Thiết kế chế tạo bộ điều khiển điện tử hệ thống phun nhiên liệu LPG cho động cơ yanmar 3SM sử dụng hệ thống nhiên liệu kép

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM tác giả Lê Việt Hùng Đỗ Văn Dũng, Lê Thanh Phúc nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu khí dầu mỏ hoá lỏng lpg cho động cơ diese

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC i

DANH MỤC BẢNG iii

DANH MỤC HÌNH iv

DANH MỤC BIỂU ĐỒ vi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Đối tượng phạm vi nghiện cứu 4

1.1.1 Đối tượng nghiên cứu 4

1.1.2 Phạm vi nhiên cứu 4

1.1.2.1 Về mặt lý thuyết 2

1.1.2.2 Về mặt thực nghiệm 2

1.1.3 Mục Tiêu Nghiên Cứu: 2

1.2 Tình hình nghiên cứu, sử dụng LPG 2

1.3 Định nghĩa LPG, các đặc tính và ưu điểm của LPG 8

1.3.1 Định nghĩa LPG 8

1.3.2 Các đặc tính của LPG 9

1.3.4 Đánh giá khả năng sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng động cơ Diesel 10

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN PHUN LPG CHO ĐỘNG CƠ 11

2.1 Khái Quát Chung Về Hệ Thống Sử Dụng Nhiên Liệu Kép:LPG- DO 11

2.2 Giới thiệu về động cơ YANMAR 3SM 12

2.2.1 Khái quát chung động cơ Yanmar 3sm 12

2.2.2 Các bộ phận và hệ thống cơ bản của động cơ Yanmar 3SM 15

2.2.3 Bộ điều tốc động cơ Yanmar 3SM 15

2.2.4 Khái quát chung về hệ thống nhiên liệu của động cơ Yanmar 3sm 17

2.2.4.1 Nhiệm vụ và yêu cầu của hệ thống nhiên liệu động cơ: 17

2.2.4.2 Một số bộ phận chính của hệ thống nhiên liệu 20

2.3 Hệ Thống Cung Cấp LPG Trên Động Cơ Yanmar 3sm 23

2.3.1.Phân tích và lựa chọn phương án điều khiển phun LPG thích hợp với bộ môn động

lực hiện nay và động cơ thí nghiệm .24

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PHUN LPG 29

3.1 Các thiết bị trong hệ thống cung cấp LPG cho động cơ 30

3.1.1 Bình chứa LPG 30

3.1.2 Bẫy lửa 30

3.1.3 Van điều áp 31

3.1.4 Van một chiều 32

3.1.5 Cảm biến nhiệt độ 32

3.1.6 Cảm biến thời điểm đóng mở của xupáp nạp 34

3.2 Bộ điều khiển điện tử điều khiển phun LPG cho động cơ 38

3.2.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển cung cấp LPG và dầu DO 38

3.2.2 Bộ xử lý trung tâm( ECU ) 38

3.2.3 Tổng quan về vi điều khiển ATMEGA 16 39

3.2.3.1 Đặc điểm của ATMEGA 16 42

3.2.3.2 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 46

3.2.3.3 Thiết kế chế tạo hộp điều khiển 48

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 54

4.1 Mục đích 54

4.2 Trang thiết bị thí nghiệm 54

4.3 Sơ đồ bố trí thực nghiệm 54

4.4 Tiến hành thực nghiệm 59

4.4.1 Điều kiện tiến hành thí nghiệm 59

4.4.2 Quy trình tiến hành thực nghiệm 59

4.4.3 Kết quả chạy thử nghiệm 60

4.4.4 Nhận xét 63

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 65

KẾT LUẬN 65

ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2-1 So sánh LPG và các loại nhiên liệu cổ điển 9

Bảng 2-2 Thông số kỹ thuật của động cơ Diesel Yanmar 3SM 45HP 14

Bảng 2-3 Các chi tiết hệ thống nhiên liệu động cơ YANMAR 3SM 18

Bảng 2.4 Các chi tiết bơm cao áp 21

Bảng 4-1 Số liệu chạy thực nghiệm chạy không tải đo chi phí nhiên liệu 60

Bảng 4-2 Số liệu chạy thực nghiệm chạy không tải sự ảnh hưởng của LPG đến tốc độ động cơ 61

Bảng 4-3 số liệu chay thực nghiệm đo khí xả động cơ tại tốc đô n=590 (v/p) 62

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Xe Volvo S80 dùng động cơ 2 nhiên liệu xăng & LPG (thị trường Anh) 4

Hình 1.2 Taxi sử dung nhiên liệu LPG của công ty Petrolimex 5

Hình 1.3 Động cơ VIKYNO sau khi lắp đặt các bộ phận điều khiển phun LPG 6

Hình 1.4 sơ đồ cung cấp ga có sử dụng bộ giảm hóa hơi 8

Hình 2.1 Động cơ Yanmar 3SM 45HP 12

Hình 2.2 Động cơ YANMAR 3SM tại phòng động cơ 13

Hình 2.3 Hệ thống nhiên liệu động cơ 18

Hình 2.4 Bơm cao áp đơn 21

Hình 2.5 Vòi phun kiểu chốt 23

Hình 2.6 Hệ thống nhiên liệu LPG và diesel song song 24

Hình 2.7 Bộ hòa trộn lắp trên họng nạp 25

Hình 2.8 Hệ thống phun nhiên liệu LPG vào đường nạp 26

Hình 3.1 Sơ đồ cung cấp LPG cho động cơ 29

Hình 3.2 Cấu tạo của Thermocouples 33

Hình 3.3 Cặp nhiệt điện 34

Hình 3.4 Lắp đặt các cảm biến trên động cơ 34

Hình 3.5 Cảm biến thời điểm đóng mở xuppap nạp .35

Hình 3.6 vị trí cảm biến thực tế .36

Hình 3.7 Cảm biến tiệm cận điện từ 36

Hình 3.8 Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện từ 37

Hình 3.9 Sơ đồ kiến trúc AVR 41

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý của ATMEGA 16 43

Hình 3.11 Sơ đồ chân của vi điều khiển ATMEGA 16 45

Hình 3.12 Hộp điều khiển 49

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển trung tâm 50

Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lí mạch công suất .51

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 54

Hình 4.2 Sơ sồ bố trí trang thiết bị thực nghiệm 55

Hình 4.3 ECU điều khiển 56

Hình 4.4 Các vị trí lắp đặt cảm biến 56

Hình 4.5 Các thiết bị khác 57

Hình 4.6 Các thiết bị phục phụ quá trình đo lấy số liệu 57

DANH MỤC BIỂU ĐỒBiển đồ 4-1 Ảnh hưởng của thời gian phun LPG đến chi phí tiêu hao nhiên liệu 61 Biểu đồ 4-2 Sự biến thiên tốc độ động cơ theo sự thay đổi Tf 62 Biểu đồ 4-3 ảnh hưởng của LPG đến hàm lượng CO và CxHy trong khí xả động

cơ tại n=590v/p 63

LỜI NÓI ĐẦU

Ô nhiễm môi trường đang là mối quan tâm trên toàn thế giới Một trong những nguồn gây ô nhiễm lớn là khí xả động cơ đốt trong nói chung và động cơ diesel nói riêng Trong khí xả động cơ diesel có nhiều thành phần độc hại như các khí NOx, CO, CO2, SO2, H2S … Các chất này chiếm một tỷ lệ khá lớn trong khí xả

và ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người và môi trường sinh thái

Để kiểm soát vấn đề ô nhiễm môi trường do khí xả động cơ diesel, từ trước tới nay người ta thường có hai hướng xử lý: thứ nhất, tác động vào quá trình cháy trong xi lanh động cơ để giảm các chất độc hại trong khí xả; thứ hai, xử lý khí xả trước khi thải ra ngoài môi trường Tuy nhiên việc áp dụng hai giải pháp này vẫn chưa thể giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm, hơn nữa chúng cũng bị hạn chế bởi nhiều yếu tố

Một trong những nguyên nhân khiến động cơ diesel trở thành nguồn gây ô nhiễm là do nhiên liệu sử dụng có nhiều thành phần tạp chất Như vậy, nếu nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel là “nhiên liệu sạch” thì vấn đề ô nhiễm khí xả sẽ được giải quyết

Hiện nay tôi đang thực hiện đề tài: “Thiết kế chế tạo bộ điều khiển điện tử

hệ thống phun nhiên liệu LPG cho động cơ Yanmar 3SM sử dụng hệ thống nhiên liệu kép” Đề tài của tôi gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Phân tích lựa chọn phương án phun cho động cơ

Chương 3: Thiết kế chế tạo bộ điều khiển phun LPG

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Trong suốt thời gian qua, với sự hướng dẫn tận tình của Th.S Mai Sơn Hải và Th.S Đoàn Phước Thọ tôi đã hoàn thành đề tài của mình Tôi xin chân thành cảm

ơn Th.S Mai Sơn Hải, Th.S Đoàn Phước Thọ cùng các thầy trong bộ môn động lực

và các bạn đó giúp tôi hoàn thành đề tài này

Nha Trang, tháng 7 năm 2012

Sinh viên

Bùi Minh Hậu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đối tượng phạm vi nghiện cứu

1.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Động cơ Diesel Yanmar 3SM

1.1.2 Phạm vi nhiên cứu

1.1.2.1 Về mặt lý thuyết

 Tìm hiểu về đặc tính của khí hóa lỏng (LPG)

 Các giải pháp kỹ thuật để động cơ có thể sử dụng nhiên liệu nhiên liệu LPG

 Tìm hiểu phương án điều khiển cung cấp nhiên liệu khí hóa lỏng cho động cơ

 Thiết kế chế tạo bộ điều khiển điện tử cung cấp dầu DO và khí hóa lỏng (LPG) cho động cơ Diesel Yanmar 3sm

1.1.2.2 Về mặt thực nghiệm

 Chế tạo bộ điều khiển điện tử cung cấp nhiên liệu khí hóa lỏng (LPG) cho động cơ Diesel Yanmar 3sm

 Chạy thử nghiệm động cơ

 Phân tích đánh giá kết quả thu được

1.1.3 Mục Tiêu Nghiên Cứu:

“Thiết kế chế tạo bộ điều khiển điện tử hệ thống phun nhiên liệu LPG (Liquid Petroleum LPG) Cho động cơ Diesel Yanmar 3sm sử dụng hệ thống nhiên liệu kép”

1.2 Tình hình nghiên cứu, sử dụng LPG

Khí dầu mỏ hoá lỏng là hỗn hợp chủ yếu của Propane (công thức hóa học:

C3H8) và Butane (công thức hóa học: C4H10) có nguồn gốc từ dầu mỏ, tên tiếng Anh: Liquefied Petroleum Gas (viết tắt là LPG); tại nhiệt độ, áp suất bình thường Khí dầu mỏ hóa lỏng ở thể khí và khi được nén đến một áp suất, nhiệt độ nhất định Khí dầu mỏ hóa lỏng chuyển sang thể lỏng Khí dầu mỏ hóa lỏng là loại nhiên liệu

thông dụng về tính đa năng có thể vận chuyển như chất lỏng nhưng lại được đốt cháy ở thể khí Lượng khí độc và tạp chất được sản sinh ra trong quá trình cháy rất thấp đã làm cho Khí dầu mỏ hóa lỏng trở thành một trong những nguồn nhiên liệu dùng làm chất đốt, nhiên liệu động cơ, nguyên liệu phục vụ sản xuất, dân sinh thân thiện với môi trường

Trong những năm gần đây, khí hóa lỏng đang được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghệ sản suất động cơ Vì những ưu điểm của LPG như giá thành rẻ, ít độc hại do có chứa ít tạp chất và lưu huỳnh, vận tốc bay hơi của LPG rất nhanh dễ dàng khuyếch tán, hòa trộn với không khí thành hỗn hợp cháy, nhiệt độ của LPG khi cháy rất cao từ 19000C tới19500C, nhiệt trị riêng theo khối lượng (PCIm) cao do đó LPG hứa hẹn sẽ trở thành một loại nhiên liệu của tương lai thay thế cho nhiên liệu truyền thống

Hiện trên thế giới có trên 12 triệu xe sử dụng LPG tập trung tại 38 nước, chủ yếu tại các nước đang phát triển do sức ép về vấn đề môi trường Sự phát triển

ô tô dùng LPG phụ thuộc vào chủ trương của mỗi quốc gia, đặc biệt là phụ thuộc vào chính sách bảo vệ môi trường Sự khuyến khích sử dụng ôtô LPG thể hiện qua chính sách thuế ưu đãi của mỗi quốc gia đối với loại nhiên liệu này Một số quốc gia có sự tăng trưởng thị trường autogas nhanh nhất như sau:

+ Hàn Quốc

Là quốc gia có số lượng ôtô sử dụng khí gas lớn nhất thế giới hiện nay Giá LPG chạy xe chỉ bằng 1/3 giá xăng nên được dùng rất rộng rãi cho taxi, buýt và xe tải Năm 2007 đạt số lượng xe dùng LPG là hơn 4 triệu

+ Thỗ Nhĩ Kỳ

Năm 1999 có 500.000 taxi chạy LPG (chiếm 92% tổng số) Năm 2007 là 2,1 triệu xe Là một trong những nước có lượng ôtô chạy sử dụng LPG lớn nhất thế giới Giá LPG chạy xe chỉ bằng 34% so với các nhiên liệu khác Việc chuyển đổi

xe sang dùng LPG diễn ra ồ ạt không kiểm soát được Hiện nay có khoảng 25% số lượng ôtô ở Thổ Nhĩ Kỳ được chạy bằng LPG

+ Italia

Là một trong những quốc gia có mức tiêu thụ LPG cho autogas lớn nhất ở Châu Âu với lượng tiêu dùng hàng năm đạt 1,3 triệu tấn Hiện nay có khoảng 1,2 triệu ôtô và hơn 700.000 phương tiện khác sử dụng LPG Tuy chỉ mới chiếm 4% tổng số xe nhưng đang phát triển rất nhanh do được chính phủ hỗ trợ bằng các biện pháp như:

Hạn chế xe xăng dầu tại nơi ô nhiễm

Hỗ trợ 377USD/xe cho việc chuyển đổi sang dùng LPG

+ Anh

Thị trường xe dùng LPG hiện tại ở Anh có khoảng 25.000 xe Theo dự báo của chính phủ đến cuối năm 2005 sẽ có khoảng 250.000 xe Chính phủ có quỹ hỗ trợ cho chuyển đổi xe sang dùng LPG, thuế ưu đãi cho LPG dùng chạy xe, hỗ trợ

mở rộng các trạm bơm LPG cho xe

Hình 1.1 Xe Volvo S80 dùng động cơ 2 nhiên liệu xăng & LPG (thị trường Anh)

+ Các quốc gia khác

Tại Hồng Kông, Trung Quốc, Malaysia, Đài Loan,… đều có số lượng xe dùng LPG tăng rất nhanh Chính phủ các nước này đều có chính sách khuyến khích sử dụng LPG cho xe hơi như: thuế ưu đãi cho LPG dùng chạy xe, hỗ trợ phí chuyển đổi xe, hỗ trợ mở rộng hệ thống nạp LPG cho xe

+ Việt Nam

Việc sử dụng khí hóa lỏng dành cho các phương tiện giao thông còn đang trong giai đoạn nghiên cứu và chưa được ứng dụng rộng rãi do giá thành lắp đặt thiết bị chuyển đổi tương đối cao và việc xây dựng các trạm cung cấp nhiên liệu còn hạn chế Bên cạnh đó nhà nước chưa có chính sách khuyến khích, hỗ trợ cho các phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu khí nên việc chuyển đổi còn hạn chế, hầu như chỉ có một số hãng taxi chuyển sang dùng nhiên liệu khí, cụ thể như sau:

Năm 1997, tại Thành Phố Hồ Chí Minh, Sài Gòn Petro liên kết cùng một số đơn vị cho chạy 20 đầu xe tải và xây dựng trạm nạp LPG cho ôtô

Ngày 19-12-2004, Công ty Taxi Gas Sài Gòn Petrolimex – Taxi Xanh đã đưa

90 xe taxi Mitsubishi Jolie chạy bằng gas vào hoạt động trên địa bàn TP.HCM với phương châm “Vì một môi trường mãi xanh”

Hình 1.2 Taxi sử dung nhiên liệu LPG của công ty Petrolimex

Công ty Universal Petroleum (UP) đã triển khai trong năm 2002 đội xe 7–12 chỗ chạy liên tỉnh tại TP Hồ Chí Minh và đặt 2 trạm cấp LPG tại TP.HCM và Cần Thơ

Công ty cơ khí Ngô Gia Tự Hà Nội đã có đề tài chuyển đổi xe dùng xăng sang dùng LPG và hiện đã thành lập đội taxi gas 4 chỗ với 30 chiếc (giai đoạn 2 là

80 chiếc)

Năm 2008 công ty Cổ Phần Vận Tải Dầu Khí Đông Dương là một thành viên nằm trong hệ thống Tập Đoàn Dầu Khí Việt Nam Đã đầu tư dàn xe Hyundai Elantra để thành lập đoàn xe Taxi Dầu Khí, sử dụng nhiên liệu sạch (LPG) thân thiện với môi trường, tiết kiệm nhiên liệu, giải quyết vấn đề về giá xăng dầu hiện nay

Đầu tháng 1/2009, TP.HCM sẽ có 2 chiếc xe buýt được đưa vào chạy thử nghiệm bằng khí thiên nhiên (CNG-Compressed Natural Gas), thay cho dầu diesel giúp TP HCM giảm gánh nặng trợ giá, không gây ô nhiễm… Khi thử nghiệm thành công, thì đến cuối năm 2011 TP HCM sẽ đưa vào sử dụng khoảng 800 xe buýt chạy bằng nhiên liệu CNG

Ngoài ra còn một số dự án về chuyển đổi xe sang dùng LPG của Đại Học Bách khoa Đà Nẵng cũng như chuyển đổi sang dùng LPG cho Airport taxi của UP

và thị trường đang ngày một sôi động hơn

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật

TP HCM tác giả Lê Việt Hùng Đỗ Văn

Dũng, Lê Thanh Phúc nghiên cứu thiết kế,

chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu khí

dầu mỏ hoá lỏng (lpg) cho động cơ diesel

VIKYNO

Qua thử nghiệm, động cơ VIKYNO

RV125 chạy nhiên liệu kép có các kết quả:

công suất cực đại đạt 93,6%, đạt được

100% công suất định mức, thành phần bồ

hóng và NOx trong khí thải giảm đáng kể,

lượng LPG thay thế 52,57% diesel, tiêu phí

nhiên liệu giảm 21,32%

Hình 1.3 Động cơ VIKYNO sau khi lắp đặt các bộ phận điều khiển phun LPG

Số bằng sáng chế 5940; ngày cấp: 17/10/2006 tại Việt Nam; tác giả và chủ sở hữu: Bùi Văn Ga, địa chỉ: Trung tâm Nghiên cứu Bảo vệ Môi trường - Đại học Đà Nẵng, 41 Lê Duẩn - Đà Nẵng

Sáng chế đề cập đến bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu LPG/xăng cho xe gắn máy gồm bình nhiên liệu “hai trong một”; van không tải với vòi phun không tải lắp sau họng bộ chế hòa khí cung cấp một lượng ga cố định để xe chạy cầm chừng; van công suất với vòi phun chính lắp tại họng bộ chế hòa khí đảm bảo cho động cơ làm việc với thành phần hỗn hợp phù hợp khi mang tải Hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng nguyên thủy của xe không thay đổi Với bộ phụ kiện này, xe gắn máy có thể chạy hoặc bằng xăng như trước khi chuyển đổi, hoặc chạy bằng LPG với thành phần hỗn hợp được điều chỉnh tối ưu theo các chế độ vận hành của động cơ

Kết cấu của hệ thống gọn nhẹ, có thể lắp được trên tất cả các loại xe gắn máy

4 kỳ (xe chân số và xe tay ga) có dung tích xi lanh từ 50cc đến 150cc Xe gắn máy chạy bằng LPG với bộ phụ kiện này có thể làm giảm mức độ phát thải CO, HC, NOx từ 60 - 80% so với khi chạy bằng xăng Mức tiêu hao nhiên liệu trung bình của xe khoảng 90-120km/kg LPG khi chạy với tốc độ trung bình 55km/h

Tại trường đại học Nha Trang, vấn đề nghiên cứu và thử nghiệm LPG cho động cơ cũng rất được quan tâm, vấn đề này đã và đang có nhiều đề tài nhiên cứu

để đưa chạy thử nghiệm trên động cơ, tiêu biểu như đề tài của Thạc sĩ Mai Sơn Hải bộ môn Động lực khoa Kỹ Thuật Tàu Thủy với vấn đề nghiên cứu “bước đầu nghiên cứu sử dụng khí hóa lỏng –LPG trên động cơ diesel cỡ nhỏ ”

Sơ đồ bố trí thí nghiệm

Hình 1.4 sơ đồ cung cấp ga có sử dụng bộ giảm hóa hơi

Kết quả thu được lượng CO2 độ đục khí xả giảm, lượng HC, CO có nhưng không đáng kể so với khi sử dụng nhiên liệu diesel

1.3 Định nghĩa LPG, các đặc tính và ưu điểm của LPG

1.3.1 Định nghĩa LPG

LPG là từ viết tắt của Liquefied Petroleum Gas, là hỗn hợp hydrocarbon nhẹ,

ở thể khí LPG tồn tại trong thiên nhiên ở các giếng dầu hoặc giếng gas và cũng có thể sản xuất ở các nhà máy lọc dầu Thành phần chính của LPG là Propane (C3H8) và Butane (C4H10), không màu, không mùi, không vị và không có độc tố LPG là loại nhiên liệu thông dụng về tính đa năng và thân thiện với môi trường Nó có thể dễ dàng được chuyển đổi sang thể lỏng bằng việc tăng áp suất thích hợp hoặc giảm nhiệt độ để dễ tồn trữ và vận chuyển được Nó có thể chuyển động như chất lỏng như lại được đốt cháy ở thể khí Việc sản sinh ra chất NOx, khí độc và tạp chất trong quá trình cháy thấp một cách khác thường đã làm cho LPG trở thành một trong những nguồn nhiên liệu thân thiện nhất với môi trường trên thế giới

LPG lỏng chứa rất nhiều năng lượng trong một không gian nhỏ và nó có thể hóa hơi được nên cháy rất tốt Mỗi kg gas cung cấp khoảng 12.000 kcal năng lượng

Bảng 2-1 So sánh LPG và các loại nhiên liệu cổ điển

Propane thương mại

Butane thương mại

LPG

Khối lượng riêng

(kg/dm3)

0,725- 0.780

0,820- 0,860

42,6 35,8

46,0 23,5

45,6 26,4

45,8 25,0

1.3.2 Các đặc tính của LPG

LPG là chất: không màu, không mùi (Người ta thường làm cho LPG có mùi bằng cách cho chất tạo mùi vào trước khi cung cấp cho người tiêu dùng để dễ dàng phát hiện ra khi có sự rò rỉ gas), dễ cháy, nặng hơn không khí Trọng lượng bằng khoảng một nửa trọng lượng nước, không chứa chất độc nhưng có thể gây ngạt thở LPG giãn nở khi xì ra ngoài và 1 lít LPG lỏng sẽ tạo ra khoảng 250 lít khí 1.3.3 Các ưu điểm của LPG

Vì có tương đối ít thành phần hơn nên dễ đạt được đúng tỷ lệ pha trộn nhiên liệu, cho phép sản phẩm cháy hoàn toàn Việc này đã làm cho LPG có các đặc tính của một nguồn nhiên liệu đốt sạch.Cả Propane và Butane đều dễ hóa lỏng và có

thể chứa được trong các bình áp lực Những đặc tính này làm cho loại nhiên liệu này dễ vận chuyển, và vì thế có thể chuyên chở trong các bình hay bồn gas đến người tiêu dùng cuối cùng

LPG là loại nhiên liệu thay thế rất tốt cho dầu diezel trong các động cơ Diezel Trong một động cơ được điều chỉnh hợp lý, đặc tính cháy sạch giúp giảm lượng chất thải thoát ra, kéo dài tuổi thọ cho động cơ

Như một chất thay thế cho chất nổ đẩy aerosol và chất làm đông, LPG được chọn để thay cho fluorocarbon vốn được biết đến như một nhân tố làm thủng tầng ozone

Với các đặc tính là nguồn nhiên liệu sạch và dễ vận chuyển, LPG cung cấp một nguồn năng lượng thay thế cho các nhiên liệu truyền thống như: củi, than, và các chất hữu cơ khác Việc này cung cấp giải pháp hạn chế việc phá rừng và giảm được bụi trong không khí gây ra bởi việc đốt các nhiên liệu truyền thống

1.3.4 Đánh giá khả năng sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng động cơ Diesel Hiện nay, sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng cho giao thông vận tải được các

tổ chức đăng kiểm trên thế khuyến nghị, các hãng chế tạo động cơ, chủ tàu quan tâm trong khung cảnh các tiêu chuẩn về phát thải ngày càng khắt khe, nhiên liệu xăng dầu ngày càng khan hiếm và giá cả leo thang Vấn đề áp dụng nhiên liệu khí hỏa lỏng cho động cơ diesel tàu thủy còn mới mẻ, nhưng thực tiễn cho thấy hoàn toàn có triển vọng, có thể giải quyết hữu hiệu vấn đề tiêu chuẩn phát thải ô nhiễm cho phép đối với đội tàu Việt Nam trong thực trạng hiện nay mà các phương pháp giảm thiểu khác đã đạt giới hạn

Trên cơ sở nghiên cứu đặc điểm quá trình công tác của động cơ diesel, cho thấy hoàn toàn có thể sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng làm nhiên liệu cho động cơ diesel với một số thay đổi nhỏ về hệ thống cung cấp nhiên liệu và biện pháp tổ chức quá trình cháy

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN PHUN LPG

CHO ĐỘNG CƠ

2.1 Khái Quát Chung Về Hệ Thống Sử Dụng Nhiên Liệu Kép:LPG- DO Động cơ Diesel được kiểm soát theo tốc độ và tải dựa vào việc điều khiển lượng nhiên liệu cung cấp vào trong buồng đốt Một bộ phận quan trọng của động

cơ là bộ điều tốc Bộ điều tốc tăng lượng nhiên liệu cung cấp khi động cơ tốc độ thấp và giảm nhiên liệu khi tốc độ cao, nhờ đó giúp động cơ chạy ổn định, tránh trường hợp vượt tốc

Khi cho LPG vào buồng cháy, nó trở thành một phần nhiên liệu cung cấp cho quá trình sinh công, làm cho tốc độ động cơ tăng lên Khi đó, bộ điều tốc sẽ giảm lượng diesel, giảm đến khi lượng diesel mồi còn lại không đủ đốt cháy LPG, động

cơ tắt máy Chờ cho tốc độ động cơ giảm xuống, lượng diesel tăng lại, tiếp tục quá trình cháy và sinh công Vì vậy, nếu không bỏ bộ điều tốc, động cơ sẽ hoạt động không ổn định, không kiểm soát được lượng diesel cung cấp Giải pháp được đưa

ra là can thiệp vào bộ điều tốc bằng cách tăng cường độ cừng của lò xo điều tốc tới mức loại bỏ hẳn sự can thiệp của bộ điều tốc trong quá trình hoạt động của máy

Ý tưởng cho thuật toán điều khiển động cơ nhiên liệu kép (dual fuel) xuất phát từ mục đích giảm nhiên liệu diesel xuống đến mức có thể được Động cơ diesel Yanmar 3sm là một động cơ diesel công suất nhỏ Chỉ cần một lượng nhiên liệu nhỏ để chạy nó, phần còn lại do LPG đảm nhiệm

Lượng LPG cung cấp cho động cơ được quyết định bởi thời gian đóng mở của van điện từ Thời gian này do bộ điều khiển tính toán dựa vào tín hiệu tốc độ động cơ từ các cảm biến gửi về Thành phần diesel và LPG cung cấp phải được tính toán dựa trên cơ sở đặc tính của dầu diesel, LPG và phản ứng đốt cháy nhiên liệu trong buồng đốt

Tóm lại, việc thiết kế hệ thống cung cấp LPG cho động cơ diesel bao gồm: lắp đặt, khảo sát đặc tính cảm biến tốc độ cảm biến nhiệt độ, cảm biến lượng LPG,

xây dựng thuật toán điều khiển, thiết kế bộ điều khiển với phần tử trung tâm là vi điều khiển ATMELPG 16, lập trình bằng ngôn ngữ C cho vi điều khiển

2.2 Giới thiệu về động cơ YANMAR 3SM

2.2.1 Khái quát chung động cơ Yanmar 3sm

Động cơ Yanmar 3SM tại xưởng thực tập bộ môn động lực tàu thủy là động

cơ Diesel do hãng Yanmar của Nhật sản xuất Được sản xuất và sử dụng chủ yếu ở cuối thập niên 60 đầu thập niên 70 Hiện nay còn rất ít nơi còn sử dụng động cơ này Với công suất 45HP chỉ có khu vực miền Trung còn một số ngư dân sử dụng động cơ này, ở những khu vực mà nghề đánh bắt cá phát triển mạnh với những đội tàu lớn như Thành Phố Hồ Chí Minh, Vũng Tàu, và khu vực miền Tây Nam Bộ hầu như không còn sử dụng động cơ này nữa

Hình 2.1 Động cơ Yanmar 3SM 45HP

Hình 2.2 Động cơ YANMAR 3SM tại phòng động cơ

Bảng 2-2 Thông số kỹ thuật của động cơ Diesel Yanmar 3SM 45HP

2.2.2 Các bộ phận và hệ thống cơ bản của động cơ Yanmar 3SM

Trên động cơ Yanmar 3SM có các bô phận và hệ thống cơ bản sau:

2.2.3 Bộ điều tốc động cơ Yanmar 3SM

Bộ điều tốc cơ khí hoạt động dựa trên nguyên lý của lực ly tâm, trong ngành động cơ đốt trong nó được sử dụng nhiều nhất Nhờ thiết kế chắc chắn, đơn giản,dễ dàng điều chỉnh và chi phí sản xuất thấp Bộ điều tốc này luôn được cải tiến và hoàn thiện nên ngày nay vẫn được sử dụng rộng rãi trong các động cơ diezel

Tính đặc thù của bộ điều tốc cơ khí là trực tiếp điều khiển bởi động cơ diesel trong khi đó tất cả các loại điều tốc khác phải phụ thuộc vào một nguồn năng lượng khác như (thủy lực, khí nén hoặc điện) để có thể làm việc

Bộ điều tốc cơ khí ngày nay vẫn được sử dụng trên động cơ diesel với vô số ứng dụng trong xây dựng, nông nghiệp, lâm nghiêp Bộ điều tốc cơ khí sử dụng các phần tử cơ khí cơ bản tác động trực tiếp vào thanh răng nhiên liệu để điều khiển tốc độ động cơ Bộ điều tốc này có cấu tạo đơn giản chỉ gồm các phần tử: quả văng, lò xo tốc độ, các thanh liên kết và ổ đỡ

Cấu tạo của bộ điều tốc động cơ yanmar 3sm gồm có 2 quả văng được gắn vào hai nhánh của mâm xoay trên trục cam bơm cao áp và được cố định bằng chốt định vị Trục di động truyền chuyển động của các quả văng đến thanh răng nhiên liệu nhờ khớp nối Cần gia tốc kết nối với kẹp trượt để điều khiển thanh răng Nguyên tắc vận hành: Bộ điều tốc cơ khí vận hành theo nguyên lý sau: Khi vận tốc động cơ tăng lực ly tâm mạnh làm 2 quả văng bị bung ra kéo cần điều khiển cơ cấu kết nối để kéo thanh răng về phía giảm nhiên liệu

Khi vận tốc động cơ giảm lúc này lực ly tâm yếu lò xo điều tốc bị 2 quả văng

ép vào bên trong làm cơ cấu kết nối kéo thanh răng về phía giảm nhiên liệu

Nhược điểm của bộ điều tốc này là khi số vòng quay của động cơ càng nhỏ thì độ không đồng đều càng lớn Đối với bộ điều tốc cơ khí đòi hỏi quả văng có khối lượng lớn nhưng lại hạn chế về kích thước, thông thường phải sử dụng các quả văng có hình dạng phức tạp Các phần tử cảm ứng cơ giới gây phản ứng trực tiếp đối với mọi thay đổi của số vòng quay Dưới tác dụng của lực ly tâm chỉ có thể vận động khi chế độ tốc độ của động cơ đạt tới một giá trị nhất định Nếu cắt

phụ tải bên ngoài động cơ có khuynh hướng làm tăng số vòng quay, nếu tăng tải bên ngoài số vòng quay của động cơ sẽ giảm Ngoài ra, bộ điều tốc trên điều khiển gián tiếp qua lực đàn hồi của lò xo nên có nhược điểm là tồn tại vùng không nhạy Trong bộ điều tốc cơ khí luôn tồn tại lực ma sát nên ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển

2.2 4 Khái quát chung về hệ thống nhiên liệu của động cơ Yanmar 3sm 2.2.4.1 Nhiệm vụ và yêu cầu của hệ thống nhiên liệu động cơ:

- Nhiệm vụ:

+ Lọc sạch nhiên liệu rồi phun vào buồng đốt theo những yêu cầu phù hợp với đặc điểm cấu tạo và tính năng kỹ thuật của động cơ

- Yêu cầu:

+ Cung cấp vào buồng đốt những khối lượng dầu xác định, phù hợp với chế

độ làm việc của động cơ và có thể điều chỉnh được, lượng nhiên liệu chu trình cung cấp cho các xylanh phải đồng đều

+ Thời điểm và thời gian cung cấp cần phải chính xác (nhất là thời điểm bắt đầu) và có thể điều chỉnh được

+ Dầu phun vào buồng đốt phải ở dạng các hạt nhỏ, đồng đều và phân bố đều trong không gian buồng đốt

+ Số lượng dầu cung cấp theo thời gian cung cấp – quy luật cung cấp phải tạo ra sự cấp nhiệt tốt nhất cho chu trình làm việc của động cơ (chất lượng phun tốt, quy luật phù hợp)

Hình 2.3 Hệ thống nhiên liệu động cơ Bảng 2-3 Các chi tiết hệ thống nhiên liệu động cơ YANMAR 3SM

STT TÊN CHI TIẾT STT TÊN CHI TIẾT

+ Dễ dàng và nhanh chóng thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình và phù hợp với chế độ làm việc của động cơ

Động cơ 3SM sử dụng bơm cao áp loại đơn

Hình 2.4 Bơm cao áp đơn Bảng 2.4 Các chi tiết bơm cao áp STT TÊN CHI TIẾT STT TÊN CHI TIẾT

phối

phân phối

răng điều khiển nhiên liệu

nhiên liệu

nhiên liệu

8 Thanh răng điều khiển nhiên liệu 23 Chốt của thanh răng điều

15 Lò xo của van phân phối nhiên liệu

- Vòi phun

Vòi phun một trong những chi tiết quan trọng của hệ thống nhiên liệu Nó quyết định đến chất lượng của chùm tia nhiên liệu phun vào xylanh, trực tiếp ảnh hưởng đến quá trình cháy

Kết cấu chung của một vòi phun nhiên liệu gồm ba phần chính: thân vòi phun, đầu vòi phun, khâu nối

Hình 2.5 Vòi phun kiểu chốt

2.3 Hệ Thống Cung Cấp LPG Trên Động Cơ Yanmar 3sm

Hiện nay phương án chung để cung cấp LPG trên động cơ người ta đều sử dụng hệ thống cung cấp DO-LPG song song

Lượng nhiên liệu LPG và diesel được điều khiển bởi môđun điều khiển sẽ đưa tới hiệu quả cao về mặt hiệu suất nhiệt, đồng thời cung cấp lượng nhiên liệu chính xác đúng thời điểm Lượng LPG trước khi qua mô đun điều khiển phải qua van an toàn để đảm bảo sự an toàn về sử dụng LPG

STT TÊN CHI TIẾT

2 Vòi phun và hộp chứa vòi phun

3 Đai ốc của van nhiên liệu

5 Miếng đỡ của lò xo van kim

Hình 2.6 Hệ thống nhiên liệu LPG và diesel song song

Trên cơ sở xem xét một số hệ thống sử dụng LPG trên động cơ Diesel hiện nay ta có một số phương án điều khiển như sau:

 Sử dụng bộ giảm áp hóa hơi và bộ hòa trộn

 Sử dụng hệ thống phun nhiên liệu LPG phun trực tiếp nhờ xupáp LPG

 Sử dụng hệ thống phun nhiên liệu LPG vào đường nạp

2.3.1 Phân tích và lựa chọn phương án điều khiển phun LPG thích hợp với bộ môn động lực hiện nay và động cơ thí nghiệm

Về phương án điều khiển phun tôi được kế thừa các đề tài :

 “Thiết kế chế tạo bộ điều khiển cung cấp LPG và dầu DO khi sử dụng hỗn hợp này làm nhiên liệu cho máy 4CH-JANMAR” của Phạm Văn Toản

 “Thiết kế chế tạo bộ điều khiển điện tử hệ thống phun nhiên liệu LPG cho động cơ D12 sử dụng hệ thống nhiên liệu kép” của Nguyễn Văn Trọng

Đề tài thứ nhất sử dụng phương án Sử dụng bộ giảm áp hóa hơi và bộ hòa trộn lắp đặt bộ trộn hỗn hợp LPG-không khí trên họng nạp đã được áp dụng thành công tại bộ môn nhưng nó cũng thể hiện nhược điểm đó là hàm lượng khí xả chứa

nhiều HC và CO do LPG thoát ra ngoài trong thời kỳ trùng điệp và một lượng LPG bị dội ngược lại khi cửa nạp đóng đột ngột trong thời kỳ nạp

 Tổng quan về phương án Sử dụng hệ thống phun nhiên liệu LPG vào đường nạp

Nhiên liệu LPG được cung cấp bằng hệ thống phun vào trước xupáp nạp của từng xylanh (phun riêng rẽ) Áp suất nhiên liệu trước vòi phun của hai kiểu này đều cao hơn áp suất khi quyển Nhiên liệu phun vào đường nạp động cơ có thể dưới dạng khí, trong đó phun nhiên liệu dạng lỏng có nhiều triển vọng về việc sử dụng song song hai nhiên liệu DO-LPG

Nguyên lý hoạt động: Nhiên liệu LPG dưới dạng lỏng từ bình nhiên liệu được hút nhờ một bơm chuyển và duy trì áp suất dư trên đường ống khoảng 5 bar

để tránh sự bốc hơi Nhiên liệu sau đó được đưa qua bộ lọc và bộ điều áp trước khi dẫn đến vòi phun Vòi phun được một bộ vi xử lý chuyên dụng điều khiển một cách tự động

Bộ vi sử lý này nhận phần lớn các tín hiệu cần thiết từ hệ thống cung cấp nhiên liệu đã có và bổ xung thêm những thông tin đặc thù khác của hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG

Hình 2.8 Hệ thống phun nhiên liệu LPG vào đường nạp

LPG có thể cung cấp cho động cơ ở dạng khí hay dạng lỏng Ưu điểm của việc sử dụng LPG dưới dạng khí là tăng sự đồng nhất hoàn toàn của hỗn hợp LPG – không khí và tránh hiện tượng ướt thành đường nạp bởi nhiên liệu lỏng, hiện thượng này rất nhạy cảm khi động cơ khởi động và khi động cơ làm việc ở chế độ chuyển tiếp Điều này cho phép giảm được mức độ phát sinh ô nhiễm Nhược điểm của việc cung cấp dạng này là quá trình điều khiển dài và sự cung cấp LPG liên tục hạn chế khả năng khống chế tỷ lệ không khí / LPG, khí xả có nồng độ HC tăng Đặc biệt là giai đoạn quá độ của động cơ Cũng cần nhấn mạnh thêm rằng công suất động cơ giảm đi khoảng 8% do tổn thất lượng không khí nạp do khí LPG chiếm chỗ

Hệ thống phun LPG lỏng cải thiện được đáng kể tính năng của động cơ cả

về hiệu suất cũng như mức độ phát sinh ô nhiễm công suất và momen tăng do tăng hệ số nạp còn suất tiêu hao nhiên liệu giảm do điều chỉnh tốt lượng nhiên liệu cung cấp theo chế độ làm việc của động cơ Ưu điểm của việc phun LPG lỏng là tạo khả năng kiểm soát được độ đậm đặc ở mỗi lần phun với thời gián rất ngắn vì vậy có thể áp dụng các biện pháp hữu hiệu nhằm giới hạn mức độ ô nhiễm khi động cơ làm việc ở chế độ quá độ Sự bốc hơi LPG làm giảm đáng kể nhiệt độ khí nạp do đó làm tăng hệ số nạp của động cơ Tuy nhiên việc sử dụng vòi phun thay

vì họng khuyếch tán do làm giảm thời gián tạo hỗn hợp và mật độ nhiên liệu cung cấp dẫn đến sự không đồng nhất của hỗn hợp và do đó có nguy cơ làm tăng nồng

độ CO trong khí xả

Người ta sử dụng đánh lửa bằng cách phun nhiên liệu mồi Mục đích là tận dụng tối đa các bộ phận của hệ thống động cơ Diesel đang sử dụng và hạn chế tối thiểu việc lắp đặt thêm nhiều cơ cấu và bộ phận khác làm thay đổi quá lớn về kết cấu và tăng chi phí chuyển đổi trên động cơ cải tạo

Lượng nhỏ nhiên liệu Diesel phun mồi được phun trước khi piston đến điểm chết trên Các hạt nhiên liệu Diesel này sẽ tự bốc cháy và tạo ra chừng ấy điểm đánh lửa trong hỗn hợp nhiên liệu không khí để đốt cháy lượng LPG đưa vào Hệ thống đánh lửa này có năng lượng tỏa ra rất lớn và hầu như không phụ thuộc vào sự phân bố hỗn hợp trong buồng cháy Trong trường hợp đó sự tăng áp suất diễn ra nhành chãng hơn và hiệu suất động cơ được cải thiện đáng kể Lượng nhiên liệu phun mồi cần thiết bằng lượng nhiên liệu để duy trì chế độ không tải của động cơ Diesel mục đích là để đốt cháy kiệt lượng nhiên liêu LPG đưa vào và chuyển đổi dễ dàng sang dùng chỉ mình nhiên liệu Diesel khi động cơ đang hoạt động với hỗn hợp Diesel-LPG Nếu không có đủ lượng nhiên liệu Diesel để duy trì chế độ không tải thì khi cắt nhiên liệu LPG thì động cơ sẽ bị chết máy

Hệ thống phun nhiên liệu vào đường nạp có hai phương pháp: phun liên tục và phun gián đoạn Trong đó phun liên tục có thởi gian điều khiển dài hơn, dễ điều khển hơn khi hoạt động nhưng có hạn chế về mặt kinh tế và ô nhiễm môi

trường do lượng nhỏ LPG không cháy hết thoát ra môi trường Phun gián đoạn có nhiều ưu điểm hơn, khắc phục được nhược điểm của phun liên tục, mà lịa không can thiệp quá sâu vào kết cấu của động cơ

vì thế ta lựa chọn phương án cung cấp LPG bằng cách phun gián đoạn LPG trên đường nạp của động cơ

Phương án điều khiển điện tử cung cấp LPG cho động cơ là phương án dùng

bộ điều khiển điện tử lấy tín hiệu qua cảm biến thời điểm đóng mở xupáp để điều chỉnh thời điểm phun LPG cho động cơ Ngòai ra chúng ta còn sử dụng cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến nhiệt độ khi xả để đối chiếu các thông số của động cơ tiện cho theo dõi hoạt động của động cơ

Phương án này phù hợp với điều kiện tại phòng động cơ của bộ môn động lực hiện nay

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PHUN LPG

Sơ đồ cấu tạo hệ thống cung cấp LPG trên động cơ thí nghiệm

Trên cơ sở hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép đã phân tích ở

chương 2 ta có sơ đồ của hệ thống cung cấp DO-LPG như sau:

Hình 3.1 Sơ đồ cung cấp LPG cho động cơ

1,5,7: Đồng hồ đo áp suất 8: Van tiết lưu

2: Van khóa bính LPG 10: Bình tích áp

3: Van điện từ (24v) 12, 13, 14: Van điện từ

4: Van giảm áp 15: Bẫy lửa

6,9,11: Van một chiều 16 : Bình chứa LPG

3.1 Các thiết bị trong hệ thống cung cấp LPG cho động cơ

3.1.1 Bình chứa LPG

Bình chứa LPG có nhiệm vụ dự trữ LPG để cung cấp

cho động cơ, khi chạy với hỗn hợp lưỡng nhiên liệu

DO-LPG Bình chứa LPG phải đảm bảo an toàn, không có hiện

tượng rò rỉ khi không làm việc và an toàn trong sử dụng

Do vậy ta sử dụng bình chứa LPG có bán sẵn trên thị

trường và đã được kiểm định an toàn Đó là loại bình dùng

Áp suất thiết kế: 20 kg/cm2,áp suất làm việc lớn nhất: 7 kg/cm2

Nhà chế tạo: Việt nam (Gia công), mã hiệu: TL-NTU1

Nguyên lý làm việc :

Lúc đầu ta chứa nước bên trong bẫy lửa với lượng sao cho không ngập đường

ra của LPG, khi dẫn dòng LPG đi vào trong bẫy lửa, do LPG nhẹ hơn nước lên LPG đi ngược lên chiếm phần không gian trên, LPG này qua đườn ống dẫm tới vòi phun áp suất trong bẫy lửa được khống chế khoảng 3 kg/cm2. tác dụng của chio tiết này dùng để lọc LPG và khống chế không cho LPG cháy ngược trên đường ống gây nổ bình chứa LPG

Trên bình ta làm 3 đường ống: 1 đường dẫn LPG vào, 1 đường ra và 1 đường

xả cặn trong bình