zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Luận Văn - Báo Cáo

» Báo cáo khoa học

Báo cáo khoa học: "NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHUN LPG TRÊN ĐƯỜNG NẠP CHO ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Nguyễn Phương Hà Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Báo xấu

93
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học: "NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHUN LPG TRÊN ĐƯỜNG NẠP CHO ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC"

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 T ẮT 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 li u LPG cần thiết và thiết kế hệ thống điều khiển phun LPG trên đường nạp của ệ 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. K quả cho thấy, bộ điều khiển hoạt động ổn định, đáp ứng các chế độ làm ết 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. 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 56
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 h thống nhiên liệu phun LPG được công bố. Sử dụng các bộ ệ 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 ủy, lưu lưngợ nguyên th xăng phun căn c chủ yếu ứ vào lưu lư không khí ợng nạp và được điều chỉnh tăng/giảm thêm tùy theo chế độ làm việc của động cơ [2]. Khi chuy đổi, ển lượng LPG được phun phải cháy h để đảm bảo tính ết kinh ế . Do đó, thông s ố t điều khiển chính là lưu lượng LPG phun vào, tương ứng với lượng không Hình 1. Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ khí ạp . Tín ệu điều n hi 1: Van nạp; 2:Đường ống nạp;3:Bình ch ứa LPG; 4: Cụm van bình chứa; 5:Đường ống khiển phun LPG phụ thuộc 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 tín hi u điều khiển phun ệ vào đường ống nạp; 13: Đường ống nạp; 14: Jac nối; 15: Vòi phun xăng; 16Bugi. xăng và đư hiệu chỉnh ợc 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 lượng xăng được phun Q X , khi động cơ dùng xăng là: = Q X .(A / F) X Q kk = [g/s] (1) t X . K X . (A / F) X 57
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009 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 Q G , khi động cơ dùng LPG là: Q kk = QG .(A / F)G = t G . K G . (A / F)G [g/s] (2) Trong đó: − t X và t G là thời gian phun của các vòi phun xăng và LPG; K X và K G là các hằng số đặc trưng (ở điều kiện khi ca -lip các vòi phun) của − vòi phun xăng và LPG; (A/F) X và (A/F) G là tỷ lệ không khí -xăng và không khí-LPG cháy hoàn toàn − lý thuyết; 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: K X (A / F) X (3) tG = . . tX K G (A / F)G 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 th gian phun ời 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]: = CG . A G . 2. ρG . ∆p G . M (4) QG  γ  (p T / p o ) 2 / γ − (p T / p o )( γ+1)/ γ Với: M=   (5)  γ −1  1 − pT / po và độ chênh áp suất qua vòi phun: ∆p G = p o - p T Trong đó: − C G và A G 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: K G = A G . C G; − p o và p T là áp su “stagnation” của khí ga trước vòi phun và tại đế kim ất phun; − ρ G và γ là khối lượng riêng và tỷ số nhiệt dung của LPG trong ống vòi phun; 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 G < 1 [bar]. Trạng thái của khí trong đường ống được xác định bởi: ~ ~ pG R R p G .v G = = = const hay (6) .TG TG .ρG M G MG 58
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009 ~ Với R và M G là hằng số chất khí chung và khối lượng phân tử khí LPG. 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) đ với khoảng thay đổi ối 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 hưởn g của nhiệt độ khí ga. Như vậy, thời gian phun LPG cho động cơ thực tế có thể được xác định bởi : K X (A / F) X . t X . K T . K p . K ∆p (7) tG = . K G (A / F)G Ở đây, K T, K p, 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 K p 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 ∆p G ngoài ra còn phụ thuộc thêm vào tốc độ động cơ. Phương trình trên là ph ương trình cơ bản biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian phun ga t G và thời gian phun xăng t X và là cơ s để thiết kế vi mạch điều ở khiển phun khí ga LPG cho động cơ thí nghiệm. 3. Thiết kế bộ điều khiển phun nhiên liệu khí LPG ình 1 mô ả hệ thống phun khí LPG, trong đó các bộ phận cơ khí: bình chứa t 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. 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. BÀÕT ÂÁÖU XÀNG CHOÜN CHÃÚ ÂÄÜ LAÌM VIÃÛC LPG TÊNH TOAÏN THÅÌI GOÜI CHÆÅNG TRÇNH CON GIAN PHUN LPG 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 ÂOÜC THÅÌI GIAN THOAÏT KHOÍI CHÆÅNG YES PHUN XÀNG TRÇNH KIÃØM TRA XUNG TÄÚC ÂÄÜ NGÀÕT CAÏC VAN ÂIÃÛN TUÌ KÃÚT THUÏC 60 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. Thực nghiệm và kết quả Bộ điều khiển LPG; 1. Bộ điều khiển xăng ; 4 5 6 2. 7 Công tắc xăng/LPG; 3. Bộ phân phối nhiên liệu; 4. Bộ hóa hơi - giảm áp; 1 8 5. 6. Vòi phun LPG; Bình chứa nhiên LPG; 7. Bảng tap-lo điều khiển 8. 3 2 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 đư sử dụng khá phổ biến ở Việt Nam hiện nay. Đây là động cơ kiểu Du al ợc 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 t ả 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 K X và K G , các hệ số K T , K p 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. 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 qu á trình cháy c nhiên liệu khí LPG chiếm ưu thế hơn so ủa 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. 61
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009 Công suất & mô men động cơ Tỷ lệ mô men & tỷ lệ hiệu suất biến đổi năng lượng 200 60 1.04 Mô men đ ộng cơ, T [Nm] Công su ất, P [KW] 150 50 1.00 100 40 0.96 50 30 2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800 0 20 ne [v/ph] 2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800 TG/TX EtaG/EtaX ne [v/ph] T_X T_G P_X P_G Hình 8 - Tỷ lệ hiệu suất chuyển đổi năng Hình 7 - So sánh công suất và mô men động lượng, , khi dùng LPG/xăng cơ, khi dùng xăng / LPG được giảm xuống một nửa khi chạy LPG, So sánh Hàm lượng CO 8 Hàm lượng CO [%V] như hình 9. Hơn nữa, như hình 10, hàm lượng HC từ khoảng 250-300 khi dùng 4 xăng giảm còn 170 -220 ppm thể tích khi dùng LPG. Cht lượng quá trình cháy ấ 0 2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800 được cải thiện dẫn đến hàm lượng của ne [v/ph] COX COG HC, CO đều giảm. Ngoài ra, do LPG có Hình 9 – So sánh hàm lượng CO tỷ lệ H/C thấp hơn nên cũng làm cho Nồng độ CO từ 3% đến khoảng nồng độ CO và HC giảm khi chạy LPG. 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 c hỗn hợp LPG -không khí [2]) ấn át xu thế tăng NOx do tăng tốc độ ủa l cháy trong giai đoạn đầu của quá trình cháy LPG. So sánh Hàm lượng NOx So sánh Hàm lượng HC 1500 350 Hàm lượng Nox [ppmV] Hàm lượng HC [ppmV] 300 1000 250 200 500 150 0 100 2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800 2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800 ne [v/ph] ne [v/ph] NOX NOG HCX HCG Hình 11 – So sánh hàm lượng NOx trong khí Hình 10 – So sánh hàm lượng HC trong khí thải khi dùng LPG và khi dùng xăng 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 hi u suất động cơ tăng cao hơn, đến 4%. Nồng độ CO, HC và NOx đều ệ 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 th nghiệm ở các chế độ quá độ và đo áp suất trong xy lanh cần ử 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. [5] Glassman (2008), Combustion, Elsevier Inc., London, UK. 63

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.11: Bộ Luận Văn Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Tài Chính Ngân Hàng

172 tài liệu

823 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.