TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHUN LPG TRÊN ĐƯỜNG NẠP CHO ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC
A STUDY OF AN ELECTRONIC CONTROLLER FOR LPG INJECTION INTO THE INTAKE MANIFOLD OF SPARK IGNITION ENGINES
Phạm Quốc Thái – Phan Minh Đức – Nguyễn Văn Minh Trí Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Khí dầu mỏ hóa lỏng đã được khẳng định là nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong, góp phần đa dạng hóa nguồn nhiên liệu và giảm ô nhiễm do khí xả. Tuy nhiên, để ứng dụng nó có hiệu quả cao cần thiết phải ứng dụng thành tựu của lĩnh vực điều khiển điện tử vào hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ. Bài báo đã nghiên cứu tính toán lượng nhiên liệu, thời gian phun nhiên liệu LPG cần thiết và thiết kế hệ thống điều khiển phun LPG trên đường nạp của động cơ. Hệ thống này hoạt động kết hợp với bộ điều khiển phun xăng nguyên thủy. Thực nghiệm được tiến hành trên động cơ DAEWOO A16 DMS, ở chế độ tải cục bộ với các số vòng quay khác nhau. Kết quả cho thấy, bộ điều khiển hoạt động ổn định, đáp ứng các chế độ làm việc ổn định của động cơ. Khi sử dụng bộ điều khiển phun LPG, mô men và hiệu suất biến đổi năng lượng của động cơ tăng và mức độ phát thải CO, HC và NOx trong khí xả giảm so với khi dùng xăng.
ABSTRACT
Liquified petroleum gas (LPG) has been confirmed as an preferably alternative fuel in the current situation. However, it is indispensible to apply an electronic controller to the fuel system to achieve better engine performance and efficiency and exhaust gas emission. In this study, an electronic controling system can be designed on the basis of an analysis of fuel requirement and metering for an engine powered by LPG as well as the effect of engine parameters on the LPG flow rate. The system cooperates with the ECU gasoline to produce the signal for LPG injectors. The experiment was conducted with a DAEWOO A16 DMS engine, at part loads and various engine speeds. Test results show that the LPG injection system is adapted to all test conditions; the engine runs smoothly at all test speeds and with partial opening throttle (75%). Engine torques and energy conversion efficiency become higher with the LPG fuel; whereas, exhaust gas emission is lower compared with the engine fuelled with gasoline.
56
1. Đặt vấn đề: Sử dụng LPG thay thế cho xăng, dầu diesel trong động cơ đốt trong là một giải pháp hiệu quả để giảm ô nhiễm môi trường và đa dạng hóa nguồn nhiên liệu [1,2]. Có nhiều phương án cấp LPG cho động cơ đánh lửa cưỡng bức: dùng họng khuếch tán, phun trên đường nạp hoặc phun trực tiếp vào buồng cháy. Họng khuếch tán không đáp ứng được tất cả các chế độ làm việc của động cơ nên các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ không cao. Phương pháp phun trực tiếp cho phép tạo hỗn hợp cháy phân lớp, tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm khí xả nhưng đòi hỏi kỹ thuật phức tạp do phải
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009
phun vào môi trường có nhiệt độ và áp suất cao nên chưa thể áp dụng rộng rãi. Phương án phun trên đường nạp đạt hiệu quả cao, đáp ứng được các chỉ tiêu về kinh tế kỹ thuật của động cơ nên đã được áp dụng. Hiện nay nhiều công ty trên thế giới đã nghiên cứu và sản xuất bộ phụ kiện chuyển đổi để có thể lắp thêm vào ô tô, chuyển đổi thành hệ thống phun LPG trên đường ống nạp. Ở trong nước, hiện chưa có công trình nào nghiên cứu chuyển đổi sang hệ thống nhiên liệu phun LPG được công bố. Sử dụng các bộ chuyển đổi của nước ngoài đòi hỏi chi phí đầu tư cao và gặp khó khăn trong bảo hành vì số lượng triển khai sử dụng nhỏ. Do vậy, nhóm nghiên cứu đã thực hiện đề tài nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển phun LPG trên đường nạp để khẳng định tính khả thi trong thiết kế, chế tạo và triển khai ứng dụng bộ chuyển đổi với công nghệ trong nước.
Bộ điều khiển điện tử là bộ não của hệ thống phun LPG được thiết kế. Nó giao tiếp với ECU động cơ để nhận xung tốc độ động cơ và xung điều khiển vòi phun xăng. Ngoài ra, còn nhận thêm các tín hiệu từ hệ thống cung cấp LPG, bao gồm: nhiệt độ khí LPG trước vòi phun LPG, áp suất khí LPG trước và sau vòi phun LPG. Từ đó, nó tạo ra tín hiệu điều khiển phun LPG.
:
lưu thủy,
Hình 1. Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ
1: Van nạp; 2:Đường ống nạp;3:Bình chứa LPG; 4: Cụm van bình chứa; 5:Đường ống
cấp LPG lỏng cho bộ hóa hơi; 6: Lọc; 7:Đường nước sấy bộ hóa hơi; 8:Bộ hóa hơi;
9:Đường ống cấp khí Gas cho bộ chia; 10: Bộ chia; 11:Vòi phun; 12: Ống dẫn khí Gas
vào đường ống nạp; 13: Đường ống nạp; 14: Jac nối; 15: Vòi phun xăng; 16Bugi.
2. Cơ sở lý thuyết về hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ Đối với động cơ phun xăng lượng nguyên xăng phun căn cứ chủ yếu vào lưu lượng không khí nạp và được điều chỉnh tăng/giảm thêm tùy theo chế độ làm việc của động cơ [2]. Khi chuyển đổi, lượng LPG được phun phải cháy hết để đảm bảo tính kinh tế . Do đó, thông số điều khiển chính là lưu lượng LPG phun vào, tương ứng với lượng không khí nạp . Tín hiệu điều khiển phun LPG phụ thuộc tín hiệu điều khiển phun xăng và được hiệu chỉnh thêm theo các tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ khí LPG, độ chênh áp suất trước và sau vòi phun LPG (do có sự khác biệt khi lắp trên động cơ so với khi ca-lip vòi phun).
Tính toán thời gian phun của vòi phun ga LPG
Quan hệ giữa lưu lượng khối lượng không khí Q kk được nạp vào động cơ và lưu
, khi động cơ dùng xăng là: lượng xăng được phun QX
kk
X
X
X
X
X
57
= = [g/s] (1) Q Q .(A / F) t . K . (A / F)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009
, khi động cơ dùng LPG là: Tương tự, quan hệ giữa lưu lượng khối lượng không khí Q kk được nạp vào động cơ và lưu lượng khí LPG được phun QG
kk
G
G
G
G
G
= [g/s] (2) Q Q .(A / F) = t . K . (A / F)
là thời gian phun của các vòi phun xăng và LPG; tX và tG
X và KG
là các hằng số đặc trưng (ở điều kiện khi ca-lip các vòi phun) của Trong đó: − − K
vòi phun xăng và LPG;
X và (A/F)G
là tỷ lệ không khí-xăng và không khí-LPG cháy hoàn toàn −
(A/F) lý thuyết;
Như vậy, với cùng lượng không khí nạp vào động cơ, thời gian phun LPG và
X
X
xăng (ở điều kiện ca-lip vòi phun) có quan hệ:
t
=
. t
.
G
X
K K
(A / F) (A / F)
G
G
(3)
Thực tế, do điều kiện hoạt động, bao gồm nhiệt độ khí LPG và độ chênh áp suất trước và sau vòi phun LPG, khác với điều kiện khi ca-lip vòi phun nên thời gian phun thực tế cần phải được hiệu chỉnh.
Lưu lượng dòng khí ga đi qua vòi phun LPG phụ thuộc đặc trưng vòi phun và
tính chất của khí ga, được xác định bởi [2]:
G
G
γ
γ+
γ
2/
(
1)/
= (4) Q C . A . 2. G ρ ∆ G . p . M G
−
(p / p ) o
T
(p / p ) o
(5) Với:
M
γ γ −
−
1
=
T 1 p / p T
o
T
và độ chênh áp suất qua vòi phun: ∆pG = po - p
Trong đó: − CG và AG là hệ số lưu lượng và tiết diện thông qua của vòi phun LPG, liên
; quan với hệ số đặc trưng của vòi phun LPG ở điều kiện ca-lip bởi: KG = AG . CG
o và pT
là áp suất “stagnation” của khí ga trước vòi phun và tại đế kim − p
phun;
G
và γ là khối lượng riêng và tỷ số nhiệt dung của LPG trong ống vòi phun; − ρ
G
< 1 [bar]. Đại lượng M đặc trưng cho sự ảnh hưởng tính nén của dòng môi chất đến lưu lượng qua vòi phun. Đối với chất khí, khi chênh áp qua vòi phun không lớn, có thể xem M ≈ 1. Đối với hệ thống phun LPG trên đường nạp, ∆p
Trạng thái của khí trong đường ống được xác định bởi:
G
~ R M
~ R M
G
G
G
58
= = = hay (6) const p .v G .T G p G ρ T . G
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009
~ R và MG
Với là hằng số chất khí chung và khối lượng phân tử khí LPG.
X
X
Khi ca-lip vòi phun ga để xác định đặc tính vòi phun, điều kiện áp suất và nhiệt độ khí ga được chọn có giá trị trung bình (315K và 1,45 bar) đối với khoảng thay đổi ứng với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ. Nhiệt độ khí ga thay đổi từ 300K đến 330K trong khi chênh áp thay đổi từ 0,5 đến 1 bar. Sự ảnh hưởng của áp suất đến lưu lượng ga là hơn hơn nhiều so với sự ảnh hưởng của nhiệt độ khí ga. Như vậy, thời gian phun LPG cho động cơ thực tế có thể được xác định bởi:
t
=
. t
.
G
X
K K
(A / F) (A / F)
G
G
(7) . KT . Kp . K∆p
Ở đây, K
T, Kp, và K∆p lần lượt là các đại lượng hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng sự thay đổi nhiệt độ, áp suất khí ga trước vòi phun ga, độ chênh áp suất qua vòi phun ga. Sự thay đổi độc lập nhiệt độ, áp suất làm thay đổi tuyến tính giảm, tăng khối lượng riêng của ga nên K T và Kp có thể được nội suy tuyến tính theo sự thay đổi nhiệt độ và áp suất. Đối với một động cơ cụ thể, sự thay đổi ∆pG ngoài ra còn phụ thuộc thêm vào tốc độ động cơ. Phương trình trên là phương trình cơ bản biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian phun ga tG và thời gian phun xăng tX và là cơ sở để thiết kế vi mạch điều khiển phun khí ga LPG cho động cơ thí nghiệm.
3. Thiết kế bộ điều khiển phun nhiên liệu khí LPG
ình 1 mô tả hệ thống phun khí LPG, trong đó các bộ phận cơ khí: bình chứa
LPG, các van điện từ, bộ hóa hơi và vòi phun là sản phẩm thương mại của Hàn Quốc.
3.1. Thiết kế vi mạch điều khiển phun LPG
Hình 2 - Sơ đồ khối bộ điều khiển phun LPG cho động cơ đánh lửa cưỡng bức
59
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009
Hình 3 - Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển phun LPG
Vi mạch điều khiển được thiết kế sử dụng chip AT89S52 của hãng Atmel; có bộ nhớ EEPROM 8K thuận lợi cho việc lập trình điều khiển; tốc độ và khả năng xử lý nhanh đáp ứng được yêu cầu của hệ thống điều khiển[3]. Ngoài ra, còn có bộ chuyển đổi ADC 0804, mạch khuếch đại và công suất IRF540, ULN2803 và một số linh kiện khác để chuyển các tín hiệu tương tự: nhiệt độ, áp suất LPG vào vi điều khiển xử lý.
Bộ điều khiển sẽ thu thập các tín hiệu từ các cảm biến: nhiệt độ, áp suất khí LPG, tốc độ động cơ, xung điều khiển vòi phun xăng từ ECU xăng. Từ đó tính toán, xử lý và đưa ra xung điều khiển vòi phun khí LPG phù hợp ở các chế độ làm việc của động cơ.
Lưu đồ thuật toán và bảng mạch bộ điều khiển được mô tả trên hình 4 và 5.
BÀÕT ÂÁÖU
XÀNG
CHOÜN CHÃÚ ÂÄÜ LAÌM VIÃÛC
LPG
TÊNH TOAÏN THÅÌI GIAN PHUN LPG
GOÜI CHÆÅNG TRÇNH CON ÂOÜC AÏP SUÁÚT (ADC 0804)
ÂIÃÖU KHIÃØN THÅÌI GIAN PHUN LPG
GOÜI CHÆÅNG TRÇNH CON ÂOÜC NHIÃÛT ÂÄÜ (ADC 0804)
NO
XUNG TÄÚC ÂÄÜ ÂÄÜNG CÅ?
XAÏC ÂËNH NHOÏM PHUN
NO
YES
T > 5 GIÁY
YES
ÂOÜC THÅÌI GIAN PHUN XÀNG
THOAÏT KHOÍI CHÆÅNG TRÇNH KIÃØM TRA XUNG TÄÚC ÂÄÜ
NGÀÕT CAÏC VAN ÂIÃÛN TUÌ
KÃÚT THUÏC
60
3.2. Lưu đồ thuật toán và chương trình điều khiển phun LPG Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ Assembly.
Hình 4 - Thuật toán điều khiển
Hình 5 - Bảng mạch điều khiển
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009
4
5
6
7
1
8
4. Thực nghiệm và kết quả
3
2
1. Bộ điều khiển LPG; 2. Bộ điều khiển xăng ; 3. Công tắc xăng/LPG; 4. Bộ phân phối nhiên liệu; 5. Bộ hóa hơi - giảm áp; 6. Vòi phun LPG; 7. Bình chứa nhiên LPG; 8. Bảng tap-lo điều khiển
Hình 6 - Bố trí hệ thống thí nghiệm
hực nghiệm đã được thực hiện tại Phòng thí nghiệm động cơ và ô tô – trường Đại học Bách Khoa. Bộ điều khiển phun LPG đã thiết kế và được lắp đặt và thử nghiệm cho động cơ DAEWOO A16 DMS lắp trên ôtô DAEWOO NUBIRA [4] sản xuất năm 2001 và được sử dụng khá phổ biến ở Việt Nam hiện n ay. Đây là độ ng cơ k iểu Dual Overhead Cam L - 4 1.6L DOHC phun xăng điện tử, tỷ số nén 9,5; đường kính xy lanh 79 [mm]; hành trình piston 81,5 [mm]. Hình 6 mô tả sự bố trí hệ thống thí nghiệm.
rong giai đoạn chuẩn bị cho thực nghiệm này, các hằng số đặc trưng của các vòi phun KX và KG, các hệ số K T, Kp được xác định. Sau khi chạy hâm nóng động cơ và hệ thống thí nghiệm, động cơ được thử ở các chế độ ổn định (steady states), với xăng và LPG từ số vòng quay 2500 đến 4500 với bước 250 [v/ph] và độ mở bướm ga 75%. Mô men, công suất, hiệu suất chuyển đổi năng lượng và nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả được so sánh cho 2 loại nhiên liệu. Các kết quả so sánh, sau khi quy về điều kiện thí nghiệm chuẩn, được trình bày trong hình 7 đến hình 11.
rong suốt quá trình thí nghiệm, hệ thống điều khiển phun LPG hoạt động ổn định và đáp ứng khả năng cung cấp LPG cho tất cả các chế độ thí nghiệm, động cơ hoạt động ổn định và sự thay đổi chế độ hoạt động của động cơ diễn ra bình thường.
61
ình 7 và 8 cho thấy, ứng với độ mở bướm ga 75% ở tất cả các số vòng quay, mô men động cơ khi dùng LPG cao hơn khi dùng xăng, khoảng 1% đến 4%. Hiệu suất biến đổi năng lượng của động cơ khi dùng LPG cũng cao hơn từ 1% đến xấp xỉ 4%. Kết quả này có thể do sự cải thiện quá trình cháy của nhiên liệu khí LPG chiếm ưu thế hơn so với sự giảm hệ số nạp khi nạp nhiên liệu khí. Hơn nữa, do khí LPG có áp suất xấp xỉ 1,5 bar được phun vào đường nạp, nên cũng có xu hướng cải thiện chất lượng nạp.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009
Công suất & mô men động cơ
]
60
200
]
Tỷ lệ mô men & tỷ lệ hiệu suất biến đổi năng lượng
1.04
m N
W K
[
50
150
[ T
P
,
1.00
40
100
30
50
0.96
, t ấ u s g n ô C
3600
4000
4400
2400
2800
3200
20
0
ơ c g n ộ đ n e m ô M
2400
3200
3600
4400
4800
2800
4000
4800 ne [v/ph]
TG/TX
EtaG/EtaX
ne [v/ph]
T_X
T_G
P_X
P_G
Hình 8 - Tỷ lệ hiệu suất chuyển đổi năng lượng, , khi dùng LPG/xăng
Hình 7 - So sánh công suất và mô men động cơ, khi dùng xăng / LPG
được giảm xuống một nửa khi chạy LPG,
So sánh Hàm lượng CO
8
]
V %
[
4
O C g n ợ ư
l
0
m à H
4800
2400
2800
3600
4000
4400
ne [v/ph]
3200 COX
COG
Hình 9 – So sánh hàm lượng CO
như hình 9. Hơn nữa, như hình 10, hàm lượng HC từ khoảng 250-300 khi dùng xăng giảm còn 170-220 ppm thể tích khi dùng LPG. Chất lượng quá trình cháy được cải thiện dẫn đến hàm lượng của HC, CO đều giảm. Ngoài ra, do LPG có tỷ lệ H/C thấp hơn nên cũng làm cho nồng độ CO và HC giảm khi chạy LPG. Nồng độ CO từ 3% đến khoảng 6% theo thể tích khí xả khi chạy xăng,
Kết quả trên hình 11 cho thấy điểm đáng chú ý là, NOx cũng giảm đáng kể khoảng 1100 ppm thể tích xuống dưới 500 ppm, trong khi cả HC và CO đều giảm khi động cơ dùng LPG. Kết quả giảm NOx này là sự tác tổng hợp của nhiều nhân tố. Xu hướng giảm NOx (do nhiệt độ đoạn nhiệt và tốc độ cháy thấp hơn của LPG [5], tỷ lệ A/F cao hơn của hỗn hợp LPG -không khí [2]) lấn át xu thế tăng NOx do tăng tốc độ cháy trong giai đoạn đầu của quá trình cháy LPG.
So sánh Hàm lượng NOx
So sánh Hàm lượng HC
1500
]
350
]
300
1000
250
V m p p [
200
500
150
V m p p [ x o N g n ợ ư
l
C H g n ợ ư
0
l
100
m à H
2400
2800
3600
4000
4400
4800
2400
2800
3600
4000
4400
4800
m à H
ne [v/ph]
ne [v/ph]
3200 NOX
NOG
3200 HCX
HCG
Hình 11 – So sánh hàm lượng NOx trong khí thải khi dùng LPG và khi dùng xăng
Hình 10 – So sánh hàm lượng HC trong khí thải khi dùng LPG và khi dùng xăng
62
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009
5. Kết luận Hệ thống điều khiển phun LPG được thiết kế có khả năng đảm bảo cho động cơ hoạt động ổn định ở tất cả chế độ số vòng quay và mức ga thí nghiệm. Khi dùng LPG, mô men và hiệu suất động cơ tăng cao hơn, đến 4%. Nồng độ CO, HC và NOx đều giảm ở tất cả các số vòng quay, so với khi dùng xăng.
Kết quả ban đầu mở ra triển vọng có thể thiết kế, sản xuất với công nghệ hiện tại trong nước để ứng dụng bộ chuyển đổi phun LPG cho động cơ đánh lửa cưỡng bức trên ô tô. Tuy nhiên, các thử nghiệm ở các chế độ quá độ và đo áp suất trong xy lanh cần phải được thử nghiệm thêm để phân tích mức độ làm việc ổn định của động cơ, trước khi ứng dụng rộng rãi bộ điều khiển trên ô tô thực tế.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Eran Sher (1998), Handbook of Air Pollution from Internal Combustion Engines,
Academic Press, California, USA.
[2] John B. Heywood (1988), Internal Combustion Engine Fundamentals, Mc- Graw
Hill, USA.
[3] Nguyễn Tăng Cường (2004), Cấu trúc và lập trình họ vi điều khiển 8051, NXB
Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
[4] Daewoo Motor Co. LTD (2001), Service Training Manual_Electrical Wiring
Diagram, Korea.
63
[5] Glassman (2008), Combustion, Elsevier Inc., London, UK.
