Bước đầu nghiên cứu sử dụng khí hóa lỏng-Lpg trên động cơ diesel cỡ nhỏ

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 04/2008 41 BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG KHÍ HÓA LỎNG - LPG TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL CỠ NHỎ INITIAL RESEARCH ON USING LIQUOID PETROLIUM GAS ON SMALL DIESEL ENGINE Mai Sơn Hải Khoa Kỹ thuật Tàu thủy - Trường Đại học Nha Trang Tóm tắt Xu hướng sử dụng động cơ diesel lưỡng nhiên liệu (Dual fuel diesel engine) nhằm mục đích giảm chi phí nhiên liệu và ô nhiễm khí xả đang được triển khai rộng rãi. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ này trên động cơ diesel cỡ nhỏ mở ra nhiều triển vọng mới. Kết quả nghiên cứu bước đầu của nhóm thử nghiệm đã chỉ ra rằng khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel và khí hóa lỏng LPG, các chỉ tiêu ô nhiễm môi trường và khả năng mang tải của động cơ được cải thiện. Chi phí chuyển đổi hệ thống nhiên liệu của động cơ thấp, các kết cấu của động cơ không bị thay đổi nhiều. Abstract The trend of using dual fuel diesel engines for the purpose of reducing fuel costs and air pollution has been deploying widely. Applied research on small diesel engine in Vietnam has opened many new prospects. Our first research results have indicated that the use of dual fuel (diesel and LPG) makes the air pollution decreased and the ability to carry load of the engine is improved more. The cost for the fuel system conversion is low and the engine structure is not changed much. Key words: Dual fuel diesel engine, diesel on gas. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Nước ta hiện nay có hàng vạn phương tiện vận tải thủy bộ sử dụng động cơ diesel đang hoạt động. Vì vậy việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu khí hóa lỏng LPG và diesel sẽ góp phần đáng kể vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu lắp đặt bộ chuyển đổi nhiên liệu LPG vào hệ thống nhiên liệu của động cơ với yêu cầu ít thay đổi kết cấu ban đầu, động cơ có thể hoạt động ở 2 chế độ: đơn nhiên liệu (diesel) và lưỡng nhiên liệu ( hỗn hợp LPG- diesel) là hướng nghiên cứu phù hợp với điều kiện Việt nam. II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1. Phân tích các phương án sử dụng LPG trên động cơ diesel hiện nay lựa chọn phương án phù hợp với điều kiện Việt Nam, nhưng vẫn bảo đảm tiêu chí ít thay đổi kết cấu ban đầu của động cơ, giá thành chuyển đổi thấp . 2. Tiến hành thử nghiệm ở các chế độ cung cấp nhiên liệu khác nhau, phân tích các chỉ tiêu năng lượng và ô nhiễm khí xả, chọn chế độ sử dụng tối ưu. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Hệ thống sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng LPG trên động cơ thí nghiệm. Sau khi phân tích, lựa chọn các phương án sử dụng LPG trên động cơ diesel, chúng tôi chế tạo thử nghiệm thành công hệ thống có giá thành khoảng 8.500.000 đồng, động cơ vẫn giữ nguyên kết cấu ban đầu. Sơ đồ hệ thống được trình bày trên hình 1. Khí hóa lỏng LPG ở trạng thái lỏng trong bình chứa có áp suất từ 6 – 8 bar, dưới áp suất này khi mở van chặn 3, LPG lỏng được dẫn đi theo đường ống cao áp đến bộ giảm áp - hóa hơi, tại đây LPG lỏng được chuyển thành hơi với áp suất gần bằng khí quyển. Sau đó theo kỳ hút của động cơ, hơi LPG được hút vào bộ trộn, hỗn hợp LPG – không khí và đi vào buồng đốt. Van điện từ dùng để đóng-mở mạch cấp LPG khi sử dụng. VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 04/2008 42 M B ình LPG Van ñieän töø V an tie á t löu B oä tro ä n taï i hoï ng naï p M oâ toâ böôù c Bo ä giaû m aù p hoù a hôi Hình 1. Sơ đồ cung cấp gas có sử dụng bộ giảm áp hóa hơi Sau đây là một số thiết bị đã được chế tạo: 3.1.1. B
tr
n : có chức năng hòa trộn LPG ở dạng hơi với khí nạp. Kết cấu của của bộ trộn được thể hiện ở hình 2 28 Ø100 82.00 Ø55 Ø45 Ø24 38 60 . 00 Ø9 2 loã 6.00 6.00 M 13 Ø4x8 loã Ø45 R236 Ø9x2 loã 5.00 Hình 2. Bộ trộn LPG-không khí 3.1.2. Van tit lu: có công dụng điều chỉnh lượng LPG vào động cơ theo mức phụ tải 3 23 5 Ø4 4 Ø2 0 5 45 100 16 Ø5 0 Ø4 M8 M15 M 8 M 6 Ø11 Ø13 10 10 Ø11 Ø13 Ø1 5 25 Ø1 0 Hình 3. Kết cấu của van tiết lưu 3.2. Kết quả thử nghiệm: Chúng tôi tiến hành thử nghiệm hệ thống chuyển đổi trên động cơ diesel S195 của hãng Cao Phong- Trung Quốc. Thông số kỹ thuật của động cơ được trình bày ở bảng 1. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 04/2008 43 Bảng 1: Thông số kỹ thuật động cơ S195 TT Thông số kỹ thuật 1 Kiểu loại Diesel 4 kỳ 2 Số xi lanh 1 3 Công suất định mức (HP) 12 4 Tốc độ quay định mức (vòng/phút) 2000 5 Thể tích xilanh (lít) 0,815 3.2.1. Kết quả thí nghiệm động cơ không mang tải. Bảng 2. Số liệu ô nhiễm khí xả với nhiên liệu diesel ở chế độ không tải. n (v/ph) Chất phát thải 800 1000 1200 1400 1600 1800 CO2 [%Vol] 2,5 2,8 3,5 3,7 4,2 4,7 CO [%Vol] 0,04 0,03 0,03 0,03 0,04 0,04 HC [ppm] 24 23 23 22 22 22 Độ đục ( %HSU) 1,3 1,3 1,3 1,7 3,4 3,8 Bảng 3. Số liệu ô nhiễm khí xả với nhiên liệu LPG ở chế độ không tải. n (v/ph) Chất phát thải 800 1000 1200 1400 1600 1800 CO2 [%Vol] 2,2 2,4 2,7 2,8 3,6 3,4 CO [%Vol] 0,03 0,03 0,032 0,032 0,035 0,029 HC [ppm] 35 33 34 34 33 33 Độ đục ( %HSU) 0,9 1,3 1,3 1,3 0,9 0,9 Dựa vào số liệu trên 2 bảng tính ta vẽ được đồ thị so sánh nồng độ khí thải có trong động cơ khi sử dụng hai loại nhiên liệu ở chế độ không tải. 1000 1200 1400 1600 n (v/ph)600 1.25 2.5 3.75 5 CO2 (%vol) 1800 2000 0.1 CO (%vol) CO2 [D] CO [D] CO2 [LPG] CO [LPG] 800 0.025 0.05 0.075 Hình 4. Đồ thị độ phát xạ khí xả CO và CO2 ở chế độ chạy không tải 800 1000 1200 1400 1600 n (v/ph)600 %HSU 1800 1 2 3 4 %HSU [D] %HSU [LPG] 2000 Hình 5. Đồ thị độ đục khí xả động cơ sử dụng diesel và LPG ở chế độ chạy không tải Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 04/2008 44 1000 1200 1400 1600 HC [D] HC[LPG] HC [ppm] 800600 1800 2000 n(v/ph) 10 20 30 40 Hình 6. Đồ thị nồng độ phát xạ HC ở chế độ chạy không tải. Từ đồ thị ta thấy rằng khi chạy với nhiên liệu LPG ở chế độ không tải của động cơ thì nồng độ phát xạ khí xả đều giảm xuống đáng kể. Độ đục khí thải của động cơ sử dụng nhiên liệu LPG cũng giảm nhiều so với động cơ khi sử dung nhiên liệu diesel. Lượng CO2, và độ đục khí xả giảm do tốc độ cháy được cải thiện, nhiên liệu cháy kiệt hơn. 3.2.2. Kết quả thí nghiệm động cơ mang tải. Bảng 4. Số liệu ô nhiễm khí xả với nhiên liệu diesel chạy ở các chế độ tải N (Kw) Chất phát thải 1 1,77 2,1 2,67 3,11 3,5 CO2 [%Vol] 6,1 6,2 6,6 7,4 8,6 9,0 CO [%Vol] 0,31 0,34 0,34 0,39 0,42 0,51 HC [ppm] 26 26 26 28 30 35 Độ đục ( %HSU) 1,3 1,7 3,0 8,2 13,6 80,6 Bảng 5. Số liệu ô nhiễm khí xả của động cơ chạy hỗn hợp diesel - LPG có tải khi cố định mức tải diesel (0,88Kw) sau đó tăng tải LPG N (Kw) Chất phát thải 1 1,77 2,1 2,67 3,11 3,5 CO2 [%Vol] 4,9 5,1 5,7 6,1 6,0 7,2 CO [%Vol] 0,38 0,41 0,45 0,45 0,49 0,6 HC [ppm] 27 28 28 29 31 38 Độ đục ( %HSU) 0,4 0,9 1,3 1,7 2,1 3,4 2 4 % H S U [ D ] % H S U [ L P G - D ] 0 1 1 .5 2 2 .5 3 3 .5 6 1 2 1 0 8 1 4 % H S U N ( K W )0 .5 Hình 7. Đồ thị độ đục khí xả động cơ khi sử dụng diesel và khi sử dụng hỗn hợp LPG-diesel Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 04/2008 45 2 4 CO2 [D] CO2 [LPG - D] 0 1 1.5 2 2.5 3 3.5 6 10 8 CO2(%vol) N (KW)0.5 0.2 0.4 0.6 0.8 1 CO (%vol) CO (D) CO (LPG-D) Hình 8. Đồ thị nồng độ phát xạ CO và CO2 khi sử dụng diesel và khi sử dụng hỗn hợp LPG-diesel 10 HC [D] HC [LPG - D] 0 1 1.5 2 2.5 3 3.5 20 N (KW)0.5 30 HC (ppm) 40 Hình 9. Đồ thị nồng độ phát xạ HC khi sử dụng diesel và khi sử dụng hỗn hợp LPG-diesel Kết quả thí nghiệm cho thấy: khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel – LPG thì lượng CO2 và độ đục khí xả giảm xuống nhiều và lượng HC, CO tăng nhưng không đáng kể so với khi sử dụng nhiên liệu diesel. Khả năng làm việc của động cơ khi sử dụng hỗn hợp diesel-LPG được cải thiện. Nếu như động cơ diesel chỉ hoạt động được ở mức tải dưới 3,5KW thì độ đục đã vượt quá giới hạn cho phép nhưng khi sử dụng hỗn hợp diesel – LPG thì giá trị vẫn nằm trong giá trị cho phép thậm chí là rất nhỏ. IV. KẾT LUẬN Khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu LPG và diesel cho động cơ đã giảm thiểu lượng ô nhiễm môi trường hơn khi sử dụng nhiên liệu diesel. Khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu LPG - diesel thì khả năng làm việc của động cơ được cải thiện, nồng độ CO2 giảm, đặc biệt là độ đục của khí xả ở mức tải cao rất thấp, nồng độ các chất khác tuy có tăng nhưng lượng tăng không đáng kể. Hệ thống chế tạo thử nghiệm có giá thành chấp nhận được, động cơ có thể hoạt động ở 2 chế độ: đơn nhiên liệu (diesel) và lưỡng nhiên liệu (hỗn hợp LPG-diesel) mà không cần cải tạo kết cấu động cơ. Những vấn đề đặt ra phải nghiên cứu tiếp theo: Cần xác định tỷ lệ diesel – LPG tối ưu để động cơ hoạt động đạt hiệu quả tốt nhất. Cần phải nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ số nén đến hiện tượng hòa khí LPG tự cháy trước khi nhiên liệu diesel phun vào buồng đốt, làm quá trình cháy mất điều khiển, gây tác hại xấu đến động cơ. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 04/2008 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Minh Tiến. Đại học Đà Nẵng. Báo cáo tổng kết nghiên cứu bộ điều tốc điện tử cho động cơ chạy bằng nhiên liệu biogas. 2. GS-TSKH. Bùi Văn Ga. NXB giáp dục. Ô tô và ô nhiễm môi trường. 3. MINWAFOR.. Sadhana Vol. 27, Part 3, June 2002 © Printed in India. Knock characteristics of dual-fuel combustion in diesel engines using natural gas as primary fuel. 4. Scott Jensen- Energy Conversions Inc. 1/12/06. Converting Diesel Engines to Dual Fuel The Pros and Cons of Common Gas Engine Types 5. Frank Herold, Thomas Knorr, Frank Weiss. Patent No: US7438032B2-Oct.21,2008 Metod and device controlling ICE 6. Trang web: www.petrolimex.com.vn w.w.w.Dieselongas.com w.w.w.ultifuel-technology.co.tk w.w.w.futurefuel.technology.co.uk www.go-lpg.co.uk