Chuyển đổi và đánh giá xe máy sử dụng nhiên liệu LPG

Chia sẻ: Lệ Minh Vũ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu chính của nghiên cứu "Chuyển đổi và đánh giá xe máy sử dụng nhiên liệu LPG" là chuyển đổi động cơ xe máy Wave RSX 110 sử dụng nhiên liệu xăng sang dùng nhiên liệu khí LPG; đánh giá mức độ phát thải, tiêu hao nhiên liệu và công suất. Hệ thống phun xăng điện tử được thay thế bằng hệ thống phun nhiên liệu khí LPG trên đường ống nạp. Lưu lượng phun, thời điểm phun được tính toán và điều khiển bằng bộ xử lý trung tâm tinh chỉnh. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Chuyển đổi và đánh giá xe máy sử dụng nhiên liệu LPG

CHUYỂN ĐỔI VÀ ĐÁNH GIÁ XE MÁY SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU LPG Hồ Trọng Du* Khoa Công nghệ Động lực, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh. *Tác giả liên hệ, Email: hotrongdu@iuh.edu.vn. TÓM TẮT Mục tiêu chính của nghiên cứu là chuyển đổi động cơ xe máy Wave RSX 110 sử dụng nhiên liệu xăng sang dùng nhiên liệu khí LPG; đánh giá mức độ phát thải, tiêu hao nhiên liệu và công suất. Hệ thống phun xăng điện tử được thay thế bằng hệ thống phun nhiên liệu khí LPG trên đường ống nạp. Lưu lượng phun, thời điểm phun được tính toán và điều khiển bằng bộ xử lý trung tâm tinh chỉnh. Kết quả thử nghiệm trên bệ thử và trên đường cho thấy động cơ hoạt động ổn định, lượng nhiên liệu phun ra đáp ứng tốt các chế độ làm việc; phát thải khí CO, CO2, HC giảm lần lượt 49,6%, 16,5%, 43,9%. Động cơ sử dụng nhiên liệu LPG tiết kiệm nhiên liệu hơn so với nhiên liệu xăng, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 8,83%. Tuy nhiên, công suất và mô men cực đại giảm lần lượt 1,61% và 6,79%, không ảnh hưởng nhiều đến quá trình hoạt động của động cơ. Kết quả nghiên cứu trên đã đóng góp phương pháp chuyển đổi động cơ xe máy sử dụng xăng sang dùng nhiên liệu LPG và cơ sở dữ liệu chứng minh nhiên liệu LPG sử dụng hiệu quả trên động cơ xe gắn máy. Từ khóa: nhiên liệu LPG; phun LPG trên ống góp nạp; xe gắn máy sử dụng LPG. 1. Giới thiệu Hiện nay, trên thế giới và Việt Nam phương tiện tham gia giao thông càng tăng cao. Trong số đó, động cơ sử dụng nhiên liệu xăng dầu chiếm phần trăm cao, ô nhiễm môi trường từ khí thải do xăng dầu vẫn đang còn là vấn đề nan giải của nhân loại trong vài thập kỷ qua. Để giải quyết vấn đề trên, gần đây đã có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo vận hành thành công động cơ cho các phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu hóa lỏng LPG. Những công trình tiêu biểu trong nước [1],[3],[4],[5] đã tiến hành thực nghiệm, đánh giá mức độ phát thải khí xả của động cơ sử dụng nhiên liệu LPG. Kết quả hàm lượng khí xả CO, CO2 và HC đều giảm đáng kể so với sử dụng nhiên liệu truyền thống. Năm 2022, Hồ Trọng Du cùng các cộng sự [2] đã thiết kế, chế tạo hệ thống nhiên liệu LPG cho xe gắn máy Wave S110 sử dụng bộ chế hòa khí và sử dụng phần mềm Arduino để canh chỉnh. Thông qua quá trình thực nghiệm, cho thấy nhiên liệu LPG hoàn toàn sử dụng được cho động cơ xe gắn máy. Kết quả cho thấy vận hành êm dịu trên đường bằng và đường dốc với mức tiêu hao nhiên liệu nhỏ hơn 57,56 VND/km so với xe xăng sử dụng bộ chế hòa khí truyền thống. Tuy nhiên công trình chưa nghiên cứu đến tính năng phát thải khí xả của động cơ sử dụng LPG, đây cũng là hướng phát triển của các công trình về sau. Trên thế giới cũng có những công trình nghiên cứu [6], [7] động cơ xe gắn máy sử dụng nhiên liệu LPG kết quả thu được cũng rất tương đồng với các tác giả trong nước. Nhìn chung tất cả các đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước đều chuyển đổi động cơ xe gắn máy sử dụng bộ chế hòa khí hoặc phun xăng điện tử sử dụng nhiên liệu LPG phun trên đường ống nạp có bộ ECU để điều khiển. Tuy nhiên, việc thiết kế và chế tạo ECU gặp rất nhiều khó khăn và chi phí tốn kém. Hiện nay, trên thị trường phụ tùng xe máy Việt Nam có cung cấp ECU tinh chỉnh để phục vụ việc chế tạo, cải tiến xe. ECU tinh chỉnh đã được lập trình, tính toán thời gian mở kim phun và góc đánh lửa sớm tương thích với nhiên liệu xăng. Bằng phương pháp thực nghiệm nhóm nghiên cứu đã điều chỉnh dữ liệu để nó phù hợp với nhiên liệu LPG. Sử dụng ECU tinh chỉnh dùng để điều khiển phun xăng, đánh lửa cho 52
xe gắn máy sử dụng nhiên liệu LPG là hướng nghiên cứu mới, rút ngắn thời gian và chi phí chế tạo ECU và khắc phục được những hạn chế của các nghiên cứu trước đây. 2. Thiết kế hệ thống nhiên liệu lpg 2.1 Sơ đồ hệ thống và nguyên lý hoạt động Hình 1. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu LPG trên xe WaveS 110 1: Bình LPG; 2: đồng hồ đo áp suất điện tử; 3: van điện từ (solenoid); 4: bộ điều áp; 5: lọc LPG; 6: đồng hồ đo áp suất; 7: cảm biến vị trí trục cam; 8: cơ cấu phối khí; 9: kim phun; 10: họng gas; 11: bộ 3 cảm biến: CB vị trí bướm ga, CB áp suất khí nạp, CB nhiệt độ khí nạp; 12: lọc gió; 13: ECU; 14: ắc quy; 15: vô lăng; 16: CB tốc độ động cơ. Nguyên lý hoạt động: nhiên liệu LPG được nén trong bình chứa (1) áp suất 6 – 7 (kg/cm2), ngay sau bình gắn một đồng hồ áp suất (2) dùng để đo mức nhiên liệu trong bình. Trước khi sử dụng cần phải mở van tay để nhiên liệu đến và chờ sẵn tại van điện từ (3). Khi mở chìa khóa ở vị trí ON, nguồn điện 12V từ Accu (14) sẽ đi đến mở van điện từ cho nhiên liệu đi qua. Nhiên liệu tiếp tục đi đến bộ điều áp (4), bộ điều áp có nhiệm vụ giảm áp suất nhiên liệu theo mong muốn. Quan sát bằng đồng hồ đo áp (6) với áp suất mong muốn điều chỉnh từ 6 – 7 (kg/cm2) xuống còn khoảng 1,6 (kg/cm2) tương đương 29 (psi) cũng là áp suất đầu vào để kim phun hoạt động ổn định. Bên cạnh bộ điều áp lắp một bộ lọc (5) loại bỏ các tạp chất lẫn trong nhiên liệu. Cuối cùng nhiên liệu di chuyển tới kim phun (9) được lắp đặt trực tiếp trên đường ống nạp tương đồng với kim phun trên hệ thống phun xăng EFI. Trong quá trình làm việc, bộ điều khiển trung tâm ECU (13) sẽ liên tục nhận tín hiệu từ các cảm biến: vị trí trục cam (7), tốc độ động cơ (16), áp suất khí nạp, nhiệt độ khí nạp, vị trí bướm ga (11). ECU sẽ tự động tổng hợp, phân tích các tín hiệu rồi tính toán xác định được thời điểm phun và thời gian nhấc kim phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ. Cuối cùng ECU cấp tín hiệu điện áp 12V đến kim phun, nhiên liệu được phun vào đường ống nạp. Cùng lúc đó hệ thống nạp không khí cũng hoạt động, không khí đi qua lọc (12) để loại bỏ bụi bẩn sau đó được hút vào đường ống nạp hòa trộn với LPG tạo thành hỗn hợp hòa khí đi vào buồng đốt của động cơ. 2.2 Tinh chỉnh dữ liệu ECU tương thích với nhiên liệu LPG ECU Redleo được lập trình sẵn dữ liệu thời gian nhấc kim tương thích với từng chế độ làm việc động cơ (độ mở bướm ga và tốc độ động cơ) khi sử dụng nhiên liệu xăng như hình 2. Nhóm nghiên cứu đã thực nghiệm, tinh chỉnh và xác định thời gian nhấc kim tương thích với nhiên liệu LPG dựa vào tỉ lệ (A/F)tt của nhiên liệu LPG là 15,7. Hệ thống thực nghiệm gồm 53
ECU kết nối với động cơ xe máy và máy tính đã cài phần mềm REDLEO ECU Pro 9.1X để hiển thị dữ liệu của ECU, cảm biến AFR được gắn trên ống thải xe máy để xác định tỉ lệ (A/F)tt. Khi động cơ hoạt động thì phần mềm sẽ hiển thị thời gian nhấc kim phun, căn cứ tỉ lệ (A/F)tt đo được để điều chỉnh thời gian nhấc kim. Nếu tỉ lệ A/F lớn hơn 15,7 có nghĩa là động cơ đang hoạt động với hỗn hợp nghèo nên cần tăng thời gian nhấc kim sao cho A/F đo được là 15,7 và ngược lại thì giảm thời gian nhấc kim. Kết quả thu được bảng thời gian nhấc kim theo từng chế độ làm việc khi sử dụng nhiên liệu LPG như hình 3. Hình 2. Dữ liệu thời gian nhấc kim của ECU trước khi tinh chỉnh Hình 3. Dữ liệu thời gian nhấc kim của ECU sau khi khi tinh chỉnh So sánh dữ liệu thời gian nhấc kim của ECU trước khi tinh chỉnh và sau khi tinh chỉnh cho thấy rằng thời gian nhấc kim khi sử dụng nhiên liệu xăng (hình 2) lớn hơn thời gian nhấc kim khi sử dụng nhiên liệu LPG (hình 3) ở phần lớn các chế độ hoạt động. Tuy nhiên, ở chế độ không tải và chế độ bướm ga mở 5% thì thời gian nhấc kim phun khi sử dụng nhiên liệu LPG lớn hơn. Giá trị cực đại, cực tiểu thời gian nhấc kim khi sử dung nhiên liệu xăng là 1,12 ms và 10,2 ms; còn đối với thời gian nhấc kim LPG thì giá trị này là 0,11 ms và 6,32 ms. 3. Phương pháp 3.1 Đo công suất, mô men và suất tiêu hao nhiên liệu Hệ thống thử nghiệm đặc tính động cơ xe gắn máy gồm một động cơ được nối với máy phát thông qua khớp truyền động. Nhiên liệu cung cấp cho động cơ và đo lượng tiêu hao nhiên liệu nhờ cân nhiên liêu. Máy phát điện (máy tạo tải) có chức năng tạo tải và được tiêu thụ bởi bộ nhiệt điện trở. Cảm biến lực loadcell đo lực sinh ra trên vỏ máy phát từ đó tính toán được mô men và công suất của động cơ. Máy tính và tủ điều khiển thu thập, xử lý dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển độ mở bướm ga cũng như dòng kích từ (thay đổi tải cho động cơ). Hệ thống đo được bố trí như hình 4, và điều kiện đo như bảng 1 54
Nguyên lý đo: khi động cơ hoạt động kéo rô to của máy phát quay sinh ra điện được nhiệt điện trở tiêu thụ. Thay đổi tải tác dụng lên động cơ bằng cách thay đổi độ lớn dòng kích từ. Mô men và công suất có ích của động cơ được tính thông qua lực đo được từ cảm biến lực. Suất tiêu hao nhiên liệu được tính theo lượng tiêu hao nhiên liệu và công suất có ích của động cơ. Hình 4. Hệ thống đo công suất, mô men và suất tiêu hao nhiên liệu Bảng 1. Bảng điều kiện thử nghiệm mô men, công suất và suất tiêu hao nhiên liệu Thông số Nhiên liệu Xăng LPG Tốc độ động cơ (vòng/phút) 3000 – 7000 vòng/phút 3000 – 7000 vòng/phút Độ mở bướm ga Cố định 70% Cố định 70% Bước nhảy (vòng/phút) 500 vòng/phút 500 vòng/phút Thời gian đo (phút) 3 phút 3 phút Mô men loadcell Thông số thu thập từ bệ thử Mô men loadcell (Mloadcell) (Mloadcell) Từ MLoadcell đo được từ thực nghiệm, mô men đông cơ được tính toán theo công thức sau: 𝑀 𝑀đ𝑐 = 𝐿𝑜𝑎𝑑𝑐𝑒𝑙𝑙 𝜂 𝑚𝑝 . 𝜂 𝑜𝑏 . 𝜂 𝑘𝑛 (1) 𝑖 .𝑖 0 3 Trong đó: Mđc (N.m): Mô men động cơ Mloadcell (N.m): Mô men máy phát i0: Tỷ số truyền chính i3: Tỷ số truyền số 3 : hiệu suất máy phát (𝜂 𝑚𝑝 = 0,99) : Hiệu suất ổ bi (𝜂 𝑚𝑝 = 0,96) : Hiệu suất khớp nối (𝜂 𝑘𝑛 = 0,95) Công suất động cơ được tính toán dựa vào Mđc theo công thức sau: 2𝜋.𝑀đ𝑐 .𝑛 𝑁đ𝑐 = 60000 [8] (2) Trong đó: Nđc (kW): Công suất có ích của động cơ Mđc (N.m): Mô men động cơ n (vòng /phút): Tốc độ động cơ Công thức tính suất tiêu hao nhiên liệu. 55
Suất tiêu hao được tính toán dựa vào lượng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ (Gnl) đo được và công suất Nđc tính được ở công thức (2) 𝐺 𝑔 𝑒 = 𝑁 𝑛𝑙 (𝑔/𝐾𝑤. 𝑝) [8] (3) đ𝑐 3.2 Đo nồng độ khí thải Thử nghiệm được thực hiện tại Trạm đăng kiểm xe cơ giới 50-05V của Cục đăng kiểm Việt Nam, điều kiện thử nghiệm như bảng 2. Thiết bị phân tích khí xả là máy MGT 5, được sản xuất bởi hãng MAHA, chuyên phân tích khí xả cho động cơ xăng. Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo nồng độ khí xả được bố trí như hình 5. Bảng 2. Bảng điều kiện thử nghiệm đo nồng độ khí xả Thông số Nhiên liệu xăng LPG Tốc độ động cơ (vòng/phút) 2000 2000 Độ mở bướm ga Không tải Không tải Số lần đo (lần) 3 3 CO2 (%vol), CO (%vol), HC CO2 (%vol), CO (%vol), Thông số thu thập từ bệ thử (ppm) HC (ppm) Hình 5. Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo nồng độ khí thải 4. Kết quả và thảo luận 4.1 Mô men, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu Kết quả thực nghiệm được tính toán và được trình bày dưới dạng đồ thị như hình 6, hình 7, hình 8. 6.500 Mô men (N.m) 6.000 5.500 5.000 4.500 4.000 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 Tốc độ động cơ (vòng/phút) LPG Xăng Hình 6. Mô men của động cơ LPG so với động cơ xăng. 56
Từ đồ thị hình 6, ta thấy mô men của động cơ xăng tại 3000 (vòng/phút) đến 3500 (vòng/phút) thấp hơn động cơ LPG nhưng sau 3500 (vòng/phút) động cơ xăng đạt mô men vượt trội hơn động LPG. Ở điều kiện đo này, động cơ xăng đạt mô men cao nhất Mđc= 6,195 (N.m) tại vòng tua 6063 (vòng/phút), cao hơn so với động cơ LPG có mô men cực đại Mđc= 5,774 (N.m) tại vòng tua 6522 (vòng/phút). Với việc sử dụng nhiên liệu LPG, momen cực đại của động cơ giảm xuống khoảng 6,79% so với khi sử dụng nhiên liệu xăng. 4.600 4.300 4.000 3.700 Công suất (Kw) 3.400 3.100 2.800 2.500 2.200 1.900 1.600 1.300 1.000 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 Tốc độ động cơ (vòng/phút) LPG Xăng Hình 7. Công suất của động cơ LPG so với động cơ xăng. Từ đồ thị hình 7, ta thấy công suất của động cơ xăng lớn hơn công suất của động cơ LPG ở tốc độ động cơ 3500 – 7000 (vòng/phút); còn ở tốc độ nhỏ hơn 3500 (vòng/phút) thì công suất động cơ LPG cao hơn. Ở điều kiện đo này, động cơ xăng đạt công suất cao nhất Nđcmax= 4,154 (kW) tại tốc độ động cơ 7016 (vòng/phút); động cơ LPG có Nđcmax= 4,087 (kW) tại tốc độ động cơ 7021 (vòng/phút). Với việc sử dụng nhiên liệu LPG, công suất cực đại của động cơ giảm xuống khoảng 1,61% so với khi sử dụng nhiên liệu xăng. 30.00 Suất tiêu hao nhiên liệu 25.00 20.00 (g/Kw.p) 15.00 10.00 5.00 0.00 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 Tốc độ động cơ (vòng/phút) LPG Xăng Hình 8. Suất tiêu nhiên liệu động cơ LPG so với động cơ xăng. Từ đồ thị hình 8 cho thấy rằng, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ xăng (14-26 g/kW.p) cao hơn so với động cơ LPG (13-18 g/kW.p) ở các mức tốc độ tương đương. Với việc sử dụng nhiên liệu LPG, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ giảm xuống khoảng 8,83% so với khi sử dụng nhiên liệu xăng. 4.2 Nồng độ khí xả Kết quả nồng độ CO, CO2 và HC được đo ở 2 loại nhiên liệu xăng và LPG, mỗi loại nhiên liệu đo 3 lần sau đó lấy giá trị trung bình như bảng 3 và bảng 4. So sánh mức độ phát thải khi dùng 2 loại nhiên liệu trên bằng phương pháp tính % hàm lượng khí xả giảm so với 57
nhiên liệu xăng. Kết quả cho thấy rằng khí xả CO, CO2, HC giảm lần lượt 49,6%, 16,5%, 43,9% như đồ thị hình 9. Bảng 3. Kết quả đo nồng độ phát thải của xe gắn máy Wave S 110 khi chạy nhiên liệu xăng Loại nhiên liệu Lần CO2 (%vol) CO (%vol) HC (ppm) n (vòng/phút) 1 3,2 0,46 718 2130 2 2,8 0,37 696 2016 Xăng 3 3,1 0,44 683 2005 Trung 3,03 0,42 699 2017 bình Bảng 4. Kết quả đo nồng độ phát thải của xe gắn máy Wave S 110 khi chạy nhiên liệu LPG Loại nhiên liệu Lần CO2 (%vol) CO (%vol) HC (ppm) n (vòng/phút) 1 2,6 0,25 416 2125 2 2,3 0,16 389 2026 LPG 3 2,7 0,23 372 2015 Trung 2,53 0,21 392,3 2015 bình 80 60 %Vol, HC*10 (ppm) 40 20 0 CO(%vol) CO2(%vol) HC (ppm) ĐC xăng ĐC LPG Hình 9. Nồng độ khí thải ĐC LPG và xăng 5. Kết luận Xe gắn máy sử dụng nhiên liệu xăng truyền thống đã được chuyển đổi hoàn toàn sang sử dụng nhiên liệu LPG, được điều khiển bởi ECU tinh chỉnh. Kết cấu của xe sau khi chuyển đổi không có sự thay đổi đáng kể. Kết quả thử nghiệm trên bệ thử và trên đường cho thấy động cơ hoạt động ổn định, lượng nhiên liệu phun ra đáp ứng tốt các chế độ làm việc; phát thải khí CO, CO2, HC giảm lần lượt 49,6%, 16,5%, 43,9%. Bên cạnh đó, động cơ sử dụng nhiên liệu LPG tiết kiệm nhiên liệu hơn so với nhiên liệu xăng, (giảm 8,83%) vì nhiên liệu LPG có nhiệt trị cao hơn và có thể cháy với hỗn hợp nghèo hơn. Tuy nhiên, công suất và mô men cực đại giảm lần lượt 1,61% và 6,79%, không ảnh hưởng nhiều đến quá trình hoạt động của động cơ. Với kết quả trên, LPG là nhiên liệu thay thế hiệu quả cho xăng trên động cơ xe máy, góp phần giảm phát thải của động cơ đốt trong. Hướng nghiến cứu tiếp theo của nhóm là hoàn thiện chương trình điều khiển hệ thống phun nhiên liệu, tối ưu hoá lượng phun LPG ở chế độ đầy tải và tăng tốc đột ngột. 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Duy, V. N., Duc, K. N., & Van, N. C. (2021). Real-time driving cycle measurements of fuel consumption and pollutant emissions of a bi-fuel LPG-gasoline motorcycle. Energy Conversion and Management: X, 12, 100135. 2. Du, H. T., Mến, T. V., & Dư, P. Q. (2022). Thiết kế, chế tạo và đánh giá hệ thống phun nhiên liệu LPG cho xe gắn máy. Tạp chí khoa học trường đại học Trà Vinh; ISSN: 2815- 6072; E-ISSN: 2815-6080, 47-54. 3. Deshmukh, N., & Yelve, N. P. (2006). Investigation on feasibility of LPG as a fuel for motorcycle. In Proceedings of National Conference on Applications of Advanced Quality Methods in Engineering & Technology (pp. 23-24). 4. Van Ga, B., Tuan, C. X., Van Hung, B., Xuan, N. T. T., & Van Tan, B. (2022). Performance and Emissions of Motorcycle Engine Fueled with LPG-Ethanol by Port Injection. In CIGOS 2021, Emerging Technologies and Applications for Green Infrastructure: Proceedings of the 6th International Conference on Geotechnics, Civil Engineering and Structures (pp. 1673-1682). Springer Singapore.. 5. Phan Tấn Tài. (2011). Nghiên cứu chế tạo hệ thống LPG trên xe gắn máy. Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp trường, Trường Đại Học Trà Vinh. 6. Suthisripok, T., Phusakol, N., & Sawetkittirut, N. (2017, October). Bi-fuel system- Gasoline/LPG in a used 4-stroke motorcycle-fuel injection type. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Vol. 241, No. 1, p. 012021). IOP Publishing.. 7. Singh, H., Kumar, C., Yadaf, K. D., Yadav, K. A., Nishad, A., Verma, K. A., & Pandey, K. A. (2015). Conversion of petrol bike into LPG and emission check. International Journal Of Mechanical Engineering And Technology (IJMET,), 6(4), 65-71. 8. Nguyễn Tất, T. (2003). Nguyên lý động cơ đốt trong. 59