhưng ngược lại tốc độ tại lúc gas cấp được duy trì cố định hoặc giảm vì vậy tỉ lệ hòa

trộn trong phạm vi tải cao hơn được chuyển sang sự có lợi cho diesel Tất cả các phương

án tỉ lệ hòa trộn khác cho động cơ cũng giải quyết tăng lượng gas trong tải thấp bắt đầu từ

không tải

Việc điều khiển thành phần 1 của bơm cấp nhiên liệu 2 tới động cơ Hệ thống bao

gồm một đòn bẩy liên kết bởi 3 được nối lại để điều khiển thiết bị điều chỉnh lưu lượng 4

thông suốt một ống 5 từ bình chứa và nối thông ống dẫn 6 nối với bộ trộn vào động cơ

Điều chỉnh cần 1 của bơm phun 2 được gián tiếp kết nối với bàn đạp chân gas Thiết bị

điều khiển lưu lượng gas bao gồm van 9 gắn với lò xo 7

Hình 7 Sơ đồ hoạt động của thiết bị điều khiển

lưu lượng gas

H 2 Bộ phận của thiết bị điều khiển lưu lượng

gas

H 2a-2c Mô tả 3 thời điểm khác nhau của bị

điều khiển lưu lượng gas

7-Lò xo; 8-Phần tiết diện ống hình côn;

9-Van; 10-Lỗ khoan; 11- Chốt van;

12- Ống hình trụ; 13- Phần van có tiết diện hình

côn; 14- Phần hình nón có đỉnh vót nhọn

Ban đầu ở chế độ không tải (H2) lưu lượng gas sẽ

bị cản chở bởi vì ống hình trụ 12 của chốt có

đường kính khớp với với lỗ 10 Lượng gas bắt đầu

cấp (H 2a) tại đây lưu thông dần dần từ ống 5,

mức tải xác định là 2/3 tải Từ 3/4 của tải (H 2b)

lưu lượng gas xác định là lớn nhất và lượng còn

lại sẽ cố định mãi đến khi đầy tải thì van được mở

hoàn toàn (H 2c) Từ vị trí của van (H 2a-H 2b)

tốc độ gas chảy trong lỗ 10 tăng nhanh nhờ tiết diện hình nĩn 13 của chốt van Hình trụ

12 của chốt van 11 cĩ thể được lựa chọn để nối tiếp phần hình nĩn 14 đỉnh cĩ một gĩc

nhọn và cái này cĩ thẻ được nối tiếp bởi phần cuối 15 chẳng hạn như phần tiếp xúc (H

2c) Cùng với chốt van, gas sẽ trộn lẫn dần dần tỉ lệ tăng dần lên trong suốt quá trình tăng

của tải khoảng 1-3 phần tải

Thiết bị cấp gas bình thường và nhiên liệu lỏng tới động cơ bao gồm cĩ bơm phun

nhiên liệu lỏng, một bộ phận điều chỉnh tốc độ cấp nhiên liệu lỏng và gas Bộ phận điều

khiển bao gồm lỗ khoan chảy gas, bộ phận van lị xo dốc quanh trục đẩy thẳng tới lỗ để

tới vị trí đĩng ở mức độ nào đĩ, bộ phận nối liền với lỗ và tắt lượng cấp gas, chốt van cĩ

nhiệm vụ kết nối bộ phận điều chỉnh với van cho quá trình chuyển động của van ra xa từ

lỗ tới bộ phận điều chỉnh lúc tăng tải từ vị trí khơng tải, sự cải thiện của chốt van bao

gồm một phần hình trụ kề sát đường kính lỗ và bộ phận hình nêm kề bên bộ phận hình trụ

Thực tế cho thấy rằng khi ở tải thấp sự trộn lẫn gas ngăn cản sự cháy hồn tồn, với

thiết bị này đã làm giảm lượng HC trong khí xả xuống nhiều do cĩ sự cân đối gas, lượng

gas dư thừa sẽ khơng cịn Hiệu quả kinh tế cao hơn và lượng tiêu thụ nhiên liệu lỏng ít

hơn, điều chỉnh chính xác lượng cấp nhiên liệu diesel và gas Nhưng địi hỏi chế tạo thiết

bị chính xác, tất cả các chi tiết phải chuyển động tương đối với nhau phụ trợ nhau và việc

xác định đúng thời điểm cấp cũng như tỉ lệ giữa hai loại nhiên liệu cần chính xác

PHẦN 3- GIẢI PHÁP CHẾ TẠO BỘ CHUYỂN ĐỔI:

1 Cung cấp gas trực tiếp với cơ cấu điều khiển van điện từ:

a, Phương án dùng cho động cơ một xilanh

M

Bình

LPG

Van

điện từ

Van tiết lưu Bộ trộn tại họng nạp

Mô tô bước

ON/OFF

Công tắc nẫy

Đũa đẩy

Xuppap

Hình 8 Sơ đồ hệ thống cung cấp gas lỏng với cơ cấu điều khiển van điện từ cho động cơ

một xi lanh

Nguyên lý hoạt động: Khi bắt đầu quá trình nạp, xuppap đi xuống mở đồng thời tác

động và cơng tắc nẫy cấp điện cho van điện từ Tại van điện từ, van được cấp điện tiến

hành mở, lượng khí hĩa tiến hành mở lượng khí hĩa lỏng LPG được vận chuyển đến van

tiết lưu Tại van tiết lưu, van này được điều khiển bởi mơ tơ bước, trên mơ tơ bước cĩ gắn

bộ cảm biến điện áp nhận điện áp của nguồn trong giá trị phù hợp sẽ mở van, lượng khí

hĩa lỏng LPG sẽ vận chuyển đến bộ trộn cùng với khơng khí vào động cơ thực hiện các

quá trình

Ta gắn thêm cơng tắc ON/ OFF để ngắt điện cung cấp cho van điện từ khi khơng sử

dụng nhiên liệu LPG

9 Ưu điểm: Do khơng thơng qua bộ giảm áp hĩa hơi nên giảm giá thành chuyển đổi

9 Nhược điểm: Trong quá trình hoạt động thì tại van điện từ xảy ra hiện tượng

đĩng băng Ảnh hưởng tới độ bền thiết bị, và chất lượng nhiên liệu Đối với

phương án này thì chỉ dùng cho loại động cơ một xi lanh nên khả năng ứng dụng

cịn hạn chế, cần phải cĩ giải pháp chống hiện tượng đĩng băng tại van tiết lưu

b, Phương án dùng cho động cơ nhiều xi lanh

M

Bình LPG

Van điện từ

Van tiết lưu Bộ trộn tại họng nạp

Mô tô bước

ON/OFF

Công tắc nẫy

cửa nạp Màng

Hình 9 Sơ đồ hệ thống cung cấp gas lỏng với cơ cấu điều khiển điện từ cho động cơ

nhiều xi lanh

Nguyên lý hoạt động: Với phương án này ta sử dụng phương án lấy tín hiệu cung

cấp điện cho van điện từ từ họng hút của động cơ Nguyên lý hoạt động tương tự như

phương án dùng cho động cơ một xi lanh.Trong kỳ nạp thì tại họng nạp do độ chênh lệch

chân khơng nên màng sẽ bị hút vào và kéo cần đĩng cơng tắc cung cấp điện cho van điện

từ Van điện từ mở và LPG được cung cấp tới bộ khuếch tán LPG đặt trên họng nạp

9 Ưu điểm của phương án: như phương án trên ưu điểm là khơng phụ thuộc vào bộ

giảm áp hĩa hơi, và phương án này cĩ khả năng ứng dụng cho động cơ nhiều xi

lanh, ít ảnh hưởng tới kết cấu của động cơ

9 Nhược điểm: cũng giống như phương án trên là xảy ra hiện tượng đĩng băng tại

van điện từ do đĩ cần phương án xử lý hiện tượng này Khơng những thế mà sự

đĩng mở của cơng tắc khi màng 1 bị hút phụ thuộc vào độ cứng của lị xo Nếu lị

xo quá cứng thì màng sẽ khơng hút được và khơng kéo được cần đĩng cơng tắc

cung cấp điện cho van điện từ Nếu lị xo qua yếu thì khi đã qua kỳ hút thì vẫn

cịn tồn tại áp suất âm, như thế màng vẫn bị hút và cơng tắc vẫn đĩng Van điện từ

vẫn được cung cấp điện và LPG vẫn được cung cấp vào bộ khuếch tán Điều này

rất nguy hiểm, bở vì LPG rị rỉ thì dễ xảy ra cháy nổ

2 Phương án sử dụng hệ thống cung cấp gas với bộ giảm áp hĩa hơi :

M

Bình

LPG

Van điện từ

Van tiết lưu Bộ trộn tại họng nạp Mô tô bước

Bộ giảm áp hóa hơi

Hình 10 Sơ đồ cung cấp gas cĩ sử dụng bộ giảm áp hĩa hơi

Khí hĩa lỏng LPG ở trạng thái lỏng trong bình chứa cĩ áp suất từ 6 – 8 bar, dưới

áp suất này khi mở van chặn 3, LPG lỏng được dẫn đi theo đường ống cao ápđến bộ giảm

áp - hĩa hơi, tại đây LPG lỏng được chuyển thành hơi với áp suất gần bằng khí quyển

Sau đĩ theo kỳ hút của động cơ, hơi LPG được hút vào bộ trộn hỗn hợp LPG – khơng khí

và đi vào buồng đốt Ở bộ phận giảm áp hĩa hơi, quá trình giảm áp hĩa hơi diễn ra rất

nhanh và thu nhiệt rất nhiều nên gây ra hiện tượng đĩng băng trên thành khoang Ống

dẫn nước vào 14 và ống dẫn nước ra 15 đảm bảo cung cấp một lượng nước sau khi đi làm

mát động cơ đủ lớn tuần hồn trong khoang bù nhiệt của bộ giảm áp hĩa hơi để chống lại

hiện tượng đĩng băng trên thành khoang Van điện từ dùng để đĩng hoặc mở mạch LPG

khi sử dụng

Đây chính là giải pháp mà chúng tơi chọn thử nghiệm trên máy D12

2.1 Bộ giảm áp - hố hơi (Pneumatic LPG Reducer)

Bộ giảm áp – hố hơi cĩ nhiệm vụ chuyển đổi nhiên liệu LPG ở trạng thái lỏng

sang trạng thái hơi trước khi đưa vào bộ trộn và điều khiển lưu lượng nhiên liệu LPG đưa

vào động cơ theo các chế độ làm việc

Bộ giảm áp – hố hơi được chia làm nhiều ngăn nhờ các màng chắn đặc biệt

Nhiệt độ cần thiết cho hố hơi LPG được cung cấp nhờ nước nĩng đi từ đường ra của

nước làm mát động cơ LPG lỏng ở áp suất bình chứa di chuyển qua các van an tồn đến

họng nạp 11 và vào buồng giảm áp (A) thơng qua van giảm áp 10 Tại đây áp suất LPG

giảm suống cịn khoảng (0,45 – 0,65) bar Bình thường với áp suất cao, dịng LPG lỏng

sẽ mở van giảm áp 10 đi vào bên trong buồng A Khi áp suất bên trong buồng A gia tăng

tới một giá trị quy định, nĩ sẽ đẩy màng cao su 7 dịch chuyển xuống dưới, nén lị xo 8 và

làm cho van giảm áp đĩng lại thơng qua địn bẩy 9, ngăn khơng cho nhiên liệu LPG đi

3

14 15

vào buồng (A) khống chế áp suất theo quy định do sự cân bằng áp suất buồng A và lò xo

8 cũng như diện tích chịu áp trên và dưới của màng 7

H 2-18 Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp-hoá hơi

1 – Vít điều chỉnh; 2 – Van định lượng ; 3 – Màng cao su tổng hợp; 4 – Đòn bẩy ;

5 - Đường LPG đến bộ trộn; 6 – Van điện từ; 7 – Màng cao su tổng hợp; 8 – Lò

xo; 9 – Đòn bẩy; 10 – Van giảm áp; 11 - Đường nạp nhiên liệu LPG

Để cung cấp nhiệt độ cho LPG giãn nở, nước từ hệ thống làm mát động cơ được

tuần hoàn bao quanh buồng (A)

Sau khi qua buồng (A), nhiên liệu tiếp tục đi vào buồng (B) thông qua van định

lượng 2 Buồng này được thông với bộ trộn đặt trên họng khuyếch tán và hơi nhiên liệu

LPG được hút vào bộ trộn khi động cơ hoạt động

Màng cao su 3 trong buồng B được di chuyển lên xuống nhờ áp suất nạp, sự dịch

chuyển này làm cho đòn bẩy 4 mở van định lượng 2 để hơi nhiên liệu LPG đi từ buồng

(A) sang buồng (B) Nếu viêc hút nhiên liệu tăng lên ở bộ trộn, thì lập tức nó sẽ truyền

qua buồng (B) và màng cao su 3, cho phép nhiều hơi LPG đi qua van định lượng 2

Ngược lại nếu lực hút ở bộ trộn giảm xuống, do lực đẩy của lò so vít điều chỉnh 1 điều

khiển đòn bẩy đóng dần van định lượng 2, giới hạn lượng hơi nhiên liệu LPG đi vào

Khi động cơ ngừng hoạt động, lò xo vít điều chỉnh tác động lên đòn bẩy 4 khoá

van định lượng 2, bảo đảm không cho hơi nhiên liệu LPG đi qua van định lượng

2.2 Bộ trộn có công dụng hòa trộn LPG với khí nạp

Ø100

82.00

Ø55

Ø45

Ø24

38

Ø9 2 loã 6.00

6.00

Ø4x8 loã

Ø45

R236

Ø9x2 loã 5.00

Hình 11 Bộ trộn LPG-không khí

Nó có chức năng giống như trên động cơ xăng Kết cấu của của bộ trộn được thể hiện ở

hình 11

2.3 Van tiết lưu: có công dụng điều chỉnh lượng LPG vào động cơ theo mức phụ tải

3 23 5

Ø44 Ø20

45

100

Ø4 M8

M15

Ø11 Ø13

Ø11 Ø13

25

Hình 12a Kết cấu của van tiết lưu

Hình 12b Hình ảnh van tiết lưu sau khi thiết kế chế tạo

Kết cấu của Van tiết lưu được thể hiện trên hình 12 Trong đó chúng tôi sử dụng 2 vít

điều chỉnh tỷ lệ LPG ở chế độ không tải

PHẦN 4- MỘT SỐ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

I Chạy thực nghiệm không tải trên động cơ D12

1 Phương án tiến hành thực nghiệm

Tiến hành thí nghiệm ngoài những nguyên tắc sau:

ƒ Thang tốc độ được đo từ số vòng quay thấp nhất ổn định(n=800)đến số vòng quay sử

dụng định mức(n=1800),mỗi thang đo cách đều 200 vòng/phút Ứng với mỗi giá trị

tốc độ quay ta tiến hành đo và ghi kết quả đo vào bảng

ƒ Khởi động động cơ: Cho động cơ khởi động bằng nhiên liệu diesel Khi nước làm mát

đạt khoảng 70°C ta tiến cho động cơ chạy được với nhiên liệu LPG vì khi đó lượng