Bài báo đã nghiên cứu tính toán lượng nhiên liệu, thời gian phun nhiên li ệu LPG cần thiết và thiết kế hệ thống điều khiển phun LPG trên đường nạp của động cơ.. Khi sử dụng bộ điều khiể
Trang 1T ẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009
56
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 hi ệu quả cao cần thiết phải ứng dụng thành tựu của lĩnh vực điều khiển điện tử vào hệ thống cung c ấp nhiên liệu của động cơ Bài báo đã nghiên cứu tính toán lượng nhiên liệu, thời gian phun nhiên li ệu 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 K ết quả cho thấy, bộ điều khiển hoạt động ổn định, đáp ứng các chế độ làm
vi ệc 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:
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,
Trang 257
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
cứu chuyển đổi sang hệ thống nhiên liệu phun LPG được công bố Sử dụng các bộ
trong thiết kế, chế tạo và triển khai ứng dụng bộ chuyển đổi với công nghệ trong nước
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
Đối với động cơ phun xăng
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
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 th ời gian phun của vòi phun ga LPG
, khi động cơ dùng xăng là:
Hình 1 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ
1: Van n ạp; 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
Trang 3T ẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009
58
, khi động cơ dùng LPG là:
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
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:
lý thuyết;
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]:
T o
(p / p ) (p / p ) M
γ γ+ γ
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
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]
~
G
R
M
~ G
G G G
const
Trang 459
Với R và M~ G
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
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
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
thời gian phun ga tG và thời gian phun xăng tX
3 Thi ết kế bộ điều khiển phun nhiên liệu khí LPG
và là cơ sở để thiết kế vi mạch điều
LPG, các van điện từ, bộ hóa hơi và vòi phun là sản phẩm thương mại của Hàn Quốc
3.1 Thi ết kế vi mạch điều khiển phun LPG
Hình 2 - Sơ đồ khối bộ điều khiển phun LPG cho động cơ đánh lửa cưỡng bức
Trang 5T ẠP CHÍ KHOA HỌC VĂ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐĂ NẴNG - SỐ 4 (33).2009
60
Hình 3 - Sơ đồ nguyín lý mạch điều khiển phun LPG
nhớ EEPROM 8K thuận lợi cho việc lập trình điều khiển; tốc độ vă khả năng xử lý nhanh đâp ứng được yíu cầu của hệ thống điều khiển[3] Ngoăi ra, còn có bộ chuyển đổi
để chuyển câc tín hiệu tương tự: nhiệt độ, âp suất LPG văo vi điều khiển xử lý
Bộ điều khiển sẽ thu thập câc tín hiệu từ câc cảm biến: nhiệt độ, âp suất khí LPG,
đưa ra xung điều khiển vòi phun khí LPG phù hợp ở câc chế độ lăm việc của động cơ
3.2 Lưu đồ thuật toân vă chương trình điều khiển phun LPG
Lưu đồ thuật toân vă bảng mạch bộ điều khiển được mô tả trín hình 4 vă 5 Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ Assembly
LPG
XĂNG
THOÁT KHỎI CHƯƠNG TRÌNH KIỂM TRA XUNG TỐC ĐỘ
XUNG TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ?
YES NO
KẾT THÚC
NO
T > 5 GIÂY
YES NGẮT CÁC VAN ĐIỆN TÙ
ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN PHUN LPG
XÁC ĐỊNH NHÓM PHUN
ĐỌC THỜI GIAN
PHUN XĂNG
TÍNH TOÁN THỜI GIAN PHUN LPG
CHỌN CHẾ ĐỘ
LÀM VIỆC
GỌI CHƯƠNG TRÌNH CON
ĐỌC NHIỆT ĐỘ
(ADC 0804)
GỌI CHƯƠNG TRÌNH CON
ĐỌC ÁP SUẤT
(ADC 0804)
BẮT ĐẦU
Hình 4 - Thu ật toân điều khiển Hình 5 - Bảng mạch điều khiển
Trang 661
4 Th ực nghiệm và kết quả
5
1
2
7
8
3
2 B ộ điều khiển xăng ;
5 B ộ hóa hơi - giảm áp;
6 Vòi phun LPG;
Hình 6 - B ố trí hệ thống thí nghiệm
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 được sử dụng khá phổ biến ở Việt Nam hiện nay Đây là động cơ kiểu Dual
79 [mm]; hành trình piston 81,5 [mm] Hình 6 mô tả 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 KX và KG, các hệ số KT, Kp
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
được xác định Sau khi chạy hâm nóng động cơ và hệ
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
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
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
Trang 7T ẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009
62
20 30 40 50 60
0
50
100
150
200
2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800
ne [v/ph]
Công suất & mô men động cơ
Hình 7 - So sánh công suất và mô men động
cơ, khi dùng xăng / LPG
0.96 1.00 1.04
2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800
ne [v/ph]
Tỷ lệ mô men & tỷ lệ hiệu suất biến đổi năng lượng
TG/TX EtaG/EtaX
Hình 8 - Tỷ lệ hiệu suất chuyển đổi năng lượng, , khi dùng LPG/xăng
0
4
8
2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800
ne [v/ph]
So sánh Hàm lượng CO
COX COG
Hình 9 – So sánh hàm lượng CO
6% theo thể tích khí xả khi chạy xăng,
được giảm xuống một nửa khi chạy LPG,
lượng HC từ khoảng 250-300 khi dùng xăng giảm còn 170-220 ppm thể tích khi dùng LPG Chất lượng quá trình cháy được cải thiện dẫn đến hàm lượng của
HC, CO đều giảm Ngoài ra, do LPG có
tỷ lệ H/C thấp hơn nên cũng làm cho
Kết quả trên hình 11 cho thấy điểm đáng chú ý là, NOx cũng giảm đáng kể
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 của hỗn hợp LPG -không khí [2]) lấn át xu thế tăng NOx do tăng tốc độ cháy trong giai đoạn đầu của quá trình cháy LPG
100
150
200
250
300
350
2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800
ne [v/ph]
So sánh Hàm lượng HC
HCX HCG
Hình 10 – So sánh hàm lượng HC trong khí
thải khi dùng LPG và khi dùng xăng
0 500 1000 1500
2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800
ne [v/ph]
So sánh Hàm lượng NOx
NOX NOG
Hình 11 – So sánh hàm lượng NOx trong khí thải khi dùng LPG và khi dùng xăng
Trang 863
5 Kết luận
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
khi ứng dụng rộng rãi bộ điều khiển trên ô tô thực tế
TÀI LI ỆU 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