SỬ DỤNG LPG TRÊN XE GẮN MÁY VÀ XE BUÝT NHỎ Application of LPG on Motorcycles and Microbus Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Hồ Tấn Quyền, Phạm Thị Đông Phương Trung tâm Nghiên cứu Bảo vệ Môi trường-Đại học Đà Nẵng 48, Cao Thắng, Đà Nẵng; Email: buivanga@dng.vnn.vn Tóm tắt Báo cáo này trình bày xu hướng phát triển phương tiện giao thông vận tải sạch trên thế giới và trên cơ sở đó đề xuất nguồn năng lượng sạch sử dụng cho giao thông đô thị ở Việt Nam: khí dầu mỏ hóa lỏng LPG. Công nghệ chuyển đổi xe gắn máy hai bánh và xe buýt nhỏ chạy xăng sang chạy bằng LPG đã được trình bày. Kết quả nghiên cứu cho thấy tính năng ưu việt của phương tiện ch ạy LPG so với chạy bằng xăng về tính kinh tế kỹ thuật cũng như về bảo vệ môi trường. Abstract The present paper introduces the tendency of clean vehicles development in the world and proposes clean energy for urban transportation in Vietnam: Liquefied Petroleum Gas (LPG). Technologies for transforming motorcycle and microbus running on gasoline to those running on LPG are presented. The results show preeminent characters of LPG vehicle in comparison with gasoline one on performance and environment protection. 1. Giới thiệu Phương tiện giao thông "sạch" chạy trong thành phố đã thực sự lôi cuốn sự quan tâm của cả những nhà sản xuất ô tô lẫn các nhà quản lý môi trường. Các kỹ thuật mới nhằm hoàn thiện động cơ truyền thống như phun nhiên liệu điều khiển điện tử, hồi lưu khí xả, lọc bồ hóng và xử lý khí trên đường xả bằng bộ xúc tác ba chức nă ng . đã tạo ra những bước tiến đáng kể trong ngành động cơ đốt trong. Tuy nhiên kết quả của sự hoàn thiện đơn thuần động cơ cổ điển nhằm giảm ô nhiễm môi trường cho tới nay vẫn còn xa so với sự mong đợi của các nhà bảo vệ môi trường. Phương tiện giao thông không phát sinh ô nhiễm (zero emission vehicle) vẫn đang còn là mục tiêu phía trước. Để đạt mục tiêu này thì điệ n và pile nhiên liệu là giải pháp lý tưởng nhất. Tuy nhiên tương lai phát triển của các giải pháp này phụ thuộc vào khả năng hoàn thiện các loại động cơ nhiệt và sử dụng các nguồn nhiên liệu sạch thay thế các nguồn nhiên liệu lỏng truyền thống. Theo dự báo thì trong vòng 10 năm tới, kỹ thuật làm giảm ô nhiễm bằng cách cải thiện động cơ diesel, sử dụng LPG và khí thiên nhiên sẽ chiếm ưu thế . Để ô tô sử dụng pile nhiên liệu đạt được cùng tính năng với ô tô sử dụng LPG thì trong thập niên 2010, giá nhiên liệu hydro phải giảm đi 50% và giá thành pile nhiên liệu phải giảm đi 30% so với giá cả hiện nay. Mức độ giảm ô nhiễm của ô tô sử dụng điện phụ thuộc vào nguồn năng lượng sản xuất ra điện năng. Nếu nguồn điện được s ản xuất từ nhiên liệu hóa thạch thì việc sử dụng ô tô chạy điện không làm giảm ô nhiễm môi trường nói chung. Vì vậy theo những phân tích trên đây, trong vòng 2 thập niên tới chúng ta chỉ nên cân nhắc sử dụng khí thiên nhiên hay khí dầu mỏ hóa lỏng LPG để làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông vận tải chạy trong thành phố. Đứng về mặt năng lượng và môi trường mà nói thì sử dụng khí thiên nhiên để chạy phương tiệ n giao thông về lâu dài là tối ưu 1 nhất. Khí thiên nhiên ở nước ta có trữ lượng lớn và chúng ta đang khai thác để cung cấp năng lượng cho các nhà máy nhiệt điện và sản xuất phân đạm. Mặt khác một khối lượng lớn khí thiên nhiên thu được từ các mỏ dầu đã và sắp khai thác của ta hứa hẹn một nguồn năng lượng sạch dồi dào để phát triển kinh tế quốc dân trong đó có ngành giao thông vận tải. Sử dụng ngu ồn năng lượng này cho giao thông vận tải chúng ta sẽ tiết kiệm được một khối lượng dầu mỏ rất lớn để xuất khẩu và hạn chế được các chất khí gây ô nhiễm môi trường ở các thành phố. Tuy nhiên sử dụng khí thiên nhiên cho phương tiện vận tải đòi hỏi đầu tư ban đầu rất lớn nhất là khi hệ thống phân phối khí thiên nhiên gia dụng trong thành phố chưa đượ c thiết lập. LPG Kh«n g khÝ Hçn hîp Hình 1: Sơ đồ nguyên lý của b ộ chế hòa khí LPG Vì vậy trong điều kiện của nước ta từ nay đến 2020, sử dụng khí dầu mỏ hoá lỏng LPG để chạy phương tiện giao thông trong đô thị là phù hợp nhất. Giải pháp này trước hết giúp chúng ta chủ động được nguồn năng lượng tuy LPG không dồi dào như khí thiên nhiên. Hiện nay chúng ta có nhà máy sản xuất ga Dinh Cố và trong tương lai gần nhà máy lọc dầu đầu tiên đi vào hoạt độ ng, sản lượng khí đồng hành của nhà máy là nguồn cung cấp nhiên liệu LPG. Mặt khác các nhà máy tinh luyện khí thiên nhiên cũng là nguồn cung cấp loại nhiên liệu này nên khả năng độc lập nhiên liệu LPG của chúng ta cũng rất lớn. Vấn đề thứ hai là chúng ta có thể chủ động chế tạo những phụ kiện cơ bản của hệ thống nhiên liệu LPG bằng công nghệ trong nước. 2 2. Chuyển đổi các phươ ng tiện chạy xăng sang chạy bằng LPG 2.1. Xe gắn máy hai nhiên liệu LPG/xăng Một trong những vấn đề cơ bản cần phải nghiên cứu giải quyết là thiết kế một hệ thống hai nhiên liệu LPG/xăng nhỏ gọn có thể lắp đặt trên xe gắn máy cỡ nhỏ mà không làm thay đổi kiểu dáng hay kết cấu của chúng. Hệ thống này cho phép xe gắn máy có thể chạy b ằng xăng hay bằng LPG. Ở hệ thống nhiên liệu LPG của ô tô, nhiên liệu ra khỏi bình chứa dưới dạng lỏng sau đó bốc hơi ở bộ bốc hơi- giãn nở và dẫn đến họng Venturi với áp suất xấp xỉ áp suất khí trời. Nhiên liệu thể khí sau đó được hút vào họng bộ chế hòa khí nhờ độ chân không giống như bộ chế hòa khí xăng. Trong trường hợp công su ất động cơ thấp, nhiệt bốc hơi của nhiên liệu có thể lấy từ môi trường không khí, do đó chúng ta có thể loại bỏ bộ bốc hơi. Phương án phù hợp nhất đối với xe gắn máy là sử dụng nhiên liệu ra khỏi bình chứa dưới dạng khí có áp suất [5], [8]. Sự cung cấp ga vào họng bộ chế hòa khí vì vậy được thực hiện liên tụ c và lượng ga nạp vào họng được điều chỉnh bởi áp suất trong ống dẫn ga và độ chân không tại họng. Kỹ thuật điều chỉnh lưu lượng ga đề xuất trong công trình này là dùng van tiết lưu có độ mở tỉ lệ với độ mở bướm cung cấp gió. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống tạo hỗn hợp LPG- không khí cho xe gắn máy được trình bày trên như hình 1. Ở chế độ không tải, con trượt đóng kín lỗ nạp của van tiết lưu, khí LPG được hút vào họng qua lỗ không tải có vít điều chỉnh. Khi tăng dần tải động cơ, con trượt nhấc lên đồng thời với độ nhấc của quả ga, lỗ nạp ga mở rộng dần, lượng khí LPG nạp vào họng được điều chỉnh đồng thời b ởi độ tiết lưu tại lỗ nạp ga và độ chân không tại họng. Trên cơ sở của nguyên lý này chúng ta có thể cải tạo bộ chế hòa khí Hình 2: Ảnh chụp bộ chế hòa khí LPG/xăng xng nguyờn thy ca xe gn mỏy thnh b ch hũa khớ hai nhiờn liu LPG/xng (hỡnh 2). Trong trng hp ny b ch hũa khớ xng c gi nguyờn, van tit lu c lp ni tip trờn ng dn hng ca qu ga. Khi van nhiờn liu chuyn sang v trớ dựng xng, ng c hot ng bng xng nh trc khi ci to. Khi van nhiờn liu chuyn sang v trớ dựng ga, nhiờn liu LPG qua van tit lu r i vo hng b ch hũa khớ nh ó mụ t hỡnh 1. Hỡnh 3: Xe gn mỏy kiu WAVE 110cc sau khi lp xong h thng hai nhiờn liu LPG/xng B ch hũa khớ sau khi ci to xong c lp trờn xe gn mỏy hai bỏnh 110cc kiu WAVE cựng vi cỏc b phõn khỏc ca h thng nhiờn liu LPG gm bỡnh cha LPG, bỡnh xng ph, van chõn khụng. Cỏc b phn ph ny ó c mụ t trong [7]. Hỡnh 3 l nh chp ton b xe gn mỏy kiu WAVE sau khi lp t xong h thng hai nhiờn liu LPG/xng. Mu mó v kt cu c a xe gn mỏy khụng thay i khi lp t h thng nhiờn liu mi. Xe gn mỏy sau khi lp xong cỏc h thng LPG c chy th trờn bng th cụng sut v chy trờn ng trng. V mc phỏt sinh ụ nhim, phõn tớch khớ cỏc ch khỏc nhau cho thy nng cỏc cht ụ nhim CO, HC ca xe gn mỏy khi chy bng LPG u gim so vi khi chy bng xng. Mc gim cú th t t 30 n 80% (Hỡnh 4, 5). Ti cng ln thỡ mc phỏt ụ nhim ca ng c LPG cng thp. V tớnh kinh t: Mc tit kim ca xe gn mỏy khi chy bng LPG so vi khi chy bng xng ph thuc vo chớnh sỏch giỏ c nng lng ca tng nc. Kt qu chy th nghim LPG trờn xe gn mỏy 110cc mang bin s 43K5-4079 cho thy su t tiờu hao nhiờn liu trung bỡnh khong 1kg LPG/110km. 0 40 80 120 2.2. Xe buýt c nh chy bng LPG Vic s dng nhng xe bus c ln ch khỏch trong cỏc thnh ph, t bit l cỏc 1. Họng Venturie 5. Trục buớm ga 2. Bọng chứa LPG 6. Cơ cấu điều khiển bớm ga 3. Họng tiết lu 7. Cơ cấu điều khiển van tiết lu 4. Bích Hình 6: Bộ chế hòa khí LPG 16 20 HC(p 0 0 2000 3000 4000 5000 6000 7000 n(v/ph) pm) xăng LPG Hỡnh 4: So sỏnh nng CO trong khớ x xe gnmỏy 110cc khi chy bng xng v bng LPG 0 1 2 3 4 2000 3000 4000 5000 6000 7000 n(v/ph) CO(%) xăng LPG Hỡnh 5: So sỏnh nng HC trong khớ x xe gn mỏy 110cc khi chy bng xng v bng LPG 3 thành phố nhỏ ở nước ta là không hợp lý bởi lẽ cự ly dịch chuyển nhỏ và đường sá hẹp, không có đường dành riêng cho xe bus nên không thể đảm bảo tính cơ động, đúng giờ được. Vì vậy việc tổ chức các tuyến xe bus nhỏ chạy trong thành phố, có khả năng cơ động cao là hợp lý nhất. Trong phần sau đây sẽ giới thiệu xe buýt cỡ nhỏ chạy bằng LPG được thiế t kế cải tạo từ xe tải nhẹ Daihatsu Jumbo 1.6. Trong điều kiện vận hành ở các thành phố nước ta, phần lớn thời gian xe hoạt động ở chế độ tải thấp vì vậy việc khống chế thành phần hỗn hợp bằng độ chân không tại họng như hệ thống nhiên liệu LPG trên thị trường thì hỗn hợp thường xuyên đậm đặc hậu quả là sự cải thiện tính kinh tế và môi trường của động cơ LPG không tốt như mong đợi. Dựa trên kết quả đã đạt được đối với bộ chế hòa khí cho xe gắn máy chúng ta thấy trong trường hợp này sự điều chỉnh thành phần hỗn hợp nên được thực hiện phối hợp giữa độ chân không tại họng và tiết lưu áp suất ga. Hệ thống nhiên liệ u kiểu này đơn giản hơn so với hệ thống nhiên liệu có mặt trên thị trường. Khác biệt cơ bản ở đây là nhiên liệu lấy ra khỏi bình chứa dưới dạng khí ở áp suất 30mbar. Việc định lượng nhiên liệu nạp vào họng bộ chế hòa khí được thực hiện nhờ độ chân không và thay đổi áp suất do van tiết lưu. Như việc nạp ga vào họng được thự c hiện bằng phương pháp vừa phun, vừa hút. Hình 6 giới thiệu bộ chế hòa khí dùng LPG. Bộ chế hòa khí được thiết kế theo kiểu lắp ghép gồm ba bộ phận cơ bản đó là họng Venturie xung quanh có lỗ để nạp ga, bọng chứa ga và buồng tiết lưu-hỗn hợp. Hình 8: "Greenbus": xe buýt cỡ nhỏ chạy bằng LPG Các kích thước quan trọng nhất của bộ chế hòa khí LPG là đường kính họng Venturie và tổng tiết diện lỗ n ạp ga. Đối với các bộ chế hòa khí chế tạo sẵn theo gam công suất động cơ thì đường kính họng Venturie là 22mm và ga được nạp qua 4 lỗ có đường kính φ=5mm. Trong thực tế, khi ô tô làm việc hết công suất thì kết cấu như vậy phù hợp. Khi động cơ thường xuyên hoạt động ở chế độ tải thấp (chạy trong thành phố chẳng hạn), thành phần hỗn hợp do bộ chế hòa khí này tạo ra không tối ưu, làm gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu và mức độ phát ô nhiễm. Trong công trình này chúng tôi đã thay đổi nhiều đường kính họng và đường kính lỗ nạp ga khác nhau. Kết quả cho thấy đường kính họng 14,5mm với 6 lỗ nạp ga đường kính 2mm là phù hợp đối với xe tải nhỏ Daihatsu 1.6. Bộ chế hòa khí này làm việc kết hợp với van tiết lưu (hình 7) và bộ giãn nở của bình ga gia dụng có áp suất đầu ra 30mbar. Chiế c xe Daihatsu mang biển số đăng ký 43E-0724 (hình 8) sau khi lắp đặt hệ thống nhiên liệu LPG được chạy thử trên đường với các địa hình khác nhau: trên đường trường, trên đường đèo dốc . Nếu tính theo giá nhiên liệu hiện nay 7.500 đồng/kg LPG (theo giá bán lẻ) và 5.300 đồng/lít xăng thì khi sử dụng hệ thống nhiên liệu thiết kế để chạy ô tô bằng 1. Th©n van 2. Con tr−ît 3. §−êng ga vµo 4. VÝt kh«ng t¶i 5. VÝt ®iÒu chØnh 6. §−êng ga ra vÞ trÝ con tr−ît 3 2 5 1 4 6 Hình 7: Sơ đồ van tiết lưu 4 LPG tiết kiệm được trung bình 20% so với khi chạy bằng xăng với bộ chế hòa khí nguyên thủy. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 1234567891011121314151617 Hình 10: So sánh mức độ phát thải CO của xe GREENBUS khi chạy bằng LPG và xăng CO(%vol) 3 8 16 12 Xăng 4 17 9 13 2 6 15 11 b. Hình 9: Chu trình thử 504A xe GREENBUS a. Chạy bằng LPG; b. Chạy bằng xăng Về hiệu quả bảo vệ môi trường, để so sánh mức độ phát ô nhiễm của ô tô Daihatsu khi chạy bằng xăng và bằng LPG chúng ta thực hiện việc phân tích khí xả trong cùng điều kiện vận hành theo chu trình 504A (hình 9). Khí xả được lấy mẫu tại 17 điểm của chu trình. Kết quả phân tích cho trên hình 10 và hình 11. Chúng ta thấy cùng điều kiện vận hành, mức độ phát thải CO giảm khoảng 75-90% và mức độ phát thả i HC giảm khoảng 40-50% khi chuyển nhiên liệu từ xăng sang LPG. 3. Kết luận Bộ chế hòa khí hai nhiên liệu LPG/xăng với kích thước gọn nhẹ và điều chỉnh thành phần hỗn hợp tối ưu theo độ chân không tại họng bộ chế hòa khí và áp suất ở đầu ra van tiết lưu cho phép áp dụng LPG trên xe gắn máy hai bánh. Nguyên lý này cũng có thể áp dụng trên ô tô bus cỡ nhỏ. Khi chuyển xe gắn máy và xe buýt cỡ nhỏ chạy xăng sang chạy bằng LPG, mức độ phát thải HC có thể giảm đến 50% còn mức độ phát thải CO giảm đến 80%. Sử dụng LPG trên phương tiện giao thông vận tải làm tăng tính kinh tế nhiên liệu, tăng tuổi thọ động cơ, làm đa dạng hóa nguồn năng lượng sử dụng cho giao thông vận tải, vì vậy nó là giải pháp rất phù hợp với điều kiện nước ta. Để phổ biến việc áp dụng LPG trên phương tiện giao thông vận tải, chúng ta cần thiết lập hệ thống cung cấp nhiên liệu rộng rãi và Nhà nước nên có chính sách khuyến khích về giá đối với nhiên liệu LPG sử dụng cho mục đích này trong giai đoạn đầu. Mặt khác, Cục Đăng Kiểm Việt Nam nên sớm ban hành những văn bản pháp qui về tiêu chuẩn kiểm định đối với các loại phương tiệ n giao thông vận tải sử dụng LPG làm nhiên liệu. FUEL (kg/h) FORCE (N/50) 1 5 7 10 14 LPG a. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 1 3 5 7 9 11 13 15 17 Hình 11: So sánh mức độ phát thải HC của xe GREENBUS khi chạy bằng LPG và xăng HC(ppm.vol) Xăng LPG 5 Tài liệu tham khảo: 1. Bùi Văn Ga, Văn Thị Bông, Phạm Xuân Mai, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng: Ô tô và ô nhiễm môi trường ; Nhà Xuất Bản Giáo dục, 1999 2. Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng, Hồ tấn quyền : Xe gắn máy sử dụng nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng LPG; International Conference on Automotive Technology ICAT’99, pp. 133-139, Hanoi, October 21-24, 1999 3. Bùi Văn Ga: Nghiên cứu sử dụng động cơ nhiên liệu khí ở Việt Nam ; Đề tài trọng điểm c ấp Bộ, Mã số B97-III-01TĐ ; Nghiệm thu tháng 11-1999 4. Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng, Hồ tấn quyền : Một số kết quả thực nghiệm trên xe máy sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG; Tạp chí Giao thông Vận tải số 5/2000, pp. 35-37 5. Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Nguyễn Hữu Huệ: Hệ thống nhiên liệu của xe máy sử dụng nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng LPG; Tạp chí Khoa học-Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 7, pp. 1-5, 2000 6. Bùi Văn Ga, Lê văn Tụy, Maurice BRUN: ảnh hưởng của các thông số vận hành đén tính năng của động cơ sử dụng nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng LPG; Tạp chí Giao thông Vận tải số 10/2000, pp. 27-29 7. Bùi Văn Ga, Nguyễn Hữu Huệ: Công nghệ chuyển đổi xe gắn máy dùng xăng sang dùng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG; Đề tài trong điểm cấp Bộ, mã số B00-III-14TĐ, nghiệm thu tháng 12-2000 8. Bùi Văn Ga, Nguyễn Hữu Huệ: Bộ tạo hỗn hợp dùng cho xe gắn máy hai bánh sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG; Tạp chí Giao Thông Vận tải, số 12/2000, pp. 44-47 9. C. LAMURE: Quelle automobile dans la ville? Presses Ponts et chaussees, Paris, 1995 10. H. Burkhart: From Diesel engines in buses to fuel cells; Paderborn forum on public transport: environment-friendly at acceptable cost-drive concepts for urban transportation system, pp. 13-37, Paderborn (Germany), 11-12 Mar 1998 11. I. Soubelet: Bus “propres”: Quelle filiere choisir? Pollution Atmospherique, No 163, pp. 53-57, 1999 12. S. Brunnert: Economic efficiency of buses with natural gas and diesel engines in public short- distance transport; Gas (Germany), Vol 48, No2, pp. 38-42, 1997 13. J.C. Guibet: Quels carburants apres la loi sur l’air? Petrole et Techniques, No. 415, pp. 24- 30, 1998 14. Bùi Văn Ga, Trần Văn nam: Quy hoạch m ạng lưới giao thông công cộng Thành phố Đà Nẵng; Khoa học và Phát triển, số 87, pp. 16- 19, tháng 11-2002 15. Bùi Văn Ga, Hồ Tấn Quyền, Nhan Hồng Quang: Phương tiện giao thông sạch phù hợp với điều kiện Việt Nam; Hội nghị Nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ môi trường phục vụ đào tạo và bảo vệ môi trường công nghiệp, Thành phố Hồ Chí Minh, 22-23/8/2003 6 . SỬ DỤNG LPG TRÊN XE GẮN MÁY VÀ XE BUÝT NHỎ Application of LPG on Motorcycles and Microbus Bùi Văn Ga, Trần. và áp suất ở đầu ra van tiết lưu cho phép áp dụng LPG trên xe gắn máy hai bánh. Nguyên lý này cũng có thể áp dụng trên ô tô bus cỡ nhỏ. Khi chuyển xe gắn