TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009
56
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 lnh vực điều khiển điện t 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 s 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.
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
57
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.
2. Cơ sở lý thuyết về hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ
Đối với động cơ phun xăng
nguyên thủy, lưu lượng
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 Qkk được nạp vào động cơ và lưu
lượng xăng được phun QX
, khi động cơ dùng xăng là:
kk X X X X X
Q Q .(A / F) t . K . (A / F)= = [g/s] (1)
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.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009
58
Tương tự, quan hệ giữa lưu lượng khối lượng không khí Qkk được nạp vào động cơ và
lưu lượng khí LPG được phun QG
, khi động cơ dùng LPG là:
kk G G G G G
Q Q .(A / F) = t . K . (A / F)=
[g/s] (2)
Trong đó:
− tX và tG
− K
là thời gian phun của các vòi phun xăng và LPG;
X và KG
− (A/F)
là các hằng số đặc trưng (ở điều kiện khi ca-lip các vòi phun) của
vòi phun xăng và LPG;
X và (A/F)G
Như vậy, với cùng lượng không khí nạp vào động cơ, thời gian phun LPG và
xăng (ở điều kiện ca-lip vòi phun) có quan hệ:
là tỷ lệ không khí-xăng và không khí-LPG cháy hoàn toàn
lý thuyết;
XX
GX
GG
K (A / F)
t = . . t
K (A / F)
(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 GG GG
Q C . A . 2. . p . M= ρ∆ (4)
Với:
2/ ( 1)/
To To
To
(p / p ) (p / p )
M1 1 p /p
γ γ+ γ
 −
γ
=
γ− −

(5)
và độ chênh áp suất qua vòi phun: ∆pG = po - p
Trong đó:
T
− 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
− p
;
o và pT
− ρ
là áp suất “stagnation” của khí ga trước vòi phun và tại đế kim
phun;
G
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
và γ là khối lượng riêng và tỷ số nhiệt dung của LPG trong ống vòi phun;
G
Trạng thái của khí trong đường ống được xác định bởi:
< 1 [bar].
hay
~
G
GG G
pRconst
T. M
= =
ρ
(6)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009
59
Với
~
R
và MG
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:
là hằng số chất khí chung và khối lượng phân tử khí LPG.
XX
GX
GG
K (A / F)
t = . . t
K (A / F)
. KT . Kp . K∆p
Ở đây, K
(7)
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 KT 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
3. Thiết kế bộ điều khiển phun nhiên liệu khí LPG
và là cơ sở để thiết kế vi mạch điều
khiển phun khí ga LPG cho động cơ thí nghiệm.
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
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009
60
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 b
ộ
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.
B
ộ 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.
3.2. Lưu đồ thuật toán và chương trình điều khiển phun LPG
Lưu đồ thuật toán và bảng mạch bộ điều khiển được mô tả trên hình 4 và 5.
Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ Assembly.
LPG
XÀNG
THOAÏT KHOÍI CHÆÅNG
TRÇNH KIÃØM TRA XUNG
TÄÚC ÂÄÜ
XUNG TÄÚC ÂÄÜ
ÂÄÜNG CÅ?
YES
NO
KÃÚT THUÏC
NO
T > 5 GIÁY
YES
NGÀÕT CAÏC VAN
ÂIÃÛN TUÌ
ÂIÃÖU KHIÃØN THÅÌI GIAN
PHUN LPG
XAÏC ÂËNH NHOÏM PHUN
ÂOÜC THÅÌI GIAN
PHUN XÀNG
TÊNH TOAÏN THÅÌI
GIAN PHUN LPG
CHOÜN CHÃÚ ÂÄÜ
LAÌM VIÃÛC
GOÜI CHÆÅNG TRÇNH CON
ÂOÜC NHIÃÛT ÂÄÜ
(ADC 0804)
GOÜI CHÆÅNG TRÇNH CON
ÂOÜC AÏP SUÁÚT
(ADC 0804)
BÀÕT ÂÁÖU
Hình 4 - Thuật toán điều khiển Hình 5 - Bảng mạch điều khiển