Cải hoán vòi phun LPG động cơ ô tô theo hướng giảm thiểu hiện tượng đóng băng trên đỉnh vòi phun

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 1/2015<br /> <br /> THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br /> <br /> CẢI HOÁN VÒI PHUN LPG ĐỘNG CƠ Ô TÔ THEO HƯỚNG GIẢM THIỂU<br /> HIỆN TƯỢNG ĐÓNG BĂNG TRÊN ĐỈNH VÒI PHUN<br /> LPG INJECTORS REFORM OF AUTOMOTIVE ENGINES TOWARDS REDUCING<br /> ICING ON THE TOP OF INJECTOR<br /> Nguyễn Thanh Tuấn1<br /> Ngày nhận bài: 24/4/2014; Ngày phản biện thông qua: 26/5/2014; Ngày duyệt đăng: 10/2/2015<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo trình bày khả năng sử dụng LPG như một nhiên liệu thay thế cho xăng ô tô. Vấn đề xảy ra là khi phun LPG<br /> dưới dạng lỏng do tính bay hơi của LPG với nhiệt độ rất thấp (khoảng -40 độ C) dẫn tới hiện tượng LPG sẽ đóng băng<br /> tại đỉnh và thân vòi phun. Giải pháp vấn đề này được đưa ra và đã thực hiện trong suốt thời gian qua trong chương trình<br /> nghiên cứu của Bộ môn Kĩ thuật giao thông - Khoa Máy trường Đại học Kĩ thuật Liberec - Cộng hòa Séc.<br /> Từ khóa: LPG injector, vòi phun, vòi phun ngắn, vòi phun dạng thân<br /> <br /> ABSTRACT<br /> This paper presents the possibility of using LPG as an alternative fuel for spark ignition engines of automobiles. The<br /> problem occurs when injection of LPG in liquid phase, LPG evaporates at low temperatures (about -40 degrees C) led<br /> to the phenomenon of LPG will freeze on the top and injector body. The solution of this problem is given, and have made<br /> during the past in the research program of the Department of Transport - Faculty of Mechanical Engineering - Technical<br /> University of Liberec - Czech Republic.<br /> Keywords: LPG, injector body, alternative fuel, freeze<br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Ô nhiễm môi trường do các phương tiện giao<br /> thông gây ra đang là vấn đề lớn cần quan tâm giải<br /> quyết. Nguyên liệu sạch LPG với thành phần chủ<br /> yếu là propane và butane được chiết xuất từ dầu khí<br /> có khả năng đốt cháy cao. Do vậy khi sử dụng nhiên<br /> liệu LPG sẽ giảm khí thải, góp phần tích cực bảo vệ<br /> môi trường. So với dòng xe cùng chủng loại, khi sử<br /> dụng nhiên liệu LPG sẽ tiết kiệm nhiên liệu gần 20%<br /> so với nhiên liệu xăng dầu [1], giá LPG cũng rẻ hơn<br /> so với xăng và dầu, và một thuận lợi nữa là khi chạy<br /> bằng LPG chúng ta không cần cải hoán, cải tạo hay<br /> điều chỉnh động cơ và các bộ phận liên quan.<br /> Sự vận hành của động cơ lưỡng nhiên liệu LPG<br /> hoặc xăng phụ thuộc vào tính chất hòa trộn nhiên<br /> liệu giữa LPG và không khí, những phát sinh xảy ra<br /> thường là do sự thay đổi về chất lượng của LPG (do<br /> sự xuất hiện của các chất khó bay hơi hay các tạp<br /> chất khác không mong muốn. Những trở ngại này<br /> <br /> 1<br /> <br /> gần như được khắc phục khi sử dụng hệ thống<br /> phun LPG dưới dạng lỏng [2]. Trong quá trình tạo<br /> hồn hợp giữa LPG lỏng và không khí trên đường<br /> ống nạp sự bay hơi mạnh mẽ của LPG trong ống vòi<br /> phun làm giảm nhiệt độ của hỗn hợp nhiên liệu và<br /> làm tăng khả năng nạp đầy trong buồng đốt động cơ<br /> dẫn tới khả năng công suất động cơ tăng lên. Tuy<br /> nhiên sự đóng băng trên đỉnh vòi phun là nguyên<br /> nhân khiến động cơ hoạt đông không đều và làm<br /> gia tăng nồng độ hydrocarbon ở đầu ra khí xả động<br /> cơ. Bài toán đặt ra là tìm giải pháp ngăn chặn hoặc<br /> giảm thiểu sự đóng băng ở đầu và thân vòi phun<br /> góp phần làm động cơ hoạt động êm dịu hơn và làm<br /> giảm ô nhiễm môi trường từ khí xả.<br /> II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> 1. Đối tượng nghiên cứu<br /> Vòi phun LPG lỏng được nghiên cứu và đã sản<br /> xuất thương mại. Một trong những nhà sản xuất lớn<br /> <br /> TS. Nguyễn Thanh Tuấn: Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 73<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> và có uy tín trong lĩnh vực này phải kể tới Công ty AVL<br /> của Hà Lan. Thiết bị này đã được phổ biến ở Châu Âu<br /> với tính ưu việt về tính năng của động cơ và tính kinh<br /> tế nếu so sánh với các sản phẩm cùng loại khác [3].<br /> Tuy nhiên sự đóng băng trên đỉnh vòi phun vẫn<br /> hiện hữu và là bài toán chung cần giải quyết. Trong<br /> chương trình nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng vòi<br /> phun của hãng AVL và đưa ra hai phương án kết cấu<br /> mới hướng tới việc làm giảm sự truyền nhiệt từ ống<br /> dẫn ra bề mặt của phần cuối vòi phun và giảm đường<br /> kính và chiều dài phần ống dẫn vòi phun với mục<br /> đích làm tăng áp suất LPG. Việc tăng áp suất trong<br /> ống dẫn sẽ làm chậm quá trình bay hơi LPG và giữ<br /> cho nền nhiệt độ LPG không xuống quá thấp.<br /> <br /> Số 1/2015<br /> Với mục đích nghiên cứu nhằm giảm thiểu đóng<br /> băng trên đỉnh vòi phun nên trong thực nghiệm này<br /> tác giả lắp đặt vòi phun trên một ống nhựa cứng<br /> hình trụ trong suốt (để thuận tiện quan sát hiện<br /> tượng ngay bằng mắt thường), ống trụ này được<br /> nối với ống nạp động cơ qua thiết bị gá đỡ cố định.<br /> Động cơ sử dụng trong nghiên cứu là động cơ<br /> Dawoo - Avia, động cơ này hoạt động giống như<br /> một động cơ lưỡng nhiên liệu và trong nghiên cứu<br /> này nó chỉ đóng vai trò đốt cháy phần LPG được<br /> phun ra từ vòi phun.<br /> Kết cấu các bộ phận của vòi phun LPG được<br /> thể hiện trong hình 1.<br /> <br /> Hình 1. Kết cấu các bộ phận của vòi phun LPG<br /> <br /> Mục đích hướng tới khi thay đổi hình dạng phần<br /> cuối vòi phun là làm tăng áp suất trong ống dẫn luôn<br /> cao hơn áp suất mà tại đó LPG ở mức nhiệt độ trên<br /> 00C. Giá trị áp suất phụ thuộc vào thành phần hỗn<br /> hợp có trong LPG (propane và butane). Nếu áp suất<br /> <br /> LPG cao hơn áp suất hơi bão hòa tại nhiệt độ 00C<br /> thì hiện tượng đóng băng sẽ không thể hình thành.<br /> Hai phương án mới cải tạo phần cuối vòi phun được<br /> đưa ra với hình dạng và kích thước được miêu tả<br /> tại hình 2.<br /> <br /> Vòi phun dạng ống nguyên thủy<br /> - Vật liệu: Thép<br /> - Đường kính ngoài Ø 3mm. đường kính<br /> trong Ø 1mm.<br /> - Chiều dài 41,5mm.<br /> <br /> Vòi phun dạng ống ngắn cải tạo<br /> <br /> Vòi phun dạng trụ cải tạo<br /> <br /> - Vật liệu: Thép<br /> - Đường kính ngoài Ø 0.6mm.<br /> đường kính trong Ø 0.4mm.<br /> - Chiều dài ống 25.5mm<br /> <br /> - Vật liệu: Nhôm hợp kim<br /> - Đường kính ngoài Ø 20 mm.<br /> đường kính trong Ø 0.6 mm.<br /> - Chiều dài ống 22 mm<br /> <br /> Hình 2. Phần cuối vòi phun LPG nguyên thủy và hai phương án cải tạo<br /> <br /> 74 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> 2. Phương pháp nghiên cứu<br /> Nghiên cứu bằng thực nghiệm với cách thức đo<br /> trực tiếp nhiệt độ tại hai vị trí đỉnh và thân của phần<br /> cuối vòi phun. Hai vị trí này sẽ cho giá trị nhiệt độ ở<br /> từng chế độ phun và tốc độ động cơ, từ đó có thể so<br /> sánh được với phần cuối vòi phun đã được chế tạo<br /> và sử dụng trên thị trường.<br /> Cảm biến nhiệt độ phục vụ trong thí nghiệm là<br /> loại cảm biến kiểu K với dải đo nhiệt độ phù hợp<br /> trong nghiên cứu. Cảm biến này được nối với thiết<br /> bị đo HBM có kết nối máy tính với phần mềm chuyên<br /> dụng để lưu và xuất dữ liệu trong khi tiến hành<br /> thí nghiệm.<br /> <br /> Số 1/2015<br /> Chế độ thực nghiệm được tiến hành bằng cách<br /> thay đổi giá trị của thời gian mở van vòi phun LPG<br /> (1,2,4,6,8,10,12,14,15 ms) và tốc độ động cơ (1000,<br /> 2000, 3000, 4000, 5000 vòng/phút).<br /> III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN<br /> 1. Vòi phun LPG dạng ống nguyên thủy<br /> Vòi phun LPG được làm bằng ống thép với<br /> đường kính trong là 1mm và đường kính ngoài là<br /> 3mm. Cảm biến nhiệt độ đặt tại ví trí cách đỉnh phía<br /> trên 5mm và cảm biến nhiệt độ thứ 2 gần đỉnh đầu<br /> ra vòi phun. Giá trị đo được thể hiện tại đồ thị hình 4.<br /> <br /> Hình 3. Cấu tạo vòi phun LPG dạng ống nguyên thủy và trạng thái làm việc của nó<br /> <br /> Hình 4. Nhiệt độ thân và đỉnh vòi phun đo được khi thí nghiệm bằng cách thay đổi thời gian phun<br /> và tốc độ quay của động cơ<br /> <br /> Sự bay hơi của LPG được thể hiện từ đồ thị hình 4. Đường kính của ống dẫn lớn nên áp suất LPG<br /> trong ống rất thấp và tỉ lệ bay hơi LPG tăng lên. Tại thời điểm lượng LPG được phun ít (chế độ không tải)<br /> nhiệt lượng truyền từ môi trường đủ để giúp LPG hóa hơi. Với sự tăng lên của cả lượng nhiên liệu phun<br /> vào ống nạp và tốc độ động cơ LPG bay hơi mạnh hơn khiến nhiệt độ giảm xuống nền nhiệt đủ để hình<br /> thành băng tại đỉnh vòi phun.<br /> 2. Vòi phun dạng ống ngắn cải tạo<br /> Một vòi phun ngắn hơn được làm bằng thép với đường kính trong là 0.4 mm và đường kính ngoài là<br /> 0.6 mm. Cảm biến nhiệt độ 1 được đo gần đỉnh trên của vòi phun, cảm biến nhiệt độ 2 được đặt gần đỉnh ra vòi<br /> phun. Nhiệt độ thu được thể hiện tại đồ thị thuộc hình 6.<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 75<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 1/2015<br /> <br /> Hình 5. Cấu tạo vòi phun dạng ống ngắn cải tạo và trạng thái làm việc<br /> (được thiết kế phục vụ nghiên cứu)<br /> <br /> Giá trị nhiệt độ thu được có sự tăng lên đáng kể, áp suất giảm không đáng kể khiến cho sự bay hơi của<br /> LPG trong ống dẫn vòi phun diễn ra với một phần rất nhỏ, phần còn lại của sự bay hơi này diễn ra trong ống<br /> nạp của động cơ.<br /> <br /> Hình 6. Kết quả thí nghiệm đo nhiệt độ thân và đỉnh vòi phun ngắn với sự thay đổi thời gian phun<br /> và tốc độ quay của động cơ<br /> <br /> 3. Vòi phun dạng trụ cải tạo<br /> Một vòi phun dạng trụ được sản xuất bằng hợp kim nhôm. Cảm biến nhiệt độ 1 được đo tại thân vòi phun<br /> (phần giữa), cảm biến nhiệt độ 2 được đặt gần đỉnh ra vòi phun. Nhiệt độ thu được thể hiện tại đồ thị thuộc hình 8.<br /> <br /> Hình 7. Cấu tạo vòi phun dạng trụ cải tạo và trạng thái làm việc (được thiết kế phục vụ nghiên cứu)<br /> <br /> 76 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 1/2015<br /> <br /> Hình 8. Kết quả thí nghiệm đo nhiệt độ thân và đỉnh vòi phun dạng thân với sự thay đổi<br /> thời gian phun và tốc độ quay của động cơ<br /> <br /> Nhiệt độ vòi phun dưới nhiệt độ xảy ra đóng<br /> băng tại chế độ phun với lượng nhiên liệu nhỏ và tốc<br /> độ động cơ thấp. Với lượng nhiên liệu phun nhiều<br /> hơn, áp suất LPG lớn, LPG bay hơi ít hơn khiến nền<br /> nhiệt độ trong ống dẫn vòi phun đủ cao hơn nhiệt độ<br /> sẽ hình thành băng. Đối với loại vòi phun này băng<br /> chỉ xảy ra rất ít tại đỉnh vòi phun.<br /> IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ<br /> Mục đích của nghiên cứu này là đi tìm giải pháp<br /> cho việc ngăn chặn quá trình đóng băng tại đỉnh và<br /> thân vòi phun LPG trong suốt quá trình phun nhiên<br /> liệu LPG lỏng vào ống nạp động cơ đốt trong ô tô.<br /> Một vài loại vòi phun đã được thiết kế và lắp đặt trên<br /> ống nạp động cơ. Kết quả thí nghiệm đầu tiên được<br /> <br /> tiến hành với vòi phun LPG nguyên thủy, ở đó đã<br /> bộc lộ những nhược điểm trong kết cấu khiến cho<br /> băng hình thành một cách trầm trọng, nguyên nhân<br /> từ việc bay hơi rất mạnh của LPG trong ống dẫn vòi<br /> phun. Với sự thay đổi kết cấu vòi phun mà cụ thể<br /> ở đây là giảm diện tích tiết diện ống (giảm tiết lưu),<br /> áp suất LPG có sự tăng lên. Vì vậy nhiệt độ LPG<br /> cũng tăng lên, làm giảm nguy cơ đóng băng, điều<br /> đó cũng đồng nghĩa với việc giảm thiểu sự ô nhiễm<br /> môi trường như đã phân tích ở trên.<br /> Vòi phun mới đã sẵn sàng thay cho vòi phun<br /> nguyên thủy nhưng cũng cần thêm sự tính toán tối<br /> ưu và những nghiên cứu thay đổi về tính năng của<br /> động cơ đốt trong khi đưa vào sử dụng.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> Tiếng Việt<br /> 1.<br /> <br /> LPG - nguyên liệu sạch.<br /> <br /> 2.<br /> <br /> http://www.baomoi.com/Su-dung-LPG-nguon-nhien-lieu-sach/45/4816035.epi<br /> <br /> 3.<br /> <br /> Ondřej Dráb, Stanislav Beroun, Martin Hošek: “Liquid LPG Injection - Modern Way Of Fuel Mixture Formation For Spark<br /> Ignition Engines”. Technical University of Liberec Czech Republic. 9th International Symposium Tatranské Matliare, June,<br /> 14-17, 2010 Slovak Republic.<br /> <br /> 4.<br /> <br /> Nguyen Thanh Tuan, 2013. Doctor dissertation. Technical University of Liberec, Czech Republic.<br /> <br /> Tiếng Anh<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 77<br /> <br />