MỞ ĐẦU
I/ LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Điều khiển tự động là cơ sở lý thuyết của điều khiển học kỹ thuật, tích hợp
nhiều chuyên ngành của cơ khí, điện, điện tử, công nghệ thông tin. Đến nay, điều
khiển tự động đã đạt trình độ cao, đóng vai trò quan trọng đến sự tiến bộ khoa học,
phát triển kỹ thuật và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, dân dụng,
chế biến thực phẩm, hàng không vũ trụ, giao thông vận tải… Đặc biệt, chúng đã hỗ
trợ hầu hết các hệ thống điều khiển trên các ôtô thế hệ mới.
- Tính cấp thiết của đề tài
Nghiên cứu hoàn thiện quá trình cháy động cơ đốt trong nhằm tăng tính an
toàn, tăng công suất có ích của động cơ, tiết kiệm nhiên liệu đạt hiệu quả kinh tế -
kỹ thuật, giảm thiểu ô nhiễm môi trường đã trở thành mục tiêu hàng đầu của các
nhà khoa học và các hãng chế tạo ôtô [14]. Nghiên cứu quá trình cung cấp nhiên
liệu vào buồng cháy động cơ đã được thực hiện từ lâu. Ban đầu hệ thống nhiên liệu
dùng bộ chế hòa khí đơn giản đến nay sử dụng hệ thống phun xăng điện tử kết hợp
công nghệ tiên tiến như van nạp biến thiên thông minh (VVT-i, VTEC…) kết hợp
hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIC) đã đánh dấu sự tiến bộ vượt bậc về lãnh vực ứng
dụng công nghệ thông tin và ngành điện tử vào việc cung cấp nhiên liệu xăng cho
động cơ ôtô [48], [52].
Nhiên liệu đang dùng cho các loại động cơ đốt trong chủ yếu là nhiên liệu
truyền thống khai thác từ các mỏ dầu trong lòng đất, dự báo nhiên liệu này sẽ cạn
kiệt trong tương lai không xa [16]. Hơn nữa, ô nhiễm môi trường do khí thải gây ra
của động cơ đốt trong dùng nhiên liệu truyền thống đã được cảnh báo rất sớm. Tại
các quốc gia đã và đang phát triển, Luật bảo vệ môi trường được quy định bởi
những tiêu chuẩn rất khắt khe về thành phần khí thải của động cơ . Nồng độ các
chất ô nhiễm CO
2
, CO, NO
x
, HC, bồ hóng…có mặt trong khí thải động cơ có xu

hướng gia tăng mạnh gây hiệu ứng nhà kính, nhiệt độ bầu khí quyển tăng lên…[13],
[20], [33]. Môi trường không khí bị ô nhiễm gây ra nhiều căn bệnh nan y như bệnh
ung thư đường hô hấp, phổi… Trước những thách thức ấy, các nhà khoa học miệt
mài nghiên cứu tìm kiếm loại nhiên liệu mới thay thế nhiên liệu truyền thống [8].
Các nhiên liệu “sạch” đều được chọn thử nghiệm, trong đó nhiên liệu khí dầu mỏ
hóa lỏng LPG có nhiều ưu điểm hơn [13]. Các công trình nghiên cứu ứng dụng trên
thế giới và trong nước đã khẳng định vai trò thay thế của LPG trong việc cung cấp
nhiên liệu cho động cơ đốt trong; đặc biệt các loại động cơ dùng làm nguồn động
lực của ôtô [16], [33], [64].
- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Các đề tài nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) thay
thế nhiên liệu truyền thống của GS-TSKH Bùi Văn Ga, PGS-TS. Trần Văn Nam,
TS. Trần Thanh Hải Tùng và các luận án của TS. Dương Việt Dũng, TS. Nguyễn
Hữu Hường, TS. Hồ Tấn Quyền, TS. Nhan Hồng Quang, TS. Phan Minh Đức
cùng các nghiên cứu của nhiều tác giả khác đã minh chứng tính ưu việt và khả năng
sử dụng nhiên liệu này vào động cơ đốt trong ở Việt Nam [8], [16], [63]. Với các
phương pháp tạo hỗn hợp cung cấp nhiên liệu LPG vào buồng cháy động cơ như
phun nhiên liệu khí LPG vào đường nạp, phun trực tiếp nhiên liệu LPG ở trạng thái
lỏng vào buồng cháy và phương pháp hút nhiên liệu LPG ở trạng thái khí vào buồng
cháy động cơ thông qua họng khuếch tán đều được nghiên cứu; trong đó phương
pháp hút nhiên liệu khí LPG qua họng khuếch tán vào động cơ ôtô phù hợp và
thuận tiện trong điều kiện nước ta. Các đề tài trước đây đã nghiên cứu như thiết kế
van tiết lưu cơ khí GB1 [15], van tiết lưu chân không GB3 [33], hoặc cải tạo bộ hóa
hơi - giảm áp LPG dùng hệ thống làm đậm (giàu) nhiên liệu được điều khiển bằng
mạch điện tử IC với các van solenoid (ON/OFF) khi tăng tốc [43]…
Nhiên liệu LPG trạng thái lỏng ở bình chứa (áp suất ≥ 0,7 [MN/m²]) sẽ hóa
hơi hoàn toàn khi thỏa mãn nhiệt độ ≥ 315 [ºK]) [33]. Nguồn nhiệt hóa hơi là nhiệt
lượng đầu ra của hệ thống nước làm mát của động cơ thực nghiệm (nhiệt độ nước
làm mát T
H2O

= 333 ÷ 350 [ºK]) cung cấp nhiệt cho bộ hóa hơi - giảm áp, nhiên liệu
lỏng LPG được hóa hơi hoàn toàn. Nhận thấy khi động cơ dùng nhiên liệu LPG
hoạt động ở các chế độ khác nhau, cần thiết phải đảm bảo cung cấp đủ nhiên liệu và
tỉ lệ thành phần LPG - không khí phù hợp. Muốn động cơ hoạt động tiết kiệm nhiên
liệu, hiệu quả và quá trình cháy luôn thỏa mãn hệ số dư lượng không khí α dao động
lân cận giá trị 1 (quá trình cháy lý tưởng) [14], nhiệm vụ đặt ra là nghiên cứu thiết
kế bộ điều chỉnh cung cấp nhiên liệu LPG làm việc ở các chế độ hoạt động của
động cơ và không ảnh hưởng đến hệ thống nhiên liệu nguyên thủy. Do đó, sử dụng
nhiên liệu LPG với bộ hóa hơi - giảm áp đạt tiêu chuẩn của nước ngoài, động cơ
thực nghiệm hoạt động bình thường cần thiết phải thiết kế lắp trên đường nạp một
họng khuếch tán, một van tiết lưu hình côn trên đường chính cung cấp LPG và một
van chân không gắn gicleur trên đường không tải để cấp nhiên liệu cho buồng cháy
động cơ. Việc điều chỉnh van cung cấp nhiên liệu LPG trên các đường nhiên liệu
này nhờ một mạch điện tử điều khiển động cơ bước sử dụng tín hiệu của các cảm
biến tốc độ, cảm biến vị trí bướm ga và cảm biến oxy. Trước những đòi hỏi cao về
kinh tế, tính thích ứng, tính thuận lợi khi chế tạo, lắp đặt điều chỉnh, bảo dưỡng
phương án thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh điện tử cung cấp LPG phải đảm bảo làm
việc chính xác, kích thước tương đối gọn, kết cấu đơn giản, tính năng tốt về tĩnh
học, động học và điều kiện hoạt động trên ôtô.
II/ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động cung cấp nhiên liệu LPG cho ôtô
thế hệ mới góp phần tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
III/ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ đánh lửa cưỡng bức, cụ thể động
cơ DAEWOO A16 DMS lắp trên ôtô NUBIRA do Hàn Quốc sản suất năm 2001.
IV/ PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU
- Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu kết hợp lý thuyết với thực nghiệm;
Phân tích, so sánh kết quả thực nghiệm với số liệu tính toán lý thuyết để
chọn phương pháp tối ưu.

- Thiết bị nghiên cứu
Thiết bị thí nghiệm động cơ tại Trung tâm Thí nghiệm động cơ và ôtô,
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.
Thiết bị thí nghiệm AVL tại khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách
khoa, Đại học Đà Nẵng.
V/ CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh cung cấp LPG cho động cơ đánh
lửa cưỡng bức” kết cấu gồm phần mở đầu, kết luận - kiến nghị và năm chương; cụ
thể là:
Phần mở đầu
Chương 1- Tổng quan
1.1. Nhiên liệu “sạch” - xu hướng giảm thiểu ô nhiễm môi trường;
1.2. Tình hình sử dụng nhiên liệu LPG cho động cơ đốt trong;
1.3. Các phương pháp cấp nhiên liệu LPG;
1.4. Phạm vi và nội dung nghiên cứu.
Chương 2- Cơ sở lý thuyết
2.1. Đặc điểm quá trình cháy của nhiên liệu LPG;
2.2. Cơ sở tính toán quá trình cháy hỗn hợp LPG - không khí;
2.3. Tính toán nhiệt động cơ thực nghiệm;
2.4. Các chế độ cấp nhiên liệu cần thiết của động cơ thực nghiệm;
2.5. Điều khiển tự động và vi điều khiển.
Chương 3- Thiết kế và tính toán
3.1. Thiết kế họng khuếch tán;
3.2. Cải tạo bộ hóa - hơi giảm áp;
3.3. Thiết kế van cung cấp không tải;
3.4. Thiết kế van chính cung cấp LPG;
3.5. Thiết kế mạch điều khiển cung cấp LPG.
Chương 4- Nghiên cứu thực nghiệm
4.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm;
4.2. Đo các chỉ tiêu kinh tế- kỹ thuật của động cơ thực nghiệm dùng LPG và xăng;

4.3. Xây dựng đường đặc tính động cơ.
Chương 5- So sánh các kết quả thực nghiệm
5.1. Đánh giá kết quả thực nghiệm;
5.2. Phân tích hoạt động của bộ điều chỉnh cung cấp LPG;
Phần kết luận và kiến nghị
Chương 1- TỔNG QUAN
Nghiên cứu các loại nhiên liệu sử dụng trên ôtô có khả năng giảm thiểu ô
nhiễm môi trường, việc sử dụng nhiên liệu LPG trong nước - thế giới và các
phương pháp cung cấp nhiên liệu này cho động cơ ôtô nhằm đề ra nội dung và
phạm vi nghiên cứu hợp lý.
1.1. NHIÊN LIỆU “SẠCH” – XU HƯỚNG GIẢM THIỂU Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG
Nhiên liệu truyền thống được tạo ra từ xác các động vật, thực vật chết cách
đây khoảng 300 triệu năm ở sâu trong lòng đất là nhiên liệu đã và đang được sử
dụng trong các động cơ đốt trong. Nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên không
thể tái sinh. Toàn thế giới trong mỗi giây khoảng 900 tấn nhiên liệu carbon liên tục
được giải phóng. Tuy nhiên nhiều vấn đề môi trường phát sinh từ việc sử dụng
nhiên liệu này. Các nhà khí hậu học tiên đoán rằng mức độ diocide carbon tiếp tục
tăng nhanh. Hậu quả dẫn đến ảnh hưởng sức khỏe của con người và đe dọa đến môi
trường sống. Hơn nữa; giá xăng dầu biến động liên tục, dầu thô sản xuất xăng ngày
càng cạn kiệt trong tương lai không xa. Do đó, việc tìm kiếm các nhiên liệu “sạch”
thay thế nhiên liệu truyền thống là một sự lựa chọn đúng đắn, cấp bách và thiết
thực. Các nhiên liệu “sạch” ngày nay đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên
cứu là khí dầu mỏ hóa lỏng LPG, khí thiên nhiên CNG, nhiên liệu cồn, dầu thực vật
(biodiesel), Pin nhiên liệu (FC), nhiên liệu hydrogen…
1.1.1. Khí thiên nhiên
1.1.1.1. Đặc điểm
Khí thiên nhiên được phát hiện rất sớm và khai thác từ những hầm túi khí
nằm sâu trong lòng đất vào thế kỷ 19. Chúng là nguồn năng lượng “sạch” có trữ
lượng lớn được cung cấp ổn định và hiệu quả kinh tế cao. Ngày nay khí thiên nhiên
đã và đang nghiên cứu ứng dụng làm nguồn nhiên liệu trong động cơ đốt trong.

1.1.1.2. Tính chất vật lý
• Nhiên liệu CNG rất dễ bốc hơi ở điều kiện bình thường, chúng tồn tại ở
trạng thái khí.
• Chỉ số octane lớn hơn so với xăng (chỉ số RON =130 và chỉ số MOM =
115).
• Chỉ số cetane nhỏ hơn so với dầu diesel.
• Nhiệt trị khối lượng của CNG cao hơn 10% so với nhiên liệu lỏng truyền
thống.
• Khối lượng riêng ở thể khí thay đổi từ 0,73 ÷ 0,82 [kg/m
3
] tùy theo xuất xứ.
• Tỷ lệ không khí nhiên liệu CNG cháy hoàn toàn thay đổi 14,1 ÷ 17,1.
• Cùng hiệu suất, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ dùng CNG thấp hơn
của xăng, dầu diesel.
1.1.1.3. Sử dụng CNG trong động cơ
Khí thiên nhiên có thể dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong 4 kỳ dưới
dạng thể khí như động cơ dùng nhiên liệu LPG hoặc kết hợp xăng với tỷ lệ 10% đến
20% nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình cháy và giảm thành phần CO phát ra
trong khí thải động cơ. Giữa khí thiên nhiên và xăng có một số điểm khác biệt về
nhiệt độ tự bốc cháy, nhiệt độ đoạn nhiệt, chỉ số octane, độ nhớt, khả năng dự trữ
nên ôtô dùng CNG cần thay đổi một số bộ phận như bình chứa nhiên liệu, khung
gầm, vật liệu chế tạo chi tiết động cơ (các piston chịu nén tốt, các soupape thải được
gia cố bằng hợp kim mạ kẽm).
1.1.1.4. Mức độ phát ô nhiễm của ôtô vận tải dùng nhiên liệu CNG.
Trong mọi trường hợp, mức độ phát HC gần với giá trị cho phép của luật bảo
vệ môi trường, mức độ phát CO, NO
X
và bồ hóng rất thấp nếu động cơ làm việc với
ψ = 1 và có lắp bộ xúc tác ba chức năng. Nồng độ này sẽ cao hơn trong giới hạn cho
phép nếu dùng hỗn hợp nghèo.

Động cơ dùng CNG phát thải nhiều methane (khoảng 90%) nhưng ít CO
2
so
với động cơ nhiên liệu lỏng. Trong khí thải CNG, các chất khí CH
4
, CO
2
, N
2
O (gây
hiệu ứng nhà kính) thấp hơn 20% so với động cơ xăng và 5% so với động cơ diesel.
‘Bảng 1.1 Mức độ gây phát sinh khí CO
2
gây hiệu ứng nhà kính theo chu trình
ECE đối với động cơ dùng xăng và dầu diesel:
Khí CO
2
(gCO
2
/km) CNG Xăng Diesel
Trước bộ xúc tác 267 356 280
Sau bộ xúc tác 231 310 251
Ưu điểm lớn nhất của động cơ ôtô dùng CNG là giảm thiểu đáng kể ô nhiễm
môi trường. Khi so sánh với ôtô cùng loại dùng xăng, chất ô nhiễm của loại ôtô này
có thể giảm 93% lượng CO thải ra, 33% lượng oxid nitrogen và 50% lượng hydro
carbon.
1.1.2. Nhiên liệu cồn
1.1.2.1. Đặc điểm
Cồn là nhiên liệu sinh học được chế biến từ bã mía, tinh bột sắn, ngô … có
thể tái sinh được, vừa giảm thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường, vừa hạn

chế dùng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch. Cồn có hai loại chính dùng nhiên liệu
động cơ đốt trong là cồn methanol và cồn ethanol. Ethanol giống như methanol
nhưng sạch hơn và ít chất độc. Dùng cồn làm nhiên liệu cho động cơ để pha vào
xăng trong ngành vận tải [64]. Nước ta là nước nông nghiệp, các loại phế phẩm thực
vật khá dồi dào nhất là những nơi sản xuất sắn khoai, ngô, mía đường. Với hơn 50
nhà máy đường trong nước tổng công suất gần 100.000 tấn mía/ngày, khả năng mỗi
năm có thể sản xuất 100 triệu lít cồn. Nếu sử dụng cồn để pha chế nhiên liệu hỗn
hợp thì hằng năm nguồn nguyên liệu phế thải này có thể thu được 650 tỷ đồng [38].
1.1.2.2. Thành phần hóa học
Cồn methanol có thành phần chính là CH
3
OH và cồn ethanol là C
2
H
5
OH.
Tùy theo công nghệ sản xuất mà cồn có những tạp chất và lượng nước khác nhau.
1.1.2.3. Tính chất vật lý
• Tính bay hơi của ethanol ở nhiệt độ thấp thua xăng. Do đó rất khó khởi động
động cơ. Ở nhiệt độ 78
0
C ethanol bay hơi hết. Tính bay hơi của hỗn hợp ethanol -
diesel cao hơn diesel, hòa khí hình thành nhanh hơn. Khi tăng nhiệt độ quá cao, cồn
sẽ khó tự cháy.
• Trị số octane của cồn cao hơn so với xăng. Trị số này càng tăng khi tỷ lệ
cồn trong hỗn hợp này tăng. Do đó động cơ đánh lửa cưỡng bức dùng hỗn hợp xăng
– ethanol không bị cháy kích nổ.
• Tỷ trọng và độ nhớt của hỗn hợp xăng – ethanol cao hơn xăng nên tính lưu
động của hỗn hợp này sẽ kém hơn xăng, ảnh hưởng đến việc lưu thông nhiên liệu
qua lỗ gicleur.

• Độ nhớt của hỗn hợp ethanol - diesel sẽ giảm nhiều so với diesel khi tăng tỷ
lệ ethanol trong hỗn hợp.
• Trị số cetane ethanol rất thấp. Muốn hỗn hợp được hòa trộn đồng nhất,
phương pháp khuấy trộn liên tục được sử dụng bằng bơm cánh quạt.
• Tính ăn mòn kim loại: Ethanol có chứa acid acetic làm giảm tuổi thọ động
cơ, nó ăn mòn các chi tiết máy động cơ làm bằng kim loại.
• Nhiệt trị thấp của ethanol bé hơn xăng nên suất tiêu hao nhiên liệu cồn tăng.
• Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy của ethanol nhỏ hơn rất nhiều so với
xăng và diesel cần thiết phải tăng tỷ số nén, mở rộng lỗ gicleur nhiên liệu ở bộ chế
hòa khí và tăng thêm trị số góc đánh lửa sớm [38].
1.1.2.4.Cồn sử dụng trong động cơ nhiệt
Có 3 phương pháp sử dụng nhiên liệu cồn trong động cơ đốt trong:
• Sử dụng nhiên liệu cồn thuần túy thay thế xăng và diesel. Khả năng này khó
thực hiện vì động cơ rất khó khởi động, cồn có tính ăn mòn kim loại, suất tiêu hao
nhiên liệu tăng vì nhiệt trị thấp của cồn bé hơn rất nhiều so với xăng và diesel.
• Có thể trộn lẫn ethanol vào diesel hoặc cồn phun vào đường ống nạp cùng
với không khí trước bộ tăng áp, sau đó đưa vào buồng cháy.
• Dùng nhiên liệu cồn trộn lẫn với xăng thành hỗn hợp gasohol. Phương án
này khả thi nhất. Thay thế các chi tiết máy động cơ không bị ăn mòn bởi acid acetic
hoặc pha các chất phụ gia tăng chỉ số octane cuả cồn [34]
1.1.2.5.Ô nhiễm môi trường khi cồn làm nhiên liệu cho động cơ
Khi dùng cồn cho động cơ đánh lửa cưỡng bức, hàm lượng pha trộn cồn vào
xăng và lượng nhiệt bay hơi của cồn sẽ ảnh hưởng đến mức độ phát ô nhiễm môi
trường. Thực nghiệm cho thấy lượng CO xấp xỉ như động cơ dùng xăng, các
aldehyde (hợp chất không cháy) lớn gấp đôi so với xăng [38]
Khi cồn ethanol pha vào diesel dùng trên động cơ diesel thì khói đen giảm
nhiều. Lượng HC tăng lên do không khí và thành cylinder bị thu nhiệt cục bộ. Cồn
bay hơi làm cho lượng NO
x
giảm vì nhiệt độ cháy thấp và thời gian đỉnh ngọn lửa

ngắn [57].
‘Bảng 1.2 Lượng chất ô nhiễm trong khí thải động cơ dùng cồn diesel:
Chất ô nhiễm CO (g/km) HC (g/km) NO
x
(g/km) Muội than (g/km)
Cồn ethanol 5,3 1,9 20,4 1,1
Dầu diesel 5,9 2,2 21,8 1,2
Kết quả thực nghiệm cho thấy:
• Đường đặc tính công suất của động cơ dùng hỗn hợp (10% cồn+90% xăng)
gần giống như đường đặc tính động cơ dùng xăng ở chế độ 50% tải.
• Đường đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ dùng gasohol cao hơn
khi dùng xăng ở chế độ 50% tải.
• Đường đặc tính mức độ phát tải của chất ô nhiễm cho thấy: nồng độ CO,
CO
2
, NO
x
diễn biến phức tạp tùy thuộc rất nhiều vào số vòng quay động cơ và có
sự khác biệt tỷ lệ thành phần của cồn pha với xăng hay diesel [13], [34].
1.1.3. Dầu thực vật – biodiesel
1.1.3.1.Đặc điểm
Dầu thực vật là loại dầu được chiết suất từ những hạt ngũ cốc như đậu
phụng, dầu củ cải, dầu dừa, dầu cọ, dầu đậu nành. Dầu thực vật có thể tái sinh được
và chọn các loại dầu không ăn được làm nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ.
1.1.3.2.Thành phần hóa học
Dầu thực vật có công thức tổng quát C
x
H
y
O

r
với lượng oxygen khá lớn, thuận
tiện cho quá trình cháy và động cơ dùng nhiên liệu dầu thực vật có thể làm việc với
hệ số dư lượng không khí α nhỏ.
Dầu thực vật gồm 95% các triglyceride và 5% các acid béo tự do.
‘Bảng 1.3 Tính chất của các dầu thực vật:
TT Đặc tính
Đơn
vị
Các loại dầu
Đậu
phụng
Đậu
nành
Dầu
dừa
Dầu
cải
Dầu
cọ
Dầu
bông
Diesel
1 Khối lượng riêng g/cm
3
0,914 0,920 0,915 0,916 0,915 0,921 0,836
2 Độ nhớt ở 20
0
C cSt
85 58÷63 30÷37 77 95÷106 73 5,3

3 Nhiệt trị MJ/kg
39,33 37,30 37,10 37,40 36,92 36,78 43,80
4
Chỉ số cetane
39÷41 36÷38 40÷42 38 38÷40 35÷40 46
• Tính bốc hơi: Ở nhiệt độ bình thường dầu thực vật bốc hơi giống như dầu
diesel. Khi nhiệt độ tăng cao khả năng bốc hơi kém. Dầu thực vật không hoàn toàn
bay hơi hết, do đó nó thường đóng cặn trên thành buồng cháy động cơ.
• Độ nhớt: Dầu thực vật có độ nhớt cao hơn diesel khoảng vài chục lần. Độ
nhớt giảm khi nhiệt độ tăng và ảnh hưởng lớn đến việc di chuyển dầu trên đường
ống dẫn, bầu lọc, chất lượng phun nhiên liệu và hòa trộn hỗn hợp.
• Chỉ số cetane của dầu thực vật thấp hơn so với dầu diesel.
• Nhiệt trị dầu thực vật nhỏ hơn nhiệt trị xăng hay dầu diesel.
• Dầu thực vật được xử lý để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong theo các
phương pháp: Phương pháp sấy nóng nhiên liệu, phương pháp pha lỏng, phương
pháp Craking, phương pháp nhũ tương hóa, phương pháp Ester hóa.
1.1.3.3.Biodiesel
Biodiesel là sản phẩm của quá trình ester hóa các acid hữu cơ chứa nhiều
trong dầu thực vật. Biodiesel có đặc tính gần giống như diesel nên có thể dùng trực
tiếp cho động cơ đốt trong.
‘Bảng 1.4 Tính chất của các biodiesel:
TT Đặc tính Đơn vị
Các loại dầu
Metyl dầu dừa Metyl dầu cải Diesel
1 Khối lượng riêng g/cm
3
0,886 0,880 0,836
2 Độ nhớt ở 20
0
C cSt 5,3 7,09 5,3

3 Nhiệt trị MJ/kg 37,83 37,70 43,80
4 Chỉ số cetane 43 43 52
1.1.3.4. Sử dụng dầu thực vật trong động cơ
Dầu thực vật thường được dùng dưới dạng ester hóa. Khi hòa trộn vào nhiên
liệu truyền thống khoảng 5% đến 25% thì kết cấu động cơ không phải thay đổi. Kết
cấu hệ thống nhiên liệu của động cơ nguyên thủy phải cải tạo lại và thêm thiết bị
phụ trợ giúp dễ khởi động hay khi tăng hàm lượng dầu thực vật cao hơn 25%. Vì độ
nhớt cao, sức căng bề mặt lớn nên để hòa trộn đều với không khí và được phun tơi
nhiên liệu vào buồng cháy, động cơ cần sử dụng loại buồng cháy ngăn cách kiểu
xoáy lốc.
1.1.4. Nhiên liệu hydrogen
1.1.4.1.Đặc điểm
Hydrogen được sản xuất từ nước và năng lượng mặt trời (Solar hydrogen).
Nước và ánh nắng mặt trời có ở khắp mọi nơi trên mặt đất. Hydrogen từ năng lượng
mặt trời là nguồn nhiên liệu vô tận bảo đảm an toàn năng lượng cho loài người mà
không sợ khủng hoảng, không sợ cạn kiệt; có thể sử dụng nhiều thế kỷ. Nhiên liệu
hydrogen đã được sản xuất cung cấp điện cho tàu vũ trụ Apollo từ những năm 60
của thế kỷ 20 và tiếp tục sử dụng pin nhiên liệu này cho các tàu Skylab, Space
Shuttle và trạm nghiên cứu không gian của NASA. Đồng thời với việc cung cấp
điện, bản thân pin nhiên liệu còn cung cấp nước uống siêu sạch cho các phi hành
gia.
1.1.4.2.Hoạt động của pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu hoạt động theo nguyên lý ngược quá trình sản xuất hydrogen.
Với nguyên liệu là nước, được phân giải thành hydrogen và oxygen khi cung cấp
một năng lượng cần thiết. Ngược lại, nếu cho hydrogen và oxygen kết hợp lại trong
điều kiện nhất định sẽ nhận được nước và một năng lượng tương ứng.
1.1.4.3.Hydrogen dùng làm năng lượng cho động cơ
Hiện nay nhiều hãng ôtô nổi tiếng như Honda, Ford, Mercedes Benz đã trưng
bày giới thiệu dòng ôtô hoàn toàn không thải khói (Zero Emission Vehicle - ZEV)
sử dụng nhiên liệu hydrogen trong các cuộc triển lãm ôtô quốc tế. Tháng 4-2007, ở

Hoa Kỳ, 200 ôtô và xe buýt chạy bằng nhiên liệu hydrogen đã hoạt động. Năm 2008
các thế hệ ôtô không thải khói (ZEV) đã trưng bày ở Nhật với các hiệu Honda
Insight, Ford Escape Hybrid, Toyota Prius, Toyota Camry Hybrid
1.1.4.4.Môi trường và ôtô sử dụng nhiên liệu hydrogen
Khác với nguồn năng lượng hạt nhân, hydrogen là nguồn nhiên liệu an toàn
đối với con người, có ý nghĩa to lớn đối với vấn đề giải quyết ô nhiễm bầu khí
quyển và sự biến đổi khí hậu toàn cầu. Ngày nay, phương thức sản xuất nguồn năng
lượng mặt trời để tạo ra điện năng phục vụ đời sống con người và nhiên liệu dùng
cho các phương tiện giao thông thực sự là cuộc cách mạng sâu sắc trong quá trình
phát triển xã hội loài người.
1.1.5. Năng lượng điện
Ôtô dùng năng lượng điện được xếp vào loại ôtô sạch (ZEV), hoạt động rất
êm, ít bảo dưỡng, dễ sửa chữa. Động cơ điện dùng cho ôtô có hai loại chính là động
cơ xoay chiều (AC) và động cơ một chiều (DC). Các loại bình điện hiện nay: Bình
điện NiMH, bình điện Li-ion, bình điện Li-Polyme Động cơ DC dễ điều khiển,
giá thành thấp nhưng cồng kềnh và nặng nề. Động cơ xoay AC đạt được hiệu suất
cao trên phạm vi rộng nhưng hoạt động nhờ vào bộ điều khiển điện tử phức tạp, giá
thành cao.
1.1.6. Nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng LPG
Nhiên liệu hóa thạch không phải là tài nguyên vô tận và khí thải của nó có
nhiều tác hại đến môi trường sống. Ngoài các nhiên liệu “sạch” như khí thiên nhiên,
nhiên liệu cồn, dầu thực vật, nhiên liệu hydrogen làm nguồn năng lượng cho
phương tiện giao thông, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG có nhiều ưu điểm được ưa chuộng
hơn. Nhiên liệu LPG là hỗn hợp hydrocarbon thu được từ quá trình lọc dầu thô hoặc
từ quá trình làm tinh khiết khí thiên nhiên [43]
Thành phần chủ yếu của LPG là propane (C
3
H
8
) và butane (C

4
H
10
) [54]

1.1.6.1. Tính chất lý hóa
• Khí LPG là nhiên liệu không màu, không mùi (thực tế LPG được pha thêm
ethyt mecaptan có mùi đặc trưng để dễ phát hiện rò rỉ), không độc và không gây ô
nhiễm môi trường.
• Độ nhớt của LPG thấp hơn xăng và dầu diesel. Khả năng hoà trộn và khuếch
tán tốt. Trở lực trên đường ống không đáng kể. Chỉ số octane (RON ≈ 98) cao hơn
xăng, nên LPG không cần pha thêm chất phụ gia.
• Nhiệt trị theo khối lượng của nhiên liệu LPG lỏng tương đương với xăng.
• Tính chống kích nổ cao nên tăng hiệu suất động cơ.
• Nhiên liệu LPG được tồn trữ trong các bể chứa chịu áp lực lớn.
• Ở trạng thái bão hòa thông thường nhiên liệu LPG thể lỏng ở dưới và LPG
thể khí ở trên. Để tồn trữ an toàn, LPG chỉ chứa (80 ÷ 85)% thể tích bình chứa.
• Hàm lượng lưu huỳnh rất thấp 12[ppm] và không chứa chì, do đó các chất ô
nhiễm gốc lưu huỳnh do động cơ sử dụng nhiên liệu LPG phát ra rất ít.
• Nhiệt độ tự bốc cháy của LPG cao hơn so với xăng vì vậy thời gian đánh lửa
được kéo dài để động cơ dùng LPG làm việc được tốt hơn.
‘Bảng 2.1 Tính chất lý hóa của LPG (50% C
3
H
8
+ 50% C
4
H
10
) phụ lục 1.1, [16]:

TT Đặc tính Đơn vị Kết quả Phương pháp đo
a) b) c)
‘Hình 1.1 Mô hình phân tử khí hoá lỏng LPG.
a) Propane ; b) n - butane ; c) iso - butane
1 Thành phần:
ASTM D 2103 - 91
- Ethane C
2
H
6
% thể tích 2.14
- Propane C
3
H
8
% thể tích 49.15
- Butane i - C
4
H
10
% thể tích 24.78
- Butane n - C
4
H
10
% thể tích 21.4
- Pentane i - C
5
H
12

% thể tích 0.25
- Pentane n - C
5
H
12
% thể tích 0.28
2 Tỉ lệ Pro-Bu
C
3
H
8
51.56
CALCULATED
C
4
H
10
48.44
3
Khối lượng
C
3
H
8
kg/m
3
1,808
CALCULATED
C
4

H
10
kg/m
3
2,407
Khí LPG
kg/m
3
2,1075
ASTM D 1657 – 91
LPG lỏng
kg/lít 0,5377
4 Hàm lượng lưu huỳnh ppm 12
ASTM D 2784 - 98
5 Hàm lượng nước tự do % trọng lượng 0
BY VISUAL
6 Phân tử lượng gam 49,06
CALCULATED
7 Độ nhớt động học ở 20
0
C Poa 0,25
8 Áp suất khí LPG ở 37,8
0
C MN/m
2
0,91
ASTM D 1267 – 95
9 Nhiệt độ hóa hơi ở 760mmHg
0
C - 30 ÷ - 42

ASTM D 1837
10 Nhiệt độ tự bốc cháy
0
C 510
11
Nhiệt độ ngọn
lửa khi cháy
Propane
0
C 1935
Butane
0
C 1900
12
Nhiệt trị
thấp
-Theo thể tích MJ/m
3
46,856
-Theo khối lượng MJ/kg 98,75
1.1.6.2. Đặc tính của nhiên liệu LPG và xăng
• Lực căng mặt ngoài của LPG nhỏ. Nhiên liệu LPG dễ bay hơi. Việc hòa trộn
giữa LPG và không khí trong động cơ LPG tốt hơn so với xăng và dầu diesel.
• Lượng không khí cần đốt cháy một đơn vị thể tích LPG cao hơn so với xăng.
• LPG dễ cháy nổ hơn nhưng tốc độ cháy chậm hơn xăng. Do đó khi động cơ
làm việc ở tốc độ cao, công suất động cơ giảm (5 ÷ 8)%.
‘Bảng 2.2 So sánh đặc tính của xăng và LPG (50% C
3
H
8

, 50% C
4
H
10
) ở điều kiện
tiêu chuẩn p = 760 [mmHg] và t = 15 [
0
C]:
TT Đặc tính Ký hiệu Đơn vị LPG Xăng
1 Thành phần hóa học
50% C
3
H
8
,
50% C
4
H
10
14,5% H
2
,
85,5% C
2 Phân tử lượng μ
nl
kg/kmol 49,06 115
3 Khối lượng riêng 15
0
C ρ
15

kg/m
3
2,1075 0,75
4 Độ nhớt động học 20
0
C ν cSt 0,6 ÷ 0,85
5 Nhiệt độ bay hơi
0
C - 42 30 ÷ 190
6 Nhiệt độ tự cháy
0
C 400 240
7 Nhiệt ẩn hóa hơi kJ/kg 314
8
Nhiệt trị
thấp
Theo khối lượng MJ/kg 46,856 43,995
Theo thể tích MJ/m
3
98,75 32,996
9
Lượng không khí cần thiết
để đốt cháy 1 kg nhiên liệu
L
0
kgkk/kgnl 15,5335 14,6
10 Chỉ số octane - 110 ÷ 120 95
11 Chỉ số cetane - 15
12
Áp suất hơi bão hòa ở

15 ÷ 30
0
C
p
bh
kg/cm
2
7,8 0,095
1.2. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU LPG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Trong nhiều sản phẩm từ dầu mỏ, LPG là sản phẩm trung gian giữa khí thiên
nhiên và dầu thô được chế biến từ công đoạn lọc dầu và cũng là sản phẩm trong quá
trình tinh chế khí thiên nhiên.
1.2.1. Nhiên liệu LPG được sử dụng trên thế giới
Sử dụng nhiên liệu LPG cho các ngành công nghiệp, hóa dầu, giao thông vận
tải đã được xem là một giải pháp thiết thực để giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Giải
pháp này đã được áp dụng ở nhiều quốc gia, chủ yếu tại các khu vực kinh tế phát
triển và được chính phủ các nước quan tâm nhiều hơn đến môi trường và năng
lượng.
Với các ưu điểm an toàn, linh hoạt trong vận chuyển, tồn trữ, phân phối,
tỏa nhiệt lượng cao khi cháy và là ít chất độc hại trong khí thải, đồng thời không
chịu sức ép toàn cầu về bảo vệ môi trường, LPG là khí đốt khuyến khích tiêu dùng
trên toàn thế giới đạt gần 200 triệu tấn/năm với mức tăng trưởng hằng năm gần 4%.
Hiện nay, LPG có nhu cầu sử dụng đang gia tăng ở các ngành công nghiệp
hóa dầu và giao thông vận tải. Tổng lượng LPG tiêu thụ cho phương tiện giao thông
khoảng 11,8 triệu tấn/ năm (6% tổng mức tiêu thụ toàn cầu). Trên thế giới có hơn 4
triệu ôtô sử dụng LPG, tập trung gần 40 quốc gia khắp các châu lục, chủ yếu tại các
khu vực kinh tế phát triển. Vấn đề bức xúc đang được lãnh đạo các quốc gia này đặc
biệt quan tâm là ô nhiễm môi trường.
‘Hình 1.2 Tiêu thụ LPG theo ngành nghề.
‘Hình 1.3 Tiêu thụ LPG trên thế giới.

Các quốc gia có chính sách khuyến khích hỗ trợ sử dụng nhiên liệu LPG cho
phương tiện giao thông như sau:
• Italy là nước sử dụng ôtô LPG lớn nhất với số lượng nhiên liệu LPG tiêu
dùng 1,3 triệu tấn/năm. Hiện nay lượng ôtô dùng LPG ở Italy là 1,24 triệu chiếc
trong tổng số 33 triệu ôtô vận tải. Nhờ chính sách hỗ trợ hiện nay của chính phủ
nước này, nhiều ôtô sử dụng xăng dầu đã chuyển đổi để sử dụng nhiên liệu khí dầu
mỏ LPG, hạn chế lưu hành các ôtô dùng nhiên liệu truyền thống tại khu vực có mức
ô nhiễm cao. Mỗi ôtô chuyển đổi dùng LPG được chính phủ thanh toán 377USD/
chiếc và giảm lệ phí giao thông đối với ôtô dùng LPG.
• Anh Quốc là nước có tiềm năng nhất về sử dụng ôtô LPG với mức tăng
trưởng đạt tới 500%. Đầu năm 1999 mới chỉ có 3.500 ôtô LPG, đến năm 2004 số
ôtô LPG lên đến 250.000 chiếc.
• Ba Lan là quốc gia có mức chênh lệch thuế lớn nhất giữa LPG với các nhiên
liệu khác. Hiện nay có khoảng 470.000 ôtô dùng LPG và 1.900 trạm nạp LPG.
• Thổ Nhĩ Kỳ có số taxi dùng LPG chiếm 92% trong tổng số taxi. Giá LPG
dùng cho phương tiện giao thông chỉ bằng 34% so với giá các nhiên liệu khác.
• Trung Quốc có chính sách miễn thuế nhiên liệu 5 năm đối với ôtô LPG. Năm
1996, ôtô chạy bằng LPG đã có mặt ở các thành phố lớn Trung Quốc.
• Hàn Quốc sử dụng ôtô buýt, taxi, tải dùng nhiên liệu LPG rất phổ biến.
Nhiên liệu LPG tại nước này có chứa 95% butane.
• Thái Lan đã phấn đấu tăng số ôtô dùng LPG từ 1.500 chiếc lên 44.500 chiếc
trong năm 2008. Theo thống kê, Thái Lan đã tiết kiệm được 1,3 tỷ baht/năm từ chi
phí nhập khẩu dầu mỏ.
• Hồng Kông mở rộng mạng lưới trạm nạp LPG. Hỗ trợ 5.000 đôla Hồng
Kông cho mỗi ôtô chuyển đổi sang dùng LPG, tăng thuế đối với nhiên liệu diesel.
Với chính sách hỗ trợ này, sản lượng LPG đạt 280.000 tấn/năm.
• Ở Moscow (Nga), trong 10 năm trước đây, lượng ôtô tăng gấp 3 lần trong
khi đường sá không thay đổi, do đó ô nhiễm bầu không khí trở nên trầm trọng. Để
hạn chế ô nhiễm, nước Nga khuyến khích chuyển đổi ôtô chạy nhiên liệu lỏng sang
sử dụng nhiên liệu khí LPG hay khí thiên nhiên [16].

• Ấn Độ cho phép lưu hành ôtô LPG đã được 8 năm và ưu tiên phát triển các
phương tiện giao thông công cộng như ôtô buýt, taxi ở các thành phố lớn Bombay,
New Delhi
• Pháp là quốc gia sử dụng ôtô buýt khá sớm ở Châu Âu. Ôtô sử dụng LPG
càng ngày được giới thiệu rộng rãi ở Pháp. Cách đây 25 năm thành phố Poitiers đã
sử dụng 15 ôtô buýt chạy bằng LPG. Ở Paris có hơn 110 ôtô buýt LPG trên hệ
thống giao thông công cộng. Tours là thành phố có tỉ lệ ôtô buýt LPG nhiều nhất
nước Pháp. Hãng Renault đi đầu trong sản xuất ôtô LPG trên dây chuyền đồng bộ.
Ủy ban Butane–Probane (Pháp) khẳng định thị trường ôtô tiêu thụ LPG sẽ gia tăng
mạnh trong thời gian tới [43].
Và nhiều quốc gia ở châu Á,
châu Âu, Trung Mỹ, châu Đại
Dương đã khuyến khích, hỗ
trợ ôtô công cộng dùng LPG
hoạt động trong các thành phố
lớn và các khu vực thường bị
tắc giao thông để góp phần
giảm ô nhiễm môi trường.
1.2.2. Nhiên liệu LPG
được sử dụng trong nước
Những năm đầu của thế kỷ
trước, nhiên liệu LPG đã dùng
làm khí đốt ở các gia đình thành
thị nước ta. Gần đây, Đại học Đà
Nẵng là nơi có nhiều đề tài khoa
học và các dự án nghiên cứu ứng
dụng nhiên liệu LPG trên các
phương tiện giao thông cơ giới,
đặc biệt là các xe máy và ôtô.
Năm 1997, Công ty Dầu khí Sài

Gòn (nay là Công ty Petrolimex Việt Nam) đã liên kết các đơn vị ứng dụng nhiên
liệu LPG cho 20 taxi nội thành và xây dựng các trạm LPG cho ôtô. Tại Hà Nội,
Công ty Dầu khí Sông Hồng và Công ty Dịch vụ công cộng Hà Nội hợp tác nghiên
cứu chuyển đổi dùng nhiên liệu LPG cho ôtô buýt
Năm 2002, Công ty Cơ khí Ngô Gia Tự đã chuyển đổi ôtô xăng sang dùng
LPG và ngày nay đã có nhiều đội taxi chạy bằng LPG [16]. Nhận thức vấn đề an
ninh năng lượng là một trong những vấn đề sống còn nhằm đảm bảo cho sự thịnh
vượng và phát triển bền vững của khu vực. Đẩy mạnh ứng dụng các công nghệ có
phát thải thấp hơn và sạch hơn. Nâng cao năng lực và giảm giá thành các nguồn
năng lượng thay thế và năng lượng tái tạo bằng các quy trình tài chính đổi mới [60].
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP CẤP NHIÊN LIỆU LPG
Quá trình hình thành hỗn hợp nhiên liệu không khí trong động cơ đốt cháy
cưỡng bức là một quá trình vật lý diễn ra hết sức phức tạp. Chất lượng cháy của
động cơ này phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng hòa trộn không khí nhiên liệu. Phần
‘Hình 1.4 Trạm cung cấp LPG cho ôtô ở Pháp.
‘Hình 1.5 Khả năng cung ứng LPG ở Việt Nam.
lớn hỗn hợp nhiên liệu / không khí được hòa trộn với nhau bên ngoài cylinder tương
đối tốt về mặt chất lượng. Tuy nhiên, về mặt định lượng nhiên liệu trong phương
trình cân bằng phản ứng cháy chưa được xác định chính xác. Hệ số dư lượng không
khí chỉ phản ánh tỉ lệ hỗn hợp trung bình của chúng cho toàn bộ quá trình cháy.
Việc chuyển đổi hệ thống dùng nhiên liệu LPG thay thế xăng cho một động cơ ôtô
cụ thể cần phải nghiên cứu thiết kế một số bộ phận cần thiết và cải tạo bộ phụ kiện
LPG lắp vào động cơ.
1.3.1. Hệ thống phun nhiên liệu LPG khí vào đường nạp
Nhiên liệu LPG ở thể
khí được phun vào trước
soupapse nạp của từng
cylinder động cơ. Hệ thống
nhiên liệu này có thể điều
khiển hoàn toàn tự động bằng

điện tử như các động cơ dùng
hệ thống phun xăng điện tử.
Hệ thống phun nhiên liệu
LPG lỏng hoàn thiện được các
tính năng của động cơ như
hiệu suất, công suất, moment
động cơ tăng nhờ tăng hệ số
nạp; đồng thời, giảm suất tiêu
hao nhiên liệu và giảm ô
nhiễm môi trường nhờ định
lượng chính xác nhiên liệu LPG cung cấp cho mỗi cylinder theo từng chế độ làm
việc của động cơ. Đối với động cơ nguyên thủy sử dụng bộ chế hòa khí, khi chuyển
đổi nhiên liệu LPG thay thế xăng thì cần phải trang bị hệ thống điều khiển điện tử
gồm các cảm biến, các vòi phun và bộ điều khiển ECU. Chi phí đầu tư cho phương
án này quá nhiều nên trong hoàn cảnh hiện tại ở nước ta khó thực hiện [13], [33].
1.3.2. Hệ thống phun nhiên liệu LPG lỏng trực tiếp vào buồng cháy
Phun nhiên liệu LPG lỏng trực tiếp vào buồng cháy động cơ là phương pháp
tạo hỗn hợp nhiên liệu /không khí ngay tại buồng cháy. Tổ chức quá trình cháy và
hoàn thiện chu trình công tác ảnh hưởng đến quá trình phun của động cơ phun nhiên
liệu trực tiếp. Chúng có thể làm việc tốt ở hỗn hợp nghèo và giảm suất tiêu hao
nhiên liệu của động cơ. Các kết quả nghiên cứu cho thấy những yếu tố chính ảnh
hưởng đến tính năng của động cơ phun nhiên liệu trực tiếp gồm thời gian phun, áp
suất phun, sự hướng dòng của tia phun, sự xoáy lốc của khí nạp, hệ thống đánh lửa
và dạng buồng cháy. Bên cạnh những đề tài phun xăng trực tiếp, các nhà khoa học
đã nghiên cứu và áp dụng kỹ thuật cháy phân lớp [20]. Trường hợp động cơ ở chế
độ tải thấp sự hình thành hỗn hợp nhiên liệu phân lớp để khống chế trường dòng
chảy hình thành hỗn hợp phân lớp xung quanh bougie, người ta phối hợp sử dụng
phương pháp xoáy lốc mạnh và dòng chảy rối của tia nhiên liệu. Trường hợp ở chế
độ tải cao, dòng nhiên liệu chảy nhào trộn kết hợp với dòng xoáy lốc tạo ra hỗn hợp
đồng nhất. Phương pháp này chỉ mới thực hiện trong phòng thí nghiệm [20]. Hệ

thống phun nhiên liệu ở dạng lỏng hay khí có ưu điểm ngăn chặn sự bốc cháy của
hỗn hợp trên đường nạp, hiệu suất của động cơ được nâng cao và mức độ gây ô
‘Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu LPG vào
đường nạp.
nhiễm giảm. Tuy nhiên khi sử dụng vòi phun cấp nhiên liệu LPG vào buồng cháy
làm giảm thời gian tạo hỗn hợp và mật độ nhiên liệu trong hỗn hợp sẽ không đồng
nhất sẽ có nguy cơ tăng nồng độ CO trong khí thải [8].
1.3.3. Hệ thống hút nhiên liệu LPG khí qua họng khuếch tán
Trong công nghệ chuyển đổi sử dụng nhiên liệu LPG thay thế xăng dùng cho
động cơ đốt trong, phương pháp sử dụng hệ thống hút nhiên liệu LPG nhờ họng
khuếch tán đã kế thừa và phát huy ưu điểm của nhiên liệu LPG và tính chất vật lý
độ chân không của họng là phổ biến nhất.
Hệ thống này có thể ứng dụng được ở hầu hết các loại động cơ đánh lửa
cưỡng bức. Động cơ hoạt động có tính chu kỳ, nên dòng không khí và dòng nhiên
liệu qua họng khuếch tán là dòng chảy không dừng. Tính dao động của chúng qua
họng không rõ rệt đối với các cylinder của động cơ bốn kỳ dùng một họng khuếch
tán. Thực chất, có thể xem đây là dòng chảy dừng. Nhiên liệu LPG nén trong bình
chứa với áp suất khoảng 0,7 [MN/m²], được chuyển qua bộ hóa hơi - giảm áp đến
van cung cấp nhiên liệu LPG, tại họng khuếch tán nhiên liệu LPG hòa trộn với
không khí và đưa vào buồng cháy động cơ. Ưu điểm việc cung cấp LPG ở thể khí
cho động cơ trên đường nạp là sự đồng nhất hoàn hảo của hỗn hợp LPG – không
khí và tránh hiện tượng ướt thành đường nạp so với nhiên liệu lỏng. Tuy nhiên, hệ
thống hút khí LPG trên đường nạp có nhược điểm: khi tốc độ động cơ tăng làm cho
độ chân không tại họng khuếch tán cũng tăng, làm cho hỗn hợp nhiên liệu –không
khí càng đậm hơn [14].
.
Thiết nghĩ kỹ thuật điện tử
và công nghệ thông tin có thể
điều khiển chính xác thành phần
hỗn hợp ở các chế độ khác nhau

của động cơ và cho phép điều tiết
nồng độ của hòa khí một cách
hợp lý, đảm bảo quá trình cháy
của động cơ gần giống quá trình
cháy lý tưởng
1.4. PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
- Nội dung nghiên cứu:
Thiết kế bộ điều chỉnh tự động cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ đánh
lửa cưỡng bức.
- Phạm vi nghiên cứu:
Thiết kế và thử nghiệm bộ điều chỉnh tự động cung cấp LPG trên ôtô
NUBIRA tại phòng Thí nghiệm động cơ và ôtô, Trường ĐHBK, Đại học Đà Nẵng.
- Mục tiêu nghiên cứu:
Bộ điều chỉnh cung cấp LPG cho động cơ đánh lửa cưỡng bức tự động cung
cấp nhiên liệu LPG điều tiết được thành phần của hòa khí một cách hợp lý thỏa mãn
các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật mong muốn.
Tóm lại, nhiên liệu “sạch” ngày nay đang được quan tâm nghiên cứu là khí
dầu mỏ hóa lỏng LPG, khí thiên nhiên CNG, nhiên liệu cồn, dầu thực vật
(biodiesel), pin nhiên liệu (FC), nhiên liệu hydrogen…
Khí thiên nhiên CNG, giống như nhiên liệu truyền thống, không thể tái sinh
và dự đoán trữ lượng khí thiên nhiên chỉ còn đủ sử dụng trong thời gian ngắn, chắc
chắn chúng không thể duy trì trong tương lai.
Nhiên liệu cồn sử dụng thuần túy thay thế xăng và diesel khó thực hiện vì
động cơ rất khó khởi động, cồn có tính ăn mòn kim loại, suất tiêu hao nhiên liệu
tăng.
Dầu thực vật là sản phẩm của quá trình ester hóa các acid hữu cơ. Độ nhớt
cao, sức căng bề mặt của nó lớn nên việc phun tơi nhiên liệu vào buồng cháy động
cơ cần sử dụng loại buồng cháy ngăn cách kiểu xoáy lốc, khó khởi động. Khi hòa
trộn chúng vào nhiên liệu truyền thống dùng cho động cơ đốt trong thì kết cấu động
cơ thay đổi, hệ thống nhiên liệu của động cơ nguyên thủy phải cải tạo.

Hydrogen và pin nhiên liệu là nguồn năng lượng mới đã sử dụng làm năng
lượng cho tàu vũ trụ, có hiệu suất cao, không gây tiếng ồn, không phát thải làm ô
nhiễm môi trường. Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu quá cao, cơ sở hạ tầng sản
xuất hydrogen ở nước ta chưa có; hydrogen không tồn tại ở trạng thái đơn chất việc
điều chế rất công phu, khó khăn, tốn kém và sản xuất hydrogen có thể dẫn đến ô
nhiễm môi trường. Nên hydrogen chỉ là nhiên liệu lý tưởng của tương lai.
Nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng LPG là nhiên liệu không độc, không gây ô
nhiễm và có nhiều ưu điểm được ưa chuộng hơn và đang được nghiên cứu làm nguồn
năng lượng cho phương tiện giao thông. Các thành quả ứng dụng nhiên liệu “sạch”
LPG trong thời gian qua đã làm cho bầu khí quyển trong lành hơn góp phần đáng kể
làm giảm ô nhiễm môi trường, tạo điều kiện công nghệ sản xuất nhiên liệu LPG
trong nước phát triển và giải quyết vấn đề năng lượng trên thế giới.
Thiết kế bộ điều chỉnh cung cấp LPG cho động cơ đánh lửa cưỡng bức là đề tài
nghiên cứu có thể tiết kiệm nhiên liệu thỏa mãn tính kinh tế-kỹ thuật, đạt được các
yêu cầu khắt khe của luật bảo vệ môi trường, khả năng chế tạo trong điều kiện nội
địa thuận lợi, khai thác được tính ưu việt của các cảm biến và bộ xử lý điện tử trong
hệ thống nhiên liệu (EFI) của động cơ thế hệ mới.
Chương 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nghiên cứu đặc điểm quá trình cháy của hỗn hợp LPG - không khí, đặc tính
của động cơ đánh lửa cưỡng bức, các chế độ cấp nhiên liệu LPG cần thiết cho
động cơ thực nghiệm, lý thuyết điều khiển tự động. Từ đó, xác định khả năng cung
cấp nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng theo phương pháp tự động điều chỉnh nhiên
liệu LPG qua họng khuếch tán cho loại động cơ ôtô.
2.1. ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU LPG
2.1.1. Đặc điểm cháy của nhiên liệu LPG
Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG có nhiều ưu điểm như hàm lượng lưu huỳnh rất
thấp, không chứa chì; chỉ số octane, nhiệt trị khối lượng đều cao hơn xăng; được
ứng dụng làm nhiên liệu cho động cơ đánh lửa cưỡng bức và đã góp phần làm giảm
thiểu ô nhiễm môi trường [8], [13].
Quá trình cháy của hỗn hợp LPG - không khí là phản ứng hóa học tỏa nhiệt

nhanh. Trong buồng cháy, miền đang diễn ra phản ứng cháy được gọi là màng lửa.
Giả thiết quá trình cháy hỗn hợp LPG - không khí được hình thành hai khu
vực riêng biệt phân cách nhau bằng bề mặt màng lửa. Phần không gian màng lửa đã
đi qua có thành phần đồng nhất và nhiệt độ T
p
là sản phẩm cháy. Khu vực phía
trước màng lửa có thành phần hỗn hợp đồng nhất với nhiệt độ T
m
, là khí chưa cháy.
[14], [55]. Do phương pháp hòa trộn, tính chất của dòng chảy, sự thay đổi cấu trúc
của màng lửa trong khu vực cháy mà màng lửa được đặc trưng là đồng nhất, rối và
không ổn định. Áp suất p ở cả hai khu vực trong không gian buồng cháy được xem
là đồng đều. Thực nghiệm cho thấy nếu dòng khí trong buồng cháy không xoáy lốc
thì màng lửa có dạng hình cầu và màng lửa trong hỗn hợp lan tràn được xây dựng
dựa trên kết quả thực nghiệm là màng lửa chảy tầng (hệ số Reynolds thấp) [14],
[32], [55].
2.1.2. Các phương trình và quy luật phân bố
Định luật I nhiệt động học cho toàn bộ buồng cháy:
p
m
dV
dV
dV
d d d
α α α
= +
(2.1)
Phương trình trạng thái khí lý tưởng đối với hỗn hợp chưa cháy và sản vật cháy:

m m m

m
m R T
V
p
=
,
p p p
p
m R T
V
p
=
(2.2)
Do đó, nhiệt độ và áp suất trong cylinder theo góc quay trục khuỷu α:
ααα
d
dQ
cmd
dp
cm
V
d
dT
m
pmpm
mm
mm
.
1
. +=

‘Hình 2.1 Mô hình quá trình cháy của hỗn hợp LPG - không khí.








+−−








−−=
αααααα
d
dp
p
V
d
dQ
pc
R
d
dp

pc
dpVR
d
dm
p
TR
p
TR
d
dV
Rm
p
d
dT
m
p
m
p
mm
p
mm
pp
pp
p
mm

(2.3)
( )
+

















−−−+








+=
α
ψ
α
ψ
α

d
dm
T
R
R
Tpcuu
d
dV
p
R
c
d
dp
p
m
p
m
vmp
p
v
p
p
1.
α
ψ
α
ψ
d
dQ
d

dQ
R
R
c
c
c
c
m
p
m
p
v
p
v
m
p
m
m
−








−
(2.4)
Hệ các phương trình tuân theo các quy luật sau:

- Qui luật phân bố nồng độ [14], [56]:



















−Φ=Φ
2
3
max
1max
1
L
R
k
flam

(2.5)
Với: Ф : nồng độ của LPG tại vị trí khảo sát;
Ф
max
: nồng độ cực đại của LPG tại vị trí đánh lửa;
k
1
: hệ số điều chỉnh;
R
flam
: bán kính màng lửa;
L
max
: chiều dài cực đại của buồng cháy.
- Qui luật biến thiên tốc độ cháy theo nồng độ LPG:

( )
2
2
max
nn
)1(kexpS)(S −φ−=φ
(2.6)
Với: S
n
: tốc độ cháy cơ bản ứng với giá trị f bất kỳ;
S
nmax
: tốc độ cháy cực đại ứng với f = 1;
k

2
: hệ số điều chỉnh.
- Quy luật biến thiên của tốc độ cháy theo thời gian cháy [14]:
( )
2
o3nn
)(kexp)(S)(S ϕ−ϕ−φ=ϕ
(2.7)
Với: φ : góc quay trục khủyu tại vị trí tính toán;
φ
0
: góc quay trục khủyu tại thời điểm đánh lửa;
k
3
: hệ số điều chỉnh.
Trong tính toán, các hệ số điều chỉnh k của các phương trình được chọn như sau: k
1
= 1; k
2
= 1 và k
3
= 1,5 [33]. Kết quả động cơ làm việc trong trường hợp hỗn hợp
nghèo và cháy phân lớp [14], [20].
2.2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH CHÁY HỖN HỢP LPG – KHÔNG KHÍ
2.2.1. Phương trình cháy hỗn hợp LPG-không khí
a- Phương trình tổng quát của môi chất hydrocarbon cháy hoàn toàn khi đủ
oxygen:
OH
2
n

mCOO
4
n
mHC
222nm
+=






++
(2.8)
Thực tế, quá trình oxy hóa trải qua các bước trung gian rất phức tạp.
b- Phương trình cháy cơ bản của LPG được viết dưới dạng:
( )
HcN
4
n
m773,3OH
2
n
mCON773,3O
4
n
mHC
22222nm
δ+







+++=+






++
(2.9)
Với Hc là nhiệt lượng xác định theo độ biến đổi Enthalpy [14], [33]:
2.2.2. Phương trình cháy của các thành phần hỗn hợp LPG-không khí
a- Phương trình cháy hỗn hợp propane (C
3
H
8
)-không khí:
C
3
H
8
+ A. (O
2
+3,773.N
2
) → a .CO

2
+ b .H
2
O + c.(3,773.N2) + Q (2.10)
Cân bằng carbon:
C
3
H
8
+ A.(O+3,773.N
2
) → 3 .CO
2
+ b. H
2
O + c.(3,773.N
2
) + Q (2.11)
Cân bằng hydrogen:
C
3
H
8
+ A.(O
2
+3,773.N
2
) → 3 .CO
2
+ 4 .H

2
O + c.(3,773.N
2
) + Q (2.12)
Cân bằng oxygen:
C
3
H
8
+ 5 (O
2
+3,773.N
2
) → 3 .CO
2
+ 4. H
2
O + c.(3,773N
2
) + Q (2.13)
Cân bằng nitrogen:
C
3
H
8
+ 5 (O
2
+3,773.N
2
) → 3 .CO

2
+ 4 .H
2
O + 5.(3,773N
2
) + Q (2.14)
Do đó, hệ số tương ứng A = 5, a = 3, b = 4 và c = 5
b- Phương trình cháy hỗn hợp butane (C
4
H
10
) - không khí:
C
4
H
10
+ Α. (O
2
+3,773N
2
) → a. CO
2
+ b. H
2
O + c.(3,773N
2
) + Q (2.15)
Cân bằng carbon:
C
4

H
10
+ Α. (O
2
+3,773.N
2
) → 4 .CO
2
+ b .H
2
O + c.(3,773N
2
) + Q (2.16)
Cân bằng hydrogen:
C
4
H
10
+Α. (O
2
+3,773.N
2
) → 4 .CO
2
+ 5 H
2
O + c.(3,773N
2
) + Q (2.17)
Cân bằng oxygen:

C
4
H
10
+ 6,5.(O
2
+3,773N
2
) → 4 .CO
2
+ 5 .H
2
O + c.(3,773N
2
) + Q (2.18)
Cân bằng nitrogen:
C
4
H
10
+ 6,5 .(O
2
+3,773.N
2
) → 4. CO
2
+ 5. H
2
O + 6,5(3,773.N
2

) + Q (2.19)
Do đó hệ số tương ứng A = 6,5, a = 4, b = 5 và c = 6,5 [14], [57].
2.2.3. Tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu LPG-không khí:
Tỷ lệ hỗn hợp F/A (khối lượng LPG/khối lượng không khí) được dùng để đánh
giá mức độ hòa trộn hỗn hợp cần thiết cho sự cháy hoàn toàn.
a- Tỷ lệ hỗn hợp lý tưởng (Di):
Di = F(∑ số mole LPG )/ A (∑số mole không khí)

[ ]
)773,3(
)(
22
NOA
HCF
D
yx
i
+Σ
Σ
=
(2.20)
b- Tỉ lệ hỗn hợp lý tưởng của propane:
Di propane (C
3
H
8
): với F = 1 và A = 5
64136,15
1
)2.14.773,32.16(5

)1.83.12(1
83
=
+
+
=
HC
Di
(2.21)
Vậy lượng không khí cần thiết đốt cháy hoàn toàn 1 kg propane:
L
C3H8

= 15,64136 [kg.kk/kg.LPG]
Tương tự hỗn hợp lý tưởng của butane:
Di butane (C
4
H
10
): với F = 1 và A = 6,5
42562,15
1
)2.14.773,32.16(5,6
)1.103.12(1
104
=
+
+
=
HC

Di
(2.22)
Vậy lượng không khí cần thiết đốt cháy hoàn toàn 1kg butane:
L
C4H10

= 15,42562[kg.kk/kg.LPG] [14], [33].
c-Thành phần khí LPG thí nghiệm được chọn: 50% C
3
H
8
và 50% C
4
H
10
Vậy lượng không khí cần thiết đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu LPG [33]
L
0
= (0,5. L
C3H8
+ 0,5. L
C4H10
) = (0,5.15,64136+0,5.15,42562)
= 15,5335 [kg.kk/kg.LPG].
2.2.4. Khối lượng riêng của nhiên liệu LPG ở thể khí:
Khối lượng riêng ở nhiệt độ 25[̊C] và áp suất 760 [mmHg] của nhiên liệu khí
propane 1,808 [kg/m³], của nhiên liệu khí butane 2,407 [kg/m³] [43, bảng 1.1]
Khối lượng riêng của nhiên liệu khí LPG (50% C
3
H

8
và 50% C
4
H
10
):
ρ
LPG
= 1,808 . 0,5+ 2,407. 0,5 = 2,1075 [kg/m³]
2.2.5. Nhiệt trị thấp theo thể tích của nhiên liệu LPG ở thể khí:
Nhiệt trị thấp theo thể tích của nhiên liệu khí propane 85,5 [MJ/m³], của nhiên
liệu khí butane 112 [MJ/m³] [43, bảng 1.1]
Nhiệt trị thấp theo thể tích của nhiên liệu LPG (50% C
3
H
8
và 50% C
4
H
10
):
Q
H
= 85,5 . 0,5+ 112. 0,5 = 98,75[MJ/m³]
2.3. TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ THỰC NGHIỆM
2.3.1. Động cơ thực nghiệm DAEWOO A16 DMS
Động cơ thực nghiệm là loại động cơ Dual Overhead Cam L- 4 1.6L DOHC
[49] được lắp trên ôtô NUBIRA do hãng DAEWOO, Hàn Quốc sản xuất năm 2001;
là loại động cơ ôtô khá thông dụng được sử dụng ở Việt Nam hiện nay. Đây là động
cơ đánh lửa cưỡng bức dùng hệ thống phun xăng điện tử, bơm nhiên liệu dùng loại

động cơ điện một chiều và bình chứa nhiên liệu có dung tích 62 lít. Hệ thống điện
gồm một acquy 55/550 [Ah/Amps] và một máy phát điện xoay chiều dòng điện tối
đa 95 [Amps] khởi động với điện áp 12,2/(40÷90) [Volts/Amps] [49]. Nghiên cứu
chuyển đổi nhiên liệu LPG sử dụng cho động cơ này thay thế xăng sẽ là cơ sở cho
việc chuyển đổi nhiên liệu này cho các động cơ khác cùng loại. Khi động cơ hoạt
động ở các chế độ khác nhau, cần thiết phải cung cấp đủ nhiên liệu và thành phần
hỗn hợp LPG - không khí phù hợp thỏa mãn hệ số dư lượng không khí α dao động
lân cận giá trị 1. Tùy theo chế độ hoạt động của động cơ, tín hiệu xung của các cảm
biến vị trí bướm ga, cảm biến oxy, cảm biến tốc độ động cơ mà bộ điều chỉnh sẽ tự
động cung cấp lượng nhiên liệu LPG phù hợp. Khi chuyển đổi yêu cầu phải giữ
nguyên hệ thống nhiên liệu xăng nguyên thủy; do vậy sử dụng bộ điều chỉnh cung
cấp LPG qua họng khuếch tán là hợp lý.
2.3.2 Tính toán nhiệt động cơ thực nghiệm
Các thông số kỹ thuật của động cơ thực nghiệm được cho theo bảng 2.1
‘Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của động cơ thực nghiệm DAEWOO A16 DMS.
Thông số Ký hiệu Thứ nguyên Giá trị
Công suất có ích (Max power) N
e
/n kW/rpm 77,8/5800
Momen có ích (Max torque) M
e
/n kg.m/rpm 14,5/3800
Đường kính cylinder (Bore) D mm 79
Hành trình piston (Stroke) S mm 81,5
Thể tích công tác ôtô V
h
cm
3
1598
Tỷ số nén (Compression ratio)

ε
- 9,5 ± 0,2
Số cylinder i - 4
Số kỳ (Stroke)
τ
- 4
Góc đánh lửa sớm φ
s
độ 5
0
BTDC
Dựa vào đặc điểm kết cấu, tính năng động lực học và điều kiện làm việc của
động cơ thực nghiệm, các thông số tính toán nhiệt được chọn cho động cơ dùng xăng
và nhiên liệu LPG được nêu phụ lục 2.1; 2.2.
2.3.2.1. Tính toán nhiệt động cơ DAEWOO A16 dùng LPG và xăng
a. Quá trình nạp
Quá trình nạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố : nhiệt độ và áp suất không khí
nạp, đường kính đường ống nạp và độ chênh áp của môi chất trước soupapse nạp so
với hòa khí trong cylinder cuối kỳ nạp đã làm cho môi chất mới đi vào cylinder
trong mỗi chu trình sẽ nhỏ hơn lượng hỗn hợp nạp mới theo tính toán lý thuyết [40,
tr. 97] Khi dùng họng khuếch tán để hòa trộn LPG - không khí lắp vào đường
ống nạp, trở lực trên đường nạp tăng, lượng hỗn hợp LPG - không khí mới vào
cylinder sẽ giảm, dẫn đến công suất động cơ dùng LPG giảm theo.
a.1. Hệ số khí sót
( )
m
a
r
t
a

r
r
k
r
p
p
p
p
T
TT
1
21
2

1

.








−
∆+
=
λλλε
λ

γ
(2.23)
a.2. Hệ số nạp


















−
∆+−
=
m
a
r
t
k
a

k
k
v
p
p
p
p
TT
T
1
21

1
1
λλλε
ε
η
(2.24)
a.3. Nhiệt độ cuối quá trình nạp:
T
a
=
( )
r
m
m
r
a
rrtk
p

p
TTT
γ
γλ
+








+∆+
−
1

1
; [
0
K] (2.25)
a.4. Số mol không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu khí:
0
1
( )
0,21 4 2
n m r
m r
M n C H O= + −
∑

(2.26)
a.5. . Số mol hỗn hợp mới:
1 0
. 1M M
α
= +
(2.27)
b. Quá trình nén
b.1. Tỷ nhiệt mol của không khí:
K
v
vvkk
T
b
aCm
2
+=
; [kJ/kmol.
0
K] (2.28)
b.2. Tỷ nhiệt mol của sản phẩm cháy:
r
v
vv
T
b
aCm
2
′′
+

′′
=
′′
; [kJ/kmol.
0
K] (2.29)
b.3. Tỷ nhiệt mol của hỗn hợp công tác:
a
v
vv
T
b
aCm
2
′
+
′
=
′
; [kJ/kmol.
0
K], (2.30)
b.4. Chỉ số nén đa biến trung bình n
1
: (2.31)
(Giải phương trình theo phương pháp chia đôi ta được n
1
)
b.5. Nhiệt độ cuối quá trình nén:
T

c
= T
0
.
1
1
−n
ε
; [
0
K] (2.32)
b.6. Áp suất cuối quá trình nén:
P
c
= p
a
.
1
n
ε
; [MN/m
2
] (2.33)
c. Quá trình cháy:
c.1. Số mol không khí
∆
M thay đổi khi cháy : khi α = 1 thì
( )
4 2
m r

M n CnHmOr∆ = + −
∑
(2.34)
c.2. Số mol sản phẩm cháy:
MMM ∆+=
12
; [kmol/kg nhiên liệu] (2.35)
c.3. Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết:
1
2
0
M
M
=
β
(2.36)
c.4. Hệ số biến đổi phân tử thực tế:
r
ro
γ
γβ
β
+
+
=
1
(2.37)
c.5. Hệ số biến đổi phân tử
z
β

tại z :
b
z
r
o
z
ξ
ξ
γ
β
β
.
1
1
1
+
−
+=
(2.38)
c.6. Hệ số toả nhiệt tại z:
b
z
z
x
ξ
ξ
=
; (2.39)
c.7. Tổn thất nhiệt, nhiên liệu LPG cháy không hòan toàn


α = 1
∆Q
H
= 0 ; [9], ; [40] (2.40)
c.8. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình môi chất tại z:

zvzvzvz
TbaCm
′′
+
′′
=
′′
(2.41)
c.9. Nhiệt độ cực đại của chu trình T
z
[
0
K]. Theo phương trình cháy: