Tự động điều chỉnh hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm của động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức phun nhiên liệu khí tái tạo

Bài viết Tự động điều chỉnh hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm của động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức phun nhiên liệu khí tái tạo trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm cải tạo động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức truyền thống thành động cơ tĩnh tại điều khiển điện tử có thể sử dụng nhiên liệu khí tái tạo một cách linh hoạt.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 5, 2022 79 TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ GÓC ĐÁNH LỬA SỚM CỦA ĐỘNG CƠ TĨNH TẠI ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC PHUN NHIÊN LIỆU KHÍ TÁI TẠO AUTOMATIC CONTROL EQUIVALENCE RATIO AND ADVANCE IGNITION ANGLE OF RENEWABLE GASEOUS FUEL PORT INJECTION SI STATIONARY ENGINE Bùi Thị Minh Tú1*, Bùi Văn Ga2, Cao Xuân Tuấn2, Trương Lê Bích Trâm2, Võ Anh Vũ1, Bùi Văn Hùng3 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng *Tác giả liên hệ: btmtu@dut.udn.vn (Nhận bài: 19/01/2022; Chấp nhận đăng: 11/3/2022) Tóm tắt - Động tĩnh đánh lửa cưỡng truyền thống chuyển đổi thành động sử dụng nhiên liệu khí linh hoạt nhờ hệ thống điều khiển điện tử gồm cảm biến làm mốc xác định thời điểm đánh lửa ECU đơn giản Góc đánh lửa sớm thời gian phun nhiên liệu điều chỉnh theo thành phần nhiên liệu chế độ tải đường đặc tính điều tốc Thời gian phun nhiên liệu phụ thuộc vào độ mở bướm ga theo hàm số sin Độ lệch thời gian phun thực nghiệm lý thuyết khoảng 8% áp suất phun 1,2 bar 5% áp suất phun 0,6 bar Cùng điều kiện vận hành, pha hydrogen hay syngas vào biogas góc đánh lửa sớm giảm giới hạn cháy mở rộng Góc đánh lửa sớm tối ưu động Honda GX200 chạy LPG tăng từ 12,2oTK lên 22,4oTK tốc độ động tăng từ 1000 v/ph lên 3000 v/ph Sau cải tạo, động đáp ứng yêu cầu hệ thống lượng tái tạo lai biomass-năng lượng mặt trời Abstract - The traditional spark ignition stationary engine can be converted into a flexible gas-fueled engine thanks to an electronic control system consisting of a single sensor for ignition timing control and a simple ECU The advance ignition angle and fuel injection time are adjusted according to the fuel composition and load mode base on the speed regulation characteristic The fuel injection time depends on the throttle opening position according to a sine function The deviation between experimental and theoretical injection time is about 8% at 1.2 bar injection pressure and 5% at 0.6 bar injection pressure Under the same operating conditions, when adding hydrogen or syngas into biogas, the optimal advance ignition angle is reduced and the combustion limit is expanded The optimal advance ignition angle of the Honda GX200 engine fueled with LPG increases from 12.2oCA to 22.4oCA when the engine speed increases from 1000 rpm to 3000 rpm After the conversion, the engine can meet the requirements of the biomass-solar hybrid renewable energy system Từ khóa - Nhiên liệu tái tạo; Biogas; Syngas; Hydrogen; Hệ thống lượng tái tạo lai Key words - Renewable fuel; Biogas; Syngas; Hydrogen; Hybrid Renewable Energy System Giới thiệu Xử lý chất thải sinh hoạt sản xuất vấn đề cấp bách nước ta nay, đặc biệt khu vực nơng thơn nơi có 70% dân số sinh sống hạ tầng xử lý chất thải cịn thơ sơ, nhiễm mơi trường ngày trầm trọng Lượng chất thải rắn sinh hoạt nước ta phát sinh trung bình khoảng 25,5 triệu tấn/năm Trong đó, khu vực thị phát sinh khoảng 38 nghìn tấn/ngày, khu vực nơng thơn phát sinh khoảng 32 nghìn tấn/ngày [1] Ước tính lượng chất thải rắn sinh hoạt thị phát sinh tồn quốc tăng trung bình 10÷16 % năm Hiện, có 28,9% chất thải rắn xử lý đốt sản xuất phân hữu cơ; 71,1% chôn lấp trực tiếp 6% chôn sau đốt [2] Các phương pháp truyền thống không xử lý triệt để chất thải rắn, sử dụng nhiều quỹ đất, gây ảnh hưởng đến không khí nguồn nước ngầm… [3] Thu hồi lượng từ rác cách chuyển chúng thành nhiên liệu giải pháp công nghệ nhiên liệu sinh học Theo Luật Bảo vệ mơi trường nước ta có hiệu lực từ ngày 01-01-2022 người dân phải phân loại rác nguồn Luật đời tạo điều kiện ứng dụng cơng nghệ chuyển hóa rác thành lượng để xử lý triệt để chất thải rắn Khi rác phân loại chất hữu dễ phân hủy sử dụng để sản xuất biogas Đối với phần lớn thành phần lại khí hóa thành syngas thơng qua sản xuất viên nhiên liệu nén RDF Công nghệ ngày thể tính ưu việt xử lý chất thải rắn sinh hoạt [4, 5] Mật độ cao RDF giúp cho lưu trữ, vận chuyển chúng đến nơi sử dụng dễ dàng hơn, đồng thời làm tăng tính đồng nhiên liệu q trình chuyển hóa lượng Ứng dụng biogas động đốt giới thiệu nhiều cơng trình công bố [6-8] CO2 biogas làm giảm nhiệt trị tốc độ cháy nhiên liệu Do đó, hệ thống cung cấp nhiên liệu góc đánh lửa sớm động cần phải thay đổi theo thành phần biogas sử dụng Về ứng dụng syngas động đốt trong, nghiên cứu gần cho thấy, cần lưu ý vấn đề phát sinh liên quan đến tạp chất syngas tụt giảm công suất động nhiệt trị nhiên liệu thấp So với ứng dụng syngas turbine khí việc ứng dụng nhiên liệu động đốt phù hợp mức độ yêu cầu tạp chất nhiên liệu khắc khe [9, 10] Thành phần thể tích syngas sử dụng khơng khí làm chất xy hóa thường 18-20% H2, 18-20% The University of Danang - University of Science and Technology (Bui Thi Minh Tu, Vo Anh Vu) The University of Danang (Bui Van Ga, Cao Xuan Tuan, Truong Le Bich Tram) The University of Danang - University of Technology and Education (Bui Van Hung) 80 Bùi Thị Minh Tú, Bùi Văn Ga, Cao Xuân Tuấn, Trương Lê Bích Trâm, Võ Anh Vũ, Bùi Văn Hùng CO, 2% CH4, 11-13% CO2, H2O, cịn lại N2 [11] Nhiệt trị thấp syngas thông thường khoảng 4-6 MJ/kg [9], khoảng 10% nhiệt trị khí thiên nhiên, LPG hay xăng dầu Tuy nhiên, lượng không khí cần thiết để đốt cháy đơn vị khối lượng syngas 10% loại nhiên liệu truyền thống nên việc tụt giảm công suất động không tỉ lệ với nhiệt trị nhiên liệu Thực tế cho thấy, chạy syngas công suất động giảm khoảng 15%-20% so với động diesel giảm 30%-40% so với động xăng [12] So với phương pháp đốt cháy khối lượng biomass phương pháp khí hóa có mức độ phát thải CO, S, NOx thấp [10] Việc ứng dụng nhiên liệu khí nói chung biogas, syngas để chạy động đốt phát triển nước ta từ sớm Những năm đầu thập niên 1980 kỷ trước thiếu nhiên liệu xăng dầu truyền thống nên sử dụng syngas để chạy ô tô kéo máy công tác Ứng dụng biogas để chạy máy phát điện nhiều tác giả thực thực tế [13, 14] Tuy nhiên, ứng dụng dừng lại mức áp dụng kinh nghiệm thực tiễn cá nhân, chưa phải nghiên cứu khoa học để ngày nâng cao chất lượng hồn thiện sản phẩm Nhóm nghiên cứu Bùi Văn Ga, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng bắt đầu nghiên cứu động sử dụng nhiên liệu khí từ năm 1990 [15] Những kết nghiên cứu nhiên liệu LPG ứng dụng xe gắn, ô tô [16, 17] Qua nhiều năm nghiên cứu chun sâu, nhóm hồn thiện dần sản phẩm làm chủ công nghệ cải tạo động truyền thống sang chạy biogas [18, 19] Các kết nghiên cứu phát triển để ứng dụng hỗn hợp biogas hydrogen hay HHO [20, 21] Việc sử dụng đơn lẻ biogas, syngas hay loại lượng tái tạo có nguồn gốc từ lượng mặt trời có bất cập dao động ngẫu nhiên nguồn lượng Sự thay đổi thất thường công suất lượng tái tạo phụ thuộc thời tiết, khí hậu… khó lường trước Vì hệ thống lượng tái tạo thường kèm với hệ thống lưu trữ lượng tốn phức tạp Để khắc phục bất cập người ta phát triển hệ thống lượng tái tạo hybrid [22] Hệ thống lượng hybrid sử dụng nhiều nguồn lượng khác để hỗ trợ, bù công suất, giúp cho hệ thống lượng ổn định Ở nước vùng nhiệt đới sản xuất nơng nghiệp lượng mặt trời biomass có nhiều lợi Sử dụng hydrogen nhận từ điện phân nước, biogas ủ từ chất hữu dễ phân hủy syngas từ khí hóa chất thải rắn nêu để phát điện xem giải pháp hữu hiệu để phát triển ứng dụng lượng tái tạo nước ta Do thành phần hỗn hợp nhiên liệu biogas-syngashydrogen thay đổi phạm vi rộng nên động cần điều chỉnh cách linh hoạt để đảm bảo hiệu cơng tác Hai thơng số cần điều chỉnh hệ số tương đương góc đánh lửa sớm Các thông số thay đổi theo điều kiện vận hành động thành phần nhiên liệu Các loại động tĩnh truyền thống thiết kế tối ưu cho loại nhiên liệu định không phù hợp điều kiện vận hành hệ thống lượng tái tạo lai Trong cơng trình này, nhóm tác giả trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm cải tạo động tĩnh đánh lửa cưỡng truyền thống thành động tĩnh điều khiển điện tử sử dụng nhiên liệu khí tái tạo cách linh hoạt Ảnh hưởng nhiên liệu đến hệ số tương đương tốc độ cháy 2.1 Quan hệ lưu lượng khơng khí lưu lượng nhiên liệu Bảng giới thiệu tỉ lệ khơng khí/ nhiên liệu tính theo khối lượng tính theo mol ứng với điều kiện cháy hoàn toàn lý thuyết (=1) LPG có tỉ lệ khơng khí/ nhiên liệu cao loại nhiên liệu nghiên cứu cơng trình Syngas có tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu bé Tỉ lệ khơng khí/ nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến thông số hệ thống phun Bảng Các loại nhiên liệu sử dụng nghiên cứu Nhiên liệu H CH4 LPG B1 B2 B3 S1 S2 S3 HH1 HH2 HH3 Ký hiệu Mnl (theo % mol) (g/mol) 100H2 100CH4 16 50C3H8-50C4H10 51 60CH4-40CO2 27,2 70CH4-30CO2 24,4 80CH4-20CO2 21,6 25CO-10CH4-8H225,52 5CO2-52N2 20CO-12CH425,24 10H4-8CO2-50N2 15CO-18CH424,32 12H2-10CO2-45N2 50B1-30S1-20H 21,66 40B2-50S2-10H 22,58 30B3-60S3-10H 21,27 mkk/mnl (kg/kg) 34,78 17,39 15,69 6,14 7,98 10,31 Vkk/Vnl (mol/mol) 2,4 9,52 27,59 5,76 6,71 7,68 1,76 2,15 1,87 2,83 2,37 5,2 4,96 5,41 3,88 3,86 3,97 Hình Sơ đồ tiết diện lưu thơng đường nạp qua bướm ga Hình giới thiệu sơ đồ tiết diện lưu thông đường nạp thay đổi vị trí bướm ga Góc đóng bướm ga thay đổi từ 0 (bướm ga mở hoàn toàn) đến 60 (bướm ga đóng hồn tồn Tiết diện lưu thơng dịng khí xem hiệu số tiết diện hình trịn hình elip bướm ga chiếu lên mặt phẳng vng góc với trục đường nạp Diện tích lưu thơng qua bướm ga theo sơ đồ Hình tính tốn sau: S(α)= πd2 nap (1 − sinα sinαo ) (1) Bỏ qua yếu tố ảnh hưởng đến dịng chảy, lưu lượng khơng khí qua bướm ga đơn giản hóa sau: mkk (α) = S(α)√2ρkk (p1 − p2 ) (2) Trong biểu thức trên, S tiết diện lưu thơng qua bướm ga, dnap đường kính đường nạp,  góc ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 5, 2022 m_HH1 vkk v_B2 v_S3 25 m_S3 20 v_B3 v_HH1 20 15 10 10 0 10 20 30  () 40 50 60 (a) 10 20 30  () 40 50 60 (b) Hình Biến thiên lưu lượng khơng khí lưu lượng nhiên liệu theo góc đóng bướm ga để đảm bảo =1 (a: lưu lượng khối lượng, b: lưu lượng thể tích) Vnl (l/s) Hình 2a Hình 2b biểu diễn biến thiên lưu lượng khơng khí, lưu lượng nhiên liệu theo góc đóng  bướm ga tính theo khối lượng tính theo thể tích loại nhiên liệu thể hình vẽ gồm biogas B2, B3, syngas S3 hỗn hợp nhiên liệu HH1 Lưu lượng khơng khí tính theo biểu thức (2) Lượng lượng nhiên liệu xác định theo mối quan hệ tương ứng cho Bảng Tính tốn thực điều kiện tiêu chuẩn với khối lượng riêng khơng khí kk=1,293kg/m3, chênh lệch áp suất trung bình giả định p=1000Pa đường kính ống nạp dnap=30mm Chúng ta thấy biến thiên lưu lượng khơng khí, nhiên liệu giảm theo nhánh hình sin, giảm chậm bướm ga gần đóng hồn tồn Để đảm bảo điều kiện cháy hoàn toàn lý thuyết, lưu lượng syngas cao loại nhiên liệu chọn 20 Hình biểu diễn biến thiên lưu lượng nhiên liệu 16 khỏi vịi phun theo áp 12 suất phun Đường kính lưu thơng lỗ phun sử dụng tính toán dp = 5mm Ta thấy, đường cong lưu 0.5 1.5 2.5 p_phun (bar) lượng nhiên liệu khỏi vòi V_CH4 V_LPG V_B1 V_B2 phun có dạng parabol V_B3 V_S1 V_S2 V_S3 V_HH1 V_HH2 V_HH3 Lưu lượng tăng nhanh áp suất bé tốc độ tăng Hình Biến thiên lưu lượng giảm dần áp suất phun nhiên liệu khỏi vòi phun theo áp suất phun (dp=5mm) cao Cùng điều kiện phun lưu lượng CH4 cao cịn lưu lượng LPG thấp loại nhiên liệu nghiên cứu Hình 4a biểu diễn biến thiên thời gian phun theo góc đóng bướm ga  ứng với loại nhiên liệu khảo sát áp suất phun 1,6 bar, đường kính lưu thơng vịi phun dp=5mm Chúng ta thấy, điều kiện này, thời gian mở vòi phun ứng với LPG bé, nhỏ xung tối thiểu mở vòi phun Ứng với loại nhiên liệu cịn lại vịi phun đảm bảo cung cấp nhiên liệu khu vực tải lớn Khi giảm đường kính lưu thơng vịi phun xuống cịn 3mm (Hình 4b) thời gian mở vịi phun phù hợp với B2, B3, HH1 Đối với nhiên liệu S3 thời gian phun kéo dài vượt thời gian kỳ nạp, nhiên liệu phun vào chu trình trước lưu lại đường nạp để hút vào với khơng khí chu trình 12 35 tp_B3 tp_HH1 tp_LPG 10 tp_B2 tp_S3 25 p_phun = 1,6 bar d_phun = 5mm tp_B3 tp_HH1 tp_LPG 30 (ms) m_B2 tp_B2 tp_S3 p_phun = 1,6 bar d_phun = mm 20 15 10 0 10 20 30  () 40 50 60 10 (a) 20 30  () 40 50 60 (b) 60 tp_B3 tp_HH1 tp_LPG 50 tp_B2 tp_S3 40 p_phun = 0.5 bar d_phun = mm 30 20 10 0 10 20 30  () 40 50 60 (c) Hình Biến thiên thời gian phun theo góc đóng bướm ga để đảm bảo =1 pp=1,6bar, dp=5mm (a), pp=1,6bar, dp=3mm(b) pp=0,5bar, dp=3mm (c) Tuy nhiên, tăng áp suất phun phải xử lý nhiều vấn đề liên quan đến lưu trữ nhiên liệu an tồn Do đó, giải pháp phun kéo dài có tính khả thi 2.2 Tốc độ cháy chảy tầng SL (cm/s) m_B3 vkk, vnl (l/s) mkk, mnl (g/s) 30 mkk (ms) 30 40 Trên sở lưu lượng khơng khí qua bướm ga, lưu lượng nhiên liệu qua vịi phun tính thời gian phun theo góc đóng bướm ga  Tính tốn thực với tốc độ động 3000 v/ph Thời gian kỳ nạp trường hợp 10ms (thời gian ứng với nửa vòng quay trục khuỷu) Khi giảm đường kính lưu thơng vịi phun áp suất phun (Hình 4c) (dp=3mm, pp = 0,5 bar) thời gian phun tăng, phù hợp với LPG lại khơng phù hợp với loại nhiên liệu cịn lại thời gian phun kéo dài Trong trường hợp đó, sử dụng vịi phun CNG có áp suất phun 5-10 bar hay vịi phun hydrogen có áp suất phun lên đến 14 bar (ms) bướm ga mặt phẳng tạo nên trục quay bướm ga trục đường nạp 81  Hình Biến thiên tốc độ Hình Biến thiên tốc độ cháy cháy chảy tầng theo hệ số chảy tầng hỗn hợp nhiên tương đương  thành phần liệu H2-CO theo hệ số tương đương [24] CO2 hỗn hợp CH4 [23] Hình giới thiệu ảnh hưởng hàm lượng CO đến biến thiên tốc độ cháy chảy tầng hỗn hợp CH4-CO2 với khơng khí theo hệ số tương đương [23] Chúng ta thấy tốc độ cháy đạt cực đại vùng hệ số tương đương cháy hồn tồn lý thuyết Khi hàm lượng CO2 tăng tốc độ cháy giảm rõ rệt Hình cho thấy, hỗn hợp 95% CO-5% H2 có tốc độ cháy chảy tầng cực đại khoảng 60 cm/s =2,3 Với hỗn Bùi Thị Minh Tú, Bùi Văn Ga, Cao Xuân Tuấn, Trương Lê Bích Trâm, Võ Anh Vũ, Bùi Văn Hùng 82 SL (m/s) SL (m/s) hợp 50% H2-50% CO tốc độ cháy chảy tầng cực đại đạt khoảng 190 cm/s ứng với  =2 [24] Kết nghiên cứu Ilbas cộng [25] cho thấy, tốc độ cháy chảy tầng lớn hydrogen khoảng 3,2 m/s  =1,8 tốc độ cháy chảy tầng methan khoảng 0,25 m/s  =1,1 (Hình 7a) Hydrogen cháy phạm vi rộng  từ 0,8 đến 3,2 methan cháy phạm vi hẹp  từ 0,8 đến 1,2 Khi pha 50% hydrogen vào methan, tốc độ cháy cực đại đạt 0,8m/s giới hạn cháy mở rộng đến  =1,8 (Hình 7b)  =1 điện tử Trong cơng trình này, ECU vạn APITECH cảm biến xe gắn máy phun nhiên liệu sử dụng [27-29] Tuy động hoạt động với loại nhiên liệu khác hệ thống phức tạp, không phù hợp với động tĩnh Như phân tích, động tĩnh có tốc độ thay đổi phạm vi hẹp nên việc cung cấp nhiên liệu góc đánh lửa sớm cần điều chỉnh đường đặc tính điều tốc Cải tạo động 3.1 Sơ đồ hệ thống cải tạo động Động kéo máy phát điện Honda GX200 truyền thống cải tạo thành động phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu điều chỉnh góc đánh lửa sớm động trình bày Hình % H2 (a) (b) Hình Tốc độ cháy chảy tầng hydrogen, methane (a) ảnh hưởng hàm lượng hydrogen đến tốc độ cháy chảy tầng hỗn hợp CH4-H2 (b) [25] SL (m/s) Tốc độ cháy chảy tầng syngas phụ thuộc vào thành phần H2 nhiên 100% CH Syngas (40%H + 40% CO + 20% CO liệu Hình giới thiệu tốc 50% CH + 50% Syngas độ cháy chảy tầng hỗn hợp nhiên liệu biogassyngas-hydrogen Syngas  chứa 40% H2 + 40% CO + Hình Tốc độ cháy chảy tầng 20% CO2 biogas+syngas [26] Nhờ thành phần hydrogen syngas, tốc độ cháy chảy tầng nhiên liệu cải thiện đáng kể bổ sung syngas vào biogas nghèo [26] Hỗn hợp nhiên liệu biogas-syngas-hydrogen có chứa chất CH4, CO, H2 tạp chất CO2, N2 Đối với thành phần nhiên liệu hỗn hợp hydrogen có tốc độ cháy cao nhiệt trị thể tích thấp Ngược lại, CH4 có tốc độ cháy thấp nhiệt trị cao Trong biogas hay syngas, thành phần chất khí trơ CO2, N2 chiếm tỷ lệ lớn nên tốc độ cháy hỗn hợp nhiên liệu giảm Để nâng cao hiệu trình cháy phải tăng góc đánh lửa sớm nhiên liệu nghèo Ngược lại, thành phần hydrogen tăng góc đánh lửa sớm tối ưu giảm Việc điều chỉnh linh hoạt góc đánh lửa sớm theo thành phần nhiên liệu khó thực hệ thống đánh lửa truyền thống Như để chuyển đổi động truyền thống thành động sử dụng nhiên liệu khí tái tạo phù hợp, cần sử dụng công nghệ điều khiển điện tử để cung cấp nhiên liệu điều chỉnh góc đánh lửa sớm Đối với động tĩnh tại, tốc độ động thay đổi phạm vi hẹp bỏ qua ảnh hưởng tốc độ đến trình cung cấp nhiên liệu hay điều chỉnh góc đánh lửa sớm Do đó, thơng số cần điều chỉnh theo chế độ tải thành phần nhiên liệu Trong cơng trình trước đây, nhóm tác giả nghiên cứu cải tạo động truyền thống thành động điều khiển 2 Hình Sơ đồ cải tạo động tĩnh đánh lửa cưỡng truyền thống thành động tĩnh phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử Hệ thống điều khiển động gồm: Cảm biến Hall để làm mốc xác định thời điểm phun thời điểm đánh lửa, đồng thời cung cấp xung tín hiệu để xác định tốc độ động cơ; Vi điều khiển board mạch Arduino Mega 2560 cài đặt chương trình điều khiển vịi phun 4, servo motor hệ thống đánh lửa Giao tiếp cảm biến phận 4, 5, với vi điều khiển thông qua mạch công suất chống nhiễu Mạch bảo vệ vi điều khiển, khử nhiễu phát sinh tia lửa điện đóng mở vịi phun Mạch đóng vai trò quan trọng đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định vi điều khiển không bị treo Hệ thống sử dụng cảm biến Hall, loại bỏ cảm biến khác sử dụng thông thường động ô tô, xe gắn máy Nguyên lý hoạt động hệ thống điều khiển động sau: Khi nam châm vĩnh cửu gắn bánh đà quét qua cảm biến Hall xung điện phát sinh gửi đến vi điều khiển thơng qua mạch cơng suất/ chống nhiễu Xung tín hiệu đưa vào chân số vi điều khiển Chương trình cài đặt vi điều khiển xử lý tín hiệu, xác định độ rộng xung, loại bỏ tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên, tính tốc độ đồng cơ, đồng thời xác định thời điểm đánh lửa thời điểm phun nhiên liệu Vi điều khiển kết nối với biến trở: Biến trở thứ kết nối với chân ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 5, 2022 A0 để điều khiển vị trí bướm ga thông qua servo motor 5; Biến trở thứ hai kết nối với chân A1 điều chỉnh thời gian mở vòi phun; Biến trở thứ ba kết nối với chân A2 điều chỉnh góc đánh lửa sớm Trong trình thử nghiệm, tốc độ động cơ, độ mở bướm ga, thời gian mở vịi phun góc đánh lửa sớm hiển thị hình LCD (a) (b) Hình 10 Tín hiệu phun nhiên liệu (a) tín hiệu đánh lửa (b) tương đối so với tín hiệu cảm biến Hall Trong giai đoạn khởi động động hoạt động chưa ổn định chương trình cài đặt đánh lửa phun vòng quay động Khi động hoạt động ổn định vịi phun mở kỳ nạp xung đánh lửa xuất cuối kỳ nén (Hình 10a Hình 10b) 3.2 Lắp đặt phận lên động cải tạo - Lắp cảm biến Hall: Là cảm biến công nghiệp, có vỏ inox, kín nước, chịu rung, xóc Trong thí nghiệm cảm biến Hall sử dụng Một cảm biến cho tín hiệu cách điểm chết (ĐCT) 35TK, cảm biến cịn lại phát tín hiệu ĐCT Cảm biến thứ hai dùng để kiểm tra vị trí đánh lửa so với ĐCT Trong sử dụng không cần cảm biến Hai cảm biến lắp đồ gá bắt vào vị trí bơ-bine đánh lửa động tháo bỏ (Hình 11a) - Lắp đặt servo motor: Servo motor làm nhiệm vụ điều khiển bướm ga Nó bắt chặt giá Trục servo motor bắt vào gạt kết nối với bướm ga động Càng gạt quay từ 0 đến 60 tương ứng với vị trí bướm ga mở hồn tồn đóng hồn tồn (Hình 11 b) Một biến trở kép sử dụng để đồng thời điều khiển servo motor cho giá trị độ mở tương ứng bướm ga Khi vận hành, servo motor dễ bị nhiễu tia lửa điện nến đánh lửa Vì vậy, mạch cơng suất chống nhiễu cần có biện pháp đảm bảo cho servo motor hoạt động ổn định - Lắp đặt vòi phun: Vòi phun LPG sử dụng ô tô hãng Valtek sử dụng để cung cấp nhiên liệu khí cho động cải tạo Áp suất nhiên liệu làm việc thay đổi từ 0,5 đến bar Áp suất cực đại bar Điện áp làm việc từ 10,8 đến 14,4 volts Điện trở cuộn dây ohms Vòi phun bắt chặt giá động Nhiên liệu khí từ bình chứa áp lực, sau giảm áp suất xuống đến mức phù hợp dẫn đến vịi phun ống ga vào Nhiên liệu khí từ vòi phun dẫn đến lỗ phun nhờ ống ga (Hình 11c) Do vịi phun khơng thể hoạt động độ rộng xung bé nên để đảm bảo cho động hoạt động ổn định chế độ không tải phải bổ sung thêm đường ống cấp ga khơng tải vào phía sau bướm ga (Hình 11d) Lưu lượng ga khơng tải điều chỉnh van khí chỉnh tinh Trong thí nghiệm, để xác định lượng phun phù hợp ban đầu, nhiên liệu cung cấp vào đường nạp phun gián tiếp qua túi chứa Quan sát hình dạng túi chứa khí 83 biết lượng nhiên liệu phun vào dư hay thiếu Nhiên liệu khí cung cấp cho động mở, đóng nhờ van điện từ để đảm bảo an toàn vận hành - Lắp đặt cụm đánh lửa: Cụm đánh lửa tích hợp ô tô sử dụng để thay hệ thống đánh lửa cũ động Toàn hệ thống điều khiển, chuyển đổi điện áp 12 volts thành điện áp 25 kV để tạo tia lửa điện tích hợp vào đầu chụp nến đánh lửa Để đảm bảo độ tin cậy hệ thống làm việc, cụm đánh lửa bắt chặt giá động cơ, đầu cụm đánh lửa dẫn đến nến đánh lửa dây cao áp (Hình 11f) Cụm đánh lửa cung cấp điện 12 volts Dây điều khiển kết nối vào mạch công suất - chống nhiễu vi điều khiển (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình 11 Lắp đặt phận cải tạo động Nghiên cứu thực nghiệm 4.1 Bố trí hệ thống thí nghiệm - Bộ tạo tải: Gồm 10 bóng đèn dây tóc, cơng suất bóng 100W bóng đèn halogen, cơng suất bóng 500W Cơng suất tải cực đại kW Công suất tải điều chỉnh dimmer công suất cực đại kW Dimmer 84 Bùi Thị Minh Tú, Bùi Văn Ga, Cao Xuân Tuấn, Trương Lê Bích Trâm, Võ Anh Vũ, Bùi Văn Hùng điều khiển servo-motor thông qua vi điều khiển - Bàn điều khiển: Gồm hộp điều khiển động cơ, điều khiển tải, đóng/mở nhiên liệu khí, phận hiển thị thông số động cơ, tải điện lưu lượng ga Hình 12 giới thiệu sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm Hình 13 ảnh chụp tồn hệ thống thí nghiệm - Ghi giá trị độ mở bướm ga, thời gian phun nhiên liệu, góc đánh lửa sớm, tốc độ động cơ, cơng suất tải lớn ứng với chế độ công tác xác định động - Lặp lại bước thí nghiệm ứng với độ mở bướm ga khác Hình 14 Điều chỉnh mức tải động Hình 12 Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm 4.3 Kết thí nghiệm - Điều chỉnh thời gian phun nhiên liệu Thí nghiệm tiến hành với nhiên liệu LPG, đường kính lưu thơng vịi phun 2,5mm, áp suất phun 1,2 bar, bar 0,6 bar Lưu lượng không tải giữ mức l/ph Thí nghiệm tiến hành động Honda GX200 cải tạo sang điều khiển điện tử nêu Động có dung tích xi lanh 196cm3 Tại tốc độ động 3000 v/ph, bướm ga mở hoàn toàn, hệ số nạp động 0,9 lượng khơng khí nạp vào xi lanh 0,228 g/ct Biến thiên lượng khơng khí, lượng LPG cung cấp cho chu trình động GX200 theo góc đóng bướm ga trình bày Hình 15 Trên sở lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình, tính tốn thời gian phun ứng với điều kiện áp suất phun đường kính lưu thơng vịi phun 0.25 Hình 13 Ảnh chụp hệ thống thí nghiệm Mct_kk Mct (g/ct) 4.2 Trình tự thí nghiệm Như trình bày phần giới thiệu, động tĩnh làm việc chế độ tốc độ định mức nên việc xác định thông số công tác động thực vùng tốc độ Trong thí nghiệm với động GX200 cải tạo thành động điều khiển điện tử, nhóm tác giả xác định tốc độ định mức chạy nhiên liệu khí 3000 v/ph Hình 14 ảnh chụp độ sáng bóng đèn thay đổi tải động tốc độ cố định 3000 v/ph Trong thí nghiệm này, nhóm tác giả chia độ mở bướm ga tương ứng với độ quay servo-motor Trình tự thí nghiệm sau: - Điều chỉnh biến trở 14 để đạt độ mở bướm ga thí nghiệm - Điều chỉnh biến trở 15 để thay đổi thời gian mở vòi phun (tương ứng với thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp vào động cơ) đồng thời với điều chỉnh biến trở tải 18 để động giữ tốc độ ổn định 3000 v/ph lưu lượng kế tổng cho giá trị thấp - Điều chỉnh nhẹ biến trở 16 để tăng/giảm góc đánh lửa sớm, quan sát thay đổi công suất tải lưu lượng nhiên liệu 0.2 Mct_LPG 0.15 0.1 0.05 0 10 20 30  () 40 50 60 Hình 15 Biến thiên lượng khơng khí lượng LPG nạp vào xi lanh động chu trình theo góc đóng bướm ga Hình 16a, b, c giới thiệu biến thiên thời gian phun cho tính tốn lý thuyết thực nghiệm theo vị trí bướm ga Đường kính lưu thơng lỗ phun dp=2,5mm Trong tất trường hợp, thời gian phun bướm ga gần đóng dao động mạnh Điều thời gian mở vòi phun nhỏ làm vòi phun hoạt động không ổn định Khi giảm áp suất phun, thời gian phun tăng giúp cho vịi phun hoạt động vùng tải thấp Để giữ cho động không tắt bướm ga đóng nhỏ, phải bố trí đường cấp ga khơng tải Như trình bày trên, lưu lượng ga không tải khoảng l/ph đủ để động trì hoạt động bướm ga đóng hồn tồn ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 5, 2022 So sánh kết Hình 16a, Hình 16b Hình 16c cho thấy, áp suất phun 1,2 bar thời gian phun thực tế thấp thời gian phun theo tính tốn lý thuyết khoảng 8% 