CHƯƠNG 1: NHIÊN LIỆU LPG, TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ NGUYÊN THUỶ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN CẤP LPG CHO ĐỘNG CƠ 1. Nhiên liệu LPG 1. Tổng quan về nhiên liệu LPG 1. Thành phần của nhiên liệu LPG Khí hóa lỏng (còn gọi là LPG, GPL, LP Gas, hoặc autogas) là một hỗn hợp dễ cháy của hydrocarbongases và được sử dụng rộng rãi.
Ngày nay, LPG càng được sử dụng như một chất nổ đẩy aerosol và chất làm lạnh, thay thế chlorofluorocarbons trong một nỗ lực để giảm thiệt hại đến tầng ôzôn. Thành phần LPG mua và bán bao gồm hỗn hợp mà chủ yếu là Propan (C 3H8); chủ yếu là Butan (C 4H10) và Propan (C3H8), phổ biến nhất là hỗn hợp bao gồm cả Propan và Butan. Tùy theo mùa mà các thành phần của từng chất của hỗn hợp nhiều hay ít, cụ thể trong mùa đông Propan nhiều hơn và trong mùa hè Butan nhiều hơn. Propylene (C3H6) và butylenes (C4H8) thường cũng có mặt ở nồng độ nhỏ.
Bản thân của LPG là một chất không màu, không mùi ít độc nhưng khả năng cháy nổ là rất cao để nhận biết rò rỉ người ta thêm ethanethiol để tạo mùi. LPG là khí dầu mỏ hóa lỏng, thu được bằng cách hóa lỏng khí đồng hành ở áp suất khoảng 4 ÷18 Kg/cm2, bao gồm hai thành phần cơ bản là Propan và Butan. Propan là một Hidrocaborate no, công thức cấu tạo ở dạng mạch thẳng nên dễ bị tác dụng với không khí ở nhiệt độ cao và áp suất lớn vì thế mà khả năng chống kích nổ kém. Butan cũng là một Hidrocacbonrate no, có hai đồng vị có cấu tạo mạch thẳng và cấu tạo mạch nhánh: Cacbon a b c ) Hidro Hình 1.
1: Công thức hóa học của (a) Propan, (b) iso - Butan, (c) Butan Trong LPG có thành phần iso – Butan càng cao thì tính chống kích nổ càng lớn, tính chống kích nổ giảm dần từ iso – Butan, n – Butan, Propan. Thường iso – Butan chiếm 25% có trong hỗn hợp (iso – Butan và n – Butan). Ngoài ra, LPG còn có chứa etan (1 – 3% mol) và pentan (không quá 1,5% mol). SVTH: Nguyễn Văn Đúng, Nguyễn Hữu Ân, Lê Huỳnh Đức GVHD: ThS.
Bùi Văn Hùng 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Nghiên cứu chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng bộ chế hòa khí thành động cơ phun LPG điều khiển điện tử 1. Một số đặc tính của LPG a. Trạng thái tồn tại Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thường, LPG tồn tại ở trạng thái hơi. Do LPG có tỷ số giãn nở lớn (1 đơn vị thể tích gas lỏng tạo ra bằng 250 đơn vị thể tích gas hơi), vì vậy để thuận tiện trong vận chuyển, bảo quản và sử dụng LPG được hóa lỏng bằng cách nén vào bình chứa chịu áp lực ở nhiệt độ thường hoặc hóa lỏng để tồn chứa ở áp suất thấp.
Đặc trưng lớn nhất của LPG là chúng được tồn chứa ở trạng thái bão hòa tức là tồn tại cả dạng lỏng và hơi, nên với thành phần không đổi (ví dụ: 70% Butan và 30% Propan) áp suất bão hòa trong bình chứa không phụ thuộc vào lượng LPG có trong bình mà hoàn toàn phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài. Nhiệt độ ngọn lửa cao - Butan : 1900oC - Propan: 1935oC Tỷ trọng LPG thể lỏng ở điều kiện 15oC, 760 mmHg: tỷ trọng Butan lỏng bằng 0,575 kg/l và Propan bằng 0,510 kg/l. Như vậy ở thể lỏng LPG có tỷ trọng nhẹ hơn so với nước: từ 0. Tính dãn nở Áp suất tuyệt đối của LPG trong bồn chứa là: - 1,7 bar ở -15oC - 4,4 bar ở 15oC - 12,5 bar ở 50oC Chính vì sự dãn nở vì nhiệt của LPG rất lớn (25%) nên các bình chứa, bồn chứa LPG chỉ được chứa đến 80 ÷ 85% dung tích toàn phần để có không gian cho LPG giãn nở khi nhiệt độ tăng.
Khi chuyển sang thể hơi, một đơn vị thể tích LPG lỏng tạo ra xấp xỉ 250 lần đơn vị thể tích hơi. Điều này mang ý nghĩa kinh tế rất lớn so với các loại khí nén khác, vì chỉ cần ít không gian có thể chứa được một lượng LPG lớn. Giới hạn cháy nổ Giới hạn cháy nổ hơi gas trong hỗn hợp khí gas hay trong hỗn hợp oxy – gas là phần trăm về thể tích gas để tự bắt cháy, nổ. Giới hạn cháy nổ của gas trong không khí hẹp, từ 1,5 ÷ 10%.
Chính vì vậy, LPG an toàn cháy nổ hơn nhiều nhiên liệu khác. Nhiệt độ SVTH: Nguyễn Văn Đúng, Nguyễn Hữu Ân, Lê Huỳnh Đức GVHD: ThS. Bùi Văn Hùng 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Nghiên cứu chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng bộ chế hòa khí thành động cơ phun LPG điều khiển điện tử Nhiệt độ tự bốc cháy: là nhiệt độ mà tại đó phản ứng cháy tự xảy ra đối với hỗn hợp không khí – nhiên liệu. Cụ thể được thể hiện bằng bảng sau: Bảng 1.
1: Nhiệt độ bắt cháy của một số nhiên liệu tại áp suất khí quyển STT Nhiệt độ cháy tối thiểu (OC) Trong không khí Trong oxy 1 Propan 400 ÷ 580 470 ÷ 575 2 Butan 410 ÷ 550 280 ÷ 550 3 Xăng 280 ÷ 430 >240 4 Dầu DO 250 ÷ 340 >240 5 Acetylence 350 ÷ 500 295 ÷ 440 Nhiệt độ ngọn lửa cao: - Butan : 1900 oC - Propan: 1935 oC e. Trị số Octan LPG là chất có chỉ số Octan nghiên cứu (RON) cao, dễ dàng đạt trị số 98, chỉ số Octan động cơ theo (MON) cũng cao hơn xăng. 2: Bảng chỉ số Octan RON và MON của LPG Thành phần RON MON Propan >100 100 n-Butan 95 92 Iso-Butan >100 99 Butan 98 80 Một số tính chất của các thành phần LPG được thể hiện bằng bảng sau: Bảng 1. 3: Bảng một số tính chất của Propan và Butan Đặc tính Propan Butan Khối lượng phân tử 40,09 58,12 SVTH: Nguyễn Văn Đúng, Nguyễn Hữu Ân, Lê Huỳnh Đức GVHD: ThS.
Bùi Văn Hùng 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Nghiên cứu chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng bộ chế hòa khí thành động cơ phun LPG điều khiển điện tử Khối lượng riêng 15oC,Kg/lít 0,510 0,580 Nhiệt độ tự bốc cháy 460 580oC 410550oC Nhiệt độ đông đặc -187,8oC -138oC Nhiệt trị thấp MJ/lít 25,5 28,7 Nhiệt trị thấp Kcal/kg 11070 10920 Nhiệt trị thấp MJ/kg 46,1 45,46 Giới hạn cháy theo % thể tích 2,37%9,5% 1,86%8,41% Số lít trên mỗi tấn (lít/tấn) 1630 1720 Số ốctan động cơ (MON) 101 93 Số ốctan thí nghiệm (RON) 111 103 Vận tốc ngọn lửa ở ngoài không khí 4685cm/s 4087cm/s Một số tính chất của LPG so sánh với xăng và dầu được trình bày ở bảng sau: Bảng 1. 4: Bảng so sánh tính chất của các nguồn nhiên liệu Đặc tính Propans Butan Petrol Diesel Tỉ trọng ở 15oC (kg/lit) 0,508 0,584 0,730,78 0,810,85 Áp suất bay hơi ở 37,8oC 12,1 2,6 0,50,9 0,003 (bar) Nhiệt độ sôi -43oC -0,5oC 30225oC 150560oC RON 111 103 9698 - MON 101 93 8587 - Nhiệt trị thấp (MJ/Kg) 46,1 45,46 44,03 42,4 Nhiệt trị thấp (MJ/lít) 23,42 26,55 32,24 35,2 SVTH: Nguyễn Văn Đúng, Nguyễn Hữu Ân, Lê Huỳnh Đức GVHD: ThS. Bùi Văn Hùng 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Nghiên cứu chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng bộ chế hòa khí thành động cơ phun LPG điều khiển điện tử Tỉ số A/F 15,8 15,6 14,7 1. Những ưu điểm của LPG thay cho xăng và Diesel Các thành phần hóa học của LPG tương đối ít, do đó dễ dàng thực hiện việc điều chỉnh đúng tỉ lệ hỗn hợp nhiên liệu và không khí để quá trình cháy xảy ra hoàn toàn.
Ưu điểm này đem lại đặc tính cháy sạch cho LPG. Điều này đã được nhóm nghiên cứu của thầy Bùi Văn Ga công bố bởi đồ thị dưới đây: Hình 1. 2: So sánh nồng độ HC trong khí xả xe máy 110cc khi chạy bằng xăng và bằng LPG [8] Hình 1. 3: So sánh nồng độ CO trong khí xả xe máy 110cc khi chạy bằng xăng và bằng LPG [8] Cả hai Propan và Butan được hoá lỏng một cách dễ dàng và đựng trong các bình chứa áp suất.
Đặc tính này làm cho nhiên liệu có tính cơ động cao, do đó có thể vận chuyển dễ dàng trong các bình hoặc các thùng chứa đến người sử dụng. LPG là chất thay thế tốt cho xăng trong các động cơ xăng. 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 [3]. Các đặc tính cháy sạch và dễ vận chuyển của LPG cung cấp một chất thay thế cho các nhiên liệu bản xứ chẳng hạn như gỗ, than đá và các chất hữu cơ khác.
Đây là giải pháp tốt để hạn chế nạn phá rừng và làm giảm các chất thải rắn (PM) nguy hiểm vào bầu khí quyển được gây ra bởi việc đốt cháy các nhiên liệu bản xứ [3]. Thay thế SVTH: Nguyễn Văn Đúng, Nguyễn Hữu Ân, Lê Huỳnh Đức GVHD: ThS. Bùi Văn Hùng 7 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Nghiên cứu chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng bộ chế hòa khí thành động cơ phun LPG điều khiển điện tử cho chất nổ và chất làm lạnh f (fluorocarbons), giúp hạn chế nguyên nhân gây phá hủy tầng ô zôn của trái đất [12]. Những vấn đề phát sinh khi sử dụng nhiên liệu LPG Khi sử dụng LPG trên động cơ xăng, dựa vào tính chất của LPG và xăng chúng ta thấy phát sinh những vấn đề sau: - Khả năng bay hơi với áp suất rất cao, nên khi động cơ sử dụng LPG phải có tỷ số nén cao, vì vậy lực khí thể được tạo ra ở quá trình cháy tăng làm nâng cao công suất động cơ [12].
- Nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cháy nhỏ làm động cơ hoạt động ổn định trong thời gian dài [8] - Về tỉ trọng LPG nhẹ hơn xăng, khả năng hóa hơi của LPG lớn, nên LPG dễ dàng hòa trộn với không khí mang lại hiệu quả cao và quá trình cháy làm sạch muội than giúp nâng cao tuổi thọ của các chi tiết trong buồng đốt động cơ [8]. - Trị số ốc tan cao, khả năng chống kích nổ tốt nên động cơ chạy LPG có thể tăng tỉ số nén cao, đồng thời thay đổi góc đánh lửa sớm của động cơ cho phù hợp [12]. - Tỉ số A/F của LPG cao (15,5) nên đảm bảo động cơ chạy với tỉ lệ hòa khí nghèo hơn so với chạy bằng nhiên liệu xăng (14,7). Do đó, động cơ chạy bằng LPG sẽ tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường [8].
Tổng quan về động cơ nguyên thuỷ HONDA GX160 1.