Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động cơ 1TR FE lắp trên ô tô INNOVA

Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp ô tô INNOVA Mục Lục Trang Mục Lục LỜI NÓI ĐẦU Tổng quan hệ thống nhiên liệu khí động đốt 1.1 Sự cần thiết phải có nguồn nhiên liệu thay nguồn nhiên liệu lỏng truyền thống 1.2 Giới thiệu khí nén thiên nhiên 1.2.1 Nguồn gốc, q trình khai thác sử lý khí 1.2.2 Tính chất khí CNG 1.3 Các phương án cung cấp khí CNG cho động đốt 10 1.3.1 Cung cấp khí CNG cho động sử dụng hòa trộn 10 1.3.2 Cung cấp CNG cho động sử dụng hòa trộn kết hợp với van tiết lưu van công suất 12 1.3.3 Cung cấp CNG cho động phương pháp phun CNG đường nạp.13 1.3.4 Cung cấp CNG cho động phương pháp phun CNG trực tiếp vào buồng cháy 15 Giới thiệu tổng quát ô tô INNOVA động 1TR-FE 16 2.1 Giới thiệu chung ô tô INNOVA 16 2.2 Đặc điểm tổng quát động 1TR-FE 17 2.2.1 Động 17 2.2.2 Cơ cấu phối khí 19 2.2.3 Hệ thống nhiên liệu 20 2.2.4 Hệ thống kiểm sốt khí xả 22 2.2.5 Hệ thống xả 22 2.2.6 Hệ thống làm mát 23 2.2.7 Hệ thống bôi trơn 23 2.2.8 Hệ thống đánh lửa 24 2.2.9 Hệ thống khởi động 25 2.2.10 Hệ thống nạp 25 Thiết kế tổng quát hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp tơ INNOVA 26 3.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu CNG 26 3.2 Các phận hệ thống cung cấp khí CNG 29 3.2.1 Bình chứa CNG 29 3.2.2 Van bình chứa 30 Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp tô INNOVA 3.2.3 Van nạp 3.2.4 Van điện từ 3.2.5 Bộ giảm áp 3.2.6 Bộ hoà trộn 3.2.7 Cơ cấu tiết lưu 3.2.8 Van công suất 3.2.9 Van không tải Tính tốn nhiệt động 4.1 Tính tốn nhiệt động dùng xăng 4.1.1 Các số liệu ban đầu 4.1.2 Các thơng số chọn 4.1.3 Tính tốn chu trình cơng tác 4.2 Tính tốn nhiệt động dùng CNG 4.2.1 Các số liệu ban đầu 4.2.2 Các thơng số chọn 4.2.3 Tính tốn chu trình công tác Thiết kế hệ thống nhiên liệu CNG 5.1 Tính tốn thiết kế hồ trộn 5.2 Tính tốn tiết lưu mạch cung cấp 5.3 Tính tốn ziclơ mạch cơng suất Phương pháp lắp đặt bố trí hệ thống nhiên liệu khí CNG tơ INNOVA 6.1 Sơ đồ bố trí 6.2 Các triệu chứng hư hỏng hệ thống nhiên liệu CNG biện pháp kiểm khắc phục 6.2.1 Động khó không khởi động 6.2.2 Tiêu thụ nhiều nhiên liệu 6.2.3 Động công suất tốc độ cao, gia tốc 6.3 Quy trình kiểm tra lắp đặt giảm áp Kết luận TÀI LIỆU THAM KHẢO 31 32 33 36 37 38 39 39 40 40 40 41 48 48 49 49 57 57 62 64 65 66 tra 68 68 68 69 69 73 74 Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp ô tô INNOVA LỜI NÓI ĐẦU Động đốt sử dụng loại nhiên liệu truyền thống với phương tiện giao thông vận tải nguồn gây ô nhiễm chủ yếu nghiêm trọng cho mơi trường khơng khí Ngày nay, với tiến khoa học kỹ thuật trình làm việc động đốt điện tử hoá, tin học hoá tạo thành công đáng kể cải thiện công suất động cơ, nâng cao hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường Nhưng với khắt khe tiêu chuẩn nhiễm mơi trường khí thải động số nước giải pháp không đáp ứng tiêu chuẩn khắt khe Vì cần có giải pháp hữu hiệu để khắc phục vấn đề Một giải pháp sử dụng loại nhiên liệu “sạch” gây nhiễm để thay cho loại nhiên liệu truyền thống Với tình hình khan nhiên liệu mức độ nhiễm bầu khí nay, việc ứng dụng CNG vào phương tiện vận tải thiết yếu nhằm đa dạng hoá nguồn nhiên liệu giải hữu hiệu vấn để ô nhiễm môi trường phương tiện vận tải gây ra, lẽ mà em chọn đề tài ‘‘Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp ô tô INNOVA’’ để giải vấn đề Cuối em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn Nguyễn Quang Trung bảo em tận tình, giúp em vượt qua khó khăn vướng mắc hồn thành đồ án Bên cạnh em cảm ơn thầy khoa tạo điều kiện để em hoàn thành thật tốt đồ án tốt nghiệp Đà Nẵng, ngày 28 tháng 05 năm 2009 Sinh viên thực Đỗ Mạnh Cường Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp tơ INNOVA Tổng quan hệ thống nhiên liệu khí động đốt 1.1 Sự cần thiết phải có nguồn nhiên liệu thay nguồn nhiên liệu lỏng truyền thống Từ năm 1849 - 1850, người biết chưng cất dầu mỏ để lấy dầu hỏa, xăng thành phần chưng cất nhẹ dầu hỏa chưa sử dụng đến phải đem đổ nơi thật xa Lúc người tạo dầu hỏa với mục đích thắp sáng đun nấu đơn Nhưng với tiến hóa khoa học kỹ thuật, từ việc sử dụng động nước cồng kềnh hiệu thấp, người tìm cách để sử dụng xăng dầu diesel cho động đốt trong, loại động nhỏ gọn có hiệu cao hẳn Cùng với khám phá khoa học vĩ đại khác, phát minh động đốt sử dụng xăng dầu diezel thúc đẩy xã hội loài người đạt bước phát triển vượt bậc, đem đến sống ấm no, hạnh phúc văn minh cho hàng tỷ người giới Những hiệu giá trị dầu mỏ động đốt mang lại thật khơng phủ nhận Nguồn lượng chúng mang lại chiếm ưu hoàn toàn Do vậy, mà hầu hết quốc gia giới muốn chiếm ưu chủ động nguồn dầu mỏ Cuộc khủng hoảng lượng vào thập kỷ 70 kỷ 20 lần khẳng định tầm quan trọng chiến lược dầu mỏ quốc gia cho tồn giới Nhưng theo dự đốn nhà khoa học với tốc độ khai thác nay, trữ lượng dầu mỏ lại Trái Đất đủ cho người khai thác vịng khơng q 40 năm Bên cạnh hậu mà sử dụng dầu mỏ động đốt đem lại từ chất thải khí làm nhiễm khơng khí, làm thủng tầng ơzơn, gây hiệu ứng nhà kính.Trong chất độc hại CO, NO x, HC loại động thải ngun nhân gây nhiễm bầu khơng khí, ảnh hưởng đến sức khỏe người Do đó, người phải đứng trước thách thức lớn phải có nguồn nhiên liệu thay Những loại nhiên liệu dùng thay cho xăng dầu diesel là: + Những khí thiên nhiên: CNG, LNG … + Khí gas hố lỏng (LPG) + Khí biogas + Cồn Ethanol + Cồn Methanol + Dầu thực vật + Hyđrô Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp tơ INNOVA Trong loại nhiên liệu trên, khí thiên nhiên nguồn lượng sơ cấp quan trọng Trong năm gần đây, sản lượng khí thiên nhiên hàng năm giới đạt xấp xỉ tỉ Tép (1000 m3 = 0,85 Tep), tương đương khoảng 60% sản lượng dầu thơ Người ta ước tính đến năm 2020, sản lượng khí thiên nhiên giới 2,6 tỉ Tép/năm so với sản lượng dầu thô 3,5 tỉ Tép Trữ lượng khí thiên nhiên khoảng 150 tỉ Tép, xấp xỉ với trữ lượng dầu thơ Mặt khác, khí thiên nhiên có ưu điểm phân bố khắp địa cầu nên đảm bảo cung cấp an toàn thuận tiện dầu thô Từ năm 1990, việc nghiên cứu sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu thực nhiều khu vực giới Khí thiên nhiên xem nhiện liệu việc sử dụng để chạy động ngồi mục đích đa dạng hóa nguồn nhiên liệu cịn góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường cách đáng kể Khí thiên nhiên chứa bình nhiên liệu tơ hai dạng: + Dạng khí nhiệt độ môi trường áp suất cao + Dạng lỏng nhiệt độ -1610C áp suất môi trường khơng khí Trong đồ án này, chủ yếu nghiên cứu nhiên liệu thiên nhiên dạng khí nhiệt độ môi trường áp suất cao CNG (Compressed Natural Gas) 1.2 Giới thiệu khí nén thiên nhiên 1.2.1 Nguồn gốc, q trình khai thác sử lý khí Khí thiên nhiên tạo từ sinh vật phù du, vi sinh vật sống nước bao gồm tảo động vật nguyên sinh vi sinh vật chết tích tụ đáy đại dương, chúng dần bị chôn xác chúng nén lớp trầm tích Trải qua hàng triệu năm, áp suất nhiệt lớp trầm tích chồng lên tạo nên xác loại sinh vật chuyển hoá hoá học chất hữu thành khí thiên nhiên Do dầu mỏ khí thiên nhiên thường tạo trình tự nhiên tương tự nhau, hai loại hydrocacbon thường tìm thấy bể chứa ngầm tự nhiên Sau dần tạo nên lịng vỏ Trái Đất, dầu mỏ khí thiên nhiên dần chui vào lỗ nhỏ tầng đá xốp xung quanh, tầng đá xốp có vai trò bể chứa tự nhiên Do lớp đá xốp thường có nước chui vào, khí thiên nhiên vốn nhẹ nước dày đặc tầng đá xung quanh nên chúng chuyển lên qua lớp vỏ, cách xa nơi chúng tạo Cuối cùng, số hydrocacbon bị bẫy lại lớp đá không thấm (đá không xốp), lớp đá gọi đá “mũ chụp” Khí thiên nhiên nhẹ dầu mỏ, tạo lớp nằm dầu mỏ Lớp khí gọi “mũ chụp khí” Các lớp than đá có chứa lượng mêtan đáng kể, mêtan thành phần khí thiên nhiên Trong trữ lượng than đá, mêtan thường bị phân Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp ô tô INNOVA tán vào lỗ vết nứt tầng than Khí thiên nhiên thường gọi khí mêtan tầng than đá Để định vị mỏ khí, nhà địa chất học thăm dị khu vực có chứa thành phần cần thiết cho việc tạo khí thiên nhiên: đá nguồn giàu hữu cơ, điều kiện chôn vùi đủ cao để tạo khí tự nhiên từ chất hữu cơ, kiến tạo đá "bẫy" hydrocacbon Khi kiến tạo địa chất chứa khí tự nhiên xác định, thông thường ln bể trầm tích, người ta tiến hành khoan giếng kiến tạo đá Nếu giếng khoan vào lớp đá xốp có chứa trữ lượng đáng kể khí thiên nhiên, áp lực bên lớp đá xốp ép khí thiên nhiên lên bề mặt Nhìn chung, áp lực khí thường giảm sút dần sau thời gian khai thác người ta phải dùng bơm hút lên bề mặt Khi khí thiên nhiên khai thác khỏi mặt đất, vận chuyển đường ống dẫn khí đến nhà máy tinh lọc xử lý, nơi chế biến Khí thiên nhiên chế biến thiết bị tách lọc khí để loại bỏ hợp chất khơng phải hyđrôcacbon, đặc biệt hyđrô sulfit điôxit cacbon Hai q trình sử dụng cho mục đích hấp thụ hút bám (absorption and adsorption) Quá trình hấp thụ sử dụng chất lỏng hấp thụ khí tự nhiên tạp chất phân tán chúng chất lỏng Trong trình gọi hấp thụ hóa học, tạp chất phản ứng với chất lỏng hấp thụ Khí thiên nhiên sau khỏi chất hấp thụ chất hấp thụ tạp chất lại chất lỏng Các chất lỏng hấp thụ thường sử dụng nước, dung dịch amin nước (aqueous amine) cacbonat natri Quá trình hút bám q trình đặc khí tự nhiên bề mặt chất rắn chất lỏng để loại bỏ tạp chất Một chất thường sử dụng cho mục đích cacbon (than), chất có diện tích bề mặt đơn vị trọng lượng rộng Ví dụ, hợp chất lưu huỳnh phí tự nhiên bề mặt hấp thụ cacbon giữ lấy Các hợp chất lưu huỳnh kết hợp với hyđrơ oxy để tạo thành axít sulphuric loại bỏ Sau tạp chất loại bỏ thiết bị tách lọc, khí thiên nhiên phải làm khô Kỹ thuật làm khô khí phân thành nhóm: + Hấp phụ nước chất hút ẩm thể rắn silicagen, nhôm oxit hoạt tính, zeolit NaA + Hấp phụ nước hút ẩm thể lỏng dietylenglycol, trietylenglycol… + Ngưng tụ nước đóng băng tạo tinh thể nước đá kỹ thuật nén làm lạnh Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp tơ INNOVA 1.2.2 Tính chất khí CNG a) Thành phần hóa học Khí nén CNG (Compressed Natural Gas) khí thiên nhiên nén áp suất định (205 ÷ 275 bar) Khí thiên nhiên hỗn hợp chất khí cháy bao gồm phần lớn hydrocacbon (hợp chất hoá học chứa cacbon hyđrơ) Cùng với than đá dầu mỏ, Khí thiên nhiên nhiên liệu hóa thạch Khí thiên nhiên chứa đến 85% mêtan (CH 4) khoảng 10% êtan (C 2H6), có chứa số lượng nhỏ propan (C3H8), butan (C4H10), pentan (C5H12), alkan khác Khí thiên nhiên, thường tìm thấy với mỏ dầu vỏ Trái Đất, khai thác tinh lọc thành nhiên liệu cung cấp cho khoảng 25% nguồn cung giới Khí thiên nhiên chứa lượng nhỏ tạp chất, bao gồm điơxít cacbon (CO 2), hyđrơ sulfít (HS), nitơ (N 2) Do tạp chất làm giảm nhiệt trị đặc tính khí thiên nhiên, chúng thường tách khỏi khí thiên nhiên q trình tinh lọc khí sử dụng làm sản phẩm phụ Bảng – Thành phần CNG Thành phần Methane Ethane Ethylene Propane Nitrogen Cấu tạo CH4 C2H6 C2H4 C3H8 N2 Hàm lượng (%) 90,42 4,04 0,14 2,05 3,32 b) Khả ứng dụng khí CNG cho động Bảng – So sánh đặc tính CNG với xăng Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp ô tô INNOVA Đặc trưng Chỉ số octan Nhiệt trị khối lượng (KJ/Kg) Năng lượng hỗn hợp (KJ/dm3) Giới hạn thể tích bốc cháy (%V) Tốc độ cháy chảy tầng độ đậm đặc 0,80 (cm/s) Năng lượng đánh lửa tối thiểu (mJ) Nhiệt độ đoạn nhiệt màng lửa (K) A/F (Kg KK/kg nhiên liệu) Thành phần hoá học % C H O CNG 130 50009 3,10 0,50 30 0,33 2227 17,23 75 25 Xăng 95 42690 3,46 0,60 37,5 0,26 2266 14,60 85,4 14,6 Nhiệt trị riêng khối lượng CNG cao (khoảng 10%) so với nhiên liệu lỏng thông thường Cùng hiệu suất nhau, suất tiêu hao nhiên liệu (tính theo khối lượng) động dùng CNG giảm chừng lần TSOT CNG cao so với xăng, động chuyên dụng, công suất, tính gia tốc tốc độ tiết kiệm tô CNG tốt ô tô dùng động xăng Do q trình cháy CNG có đặc điểm hơn, nên ô tô sử dụng động CNG hoạt động hiệu so với ô tô xăng, làm tăng tuổi thọ cho ô tô Ở ô tô làm việc nặng động sử dụng CNG ồn so với động diesel Mặc dù CNG khí đốt, phạm vi cháy hẹp, làm cho nhiên liệu an tồn Mức độ an tồn tơ CNG ngang hàng với tơ xăng Khi bị tràn ngồi tai nạn, CNG khơng gây hại cho đất nước, khơng độc Khả phân tán CNG nhanh, giảm tối thiểu nguy hiểm cháy nổ liên quan đến xăng c) Sự nhiễm khí thải sử dụng CNG làm nhiên liệu Cũng loại nhiên liệu khác, đặc điểm phát sinh ô nhiễm động dùng CNG liên quan đến thành phần hydrocarbure nhiên liệu, ( thường nhiên liệu CNG chứa 90% methane) Khác với động xăng, khí xả động CNG khơng có hydrocarbure có nguyên tử cacbon, đặc biệt khơng có diện thành phần hydrocarbure thơm Liên quan đến vấn đề tạo ozone hạ tầng khí quyển, khí thải động CNG có hoạt tính thấp động xăng đến hai lần tính chất chủ yếu nhiên liệu CNG chứa phần lớn methane, thành phần chất hoạt tính (butenes, buta-1, 3diene, xylenes) thấp bỏ qua Mặt khác, nhiên liệu CNG không gây trở ngại xúc tác ba chức thành phần lưu huỳnh trường hợp lỏng Tuy nhiên ôxy Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp tơ INNOVA hóa methane cịn lại khí xả khó khăn Muốn loại trừ chất cần sử dụng xúc tác đặc biệt Bảng – Mức độ phát ô nhiễm động dùng CNG Chất ô nhiễm Mức độ CO (g/mile) 0,655 HC tổng 0,230 HC không methane 0,016 NOX (g/mile) 0,112 CO2 (g/mile) 226,6 Tiêu thụ nhiên liệu 28,5 Hoạt động độc lập 175 Bảng – cho vài ví dụ liên quan đến mức độ phát ô nhiễm ô tô vận tải sử dụng CNG.Chúng ta nhận thấy, mức độ CO bồ hóng thấp.Mức độ HC đơi lúc gần với giá trị cho phép luật môi trường, chứa phần lớn methane (khoảng 90%), lại thành phần khác thấp Còn mức độ phát sinh NOX khí xả động CNG có nồng độ NO X thấp động làm việc với α = có lắp xúc tác chức Nồng độ cao chút nằm giới hạn cho phép dùng hỗn hợp nghèo Những phiền phức đặc biệt động diesel (ồn, hơi, khói đen …) giảm nhiềuđối với động CNG Mức độ ồn giảm khoảng db động hoạt động không tải với ô tô bus thành phố Về mùi hôi, chất phụ gia chứa lưu huỳnh để phát dò rỉ thêm vào nhiên liệu với thành phần thấp (20 hay 25mg/m 3) nên bị đốt cháy hồn tồn Vì nên khí xả động CNG so với khí xả động diesel Về ảnh hưởng khí thải động sử dụng CNG đến hiệu ứng nhà kính, Methane CO2 N2O khí gây hiệu ứng nhà kính cách trực tiếp ta quan tâm đến việc nghiên cứu ảnh hưởng việc động CNG đến việc nóng lên bầu khí Bảng – So sánh mức độ phát sinh khí gây hiệu ứng nhà kính động dùng xăng, diesel, CNG (gCO2/Km), theo chu trình ECE xăng Diesel CNG Trước xúc tác 356 281 267 Sau xúc tác 310 251 231 Trong thực tế động CNG phát sinh CO so với động nhiên liệu lỏng Vì vậy, lượng chất khí gây hiệu ứng nhà kính khí xả động CNG thấp khoảng 25% so với động xăng 5% so với động Diesel Do việc sử dụng Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp ô tô INNOVA CNG làm giảm đáng kể lượng khí gây hiệu ứng nhà kính phạm vi tồn cầu Nhìn chung, động dùng CNG có nhiều hứa hẹn ô tô hoạt động thành phố hay vùng ven đơ, khu vực mà tình trạng nhiễm môi trường phương tiện vận hành gây ngày trở nên trầm trọng Ở số khu vực giới, người ta bắt đầu sử dụng CNG cho ô tô chạy thành phố Các quốc gia Mỹ, Ý, Canada, Hà lan …đã xây dựng sở hạ tầng phục vụ cho việc phát triển tơ dùng nhiên liệu khí Sự phát triển CNG diễn với số điều kiện Trước hết nhiên liệu cần cho thấy tính ưu việt chắn so với nhiên liệu cạnh tranh nhiên liệu khí hóa lỏng LPG Mặt khác, người ta tiếp tục nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí giải pháp kĩ thuật xử lí nhiễm khí xả động nhiên liệu lỏng không cải thiện so với yêu cầu luật môi trường Cuối cùng, nhiên liệu khác, thâm nhập CNG đòi hỏi: + Chính sách thuế khuyến khích người sử dụng + Cơ sở hạ tầng phục vụ việc cung cấp CNG cho ô tô + Giải vấn đề tâm lí người sử dụng liên quan đến tính an tồn ô tô dùng CNG 1.3 Các phương án cung cấp khí CNG cho động đốt CNG cung cấp vào động dạng khí Hệ thống phun nhiên liệu khí vào đường nạp nhờ độ chân khơng họng Venturi hòa trộn dùng phổ biến Tuy nhiên, hệ thống phun nhiên liệu nghiên cứu áp dụng thể nhiều ưu điểm phun khí đường nạp đặc biệt phun khí trực tiếp vào buồng đốt 1.3.1 Cung cấp khí CNG cho động sử dụng hịa trộn Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí sử dụng hịa trộn có nhiều dạng khác nhau, CNG thường sử dụng dạng sơ đồ sau 10 Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp ô tô INNOVA v k  0,833 2.10902,902 1,2 vk=112,290 [m/s] + Lưu lượng khơng khí qua họng: Gk   vVh ni  k [kg/s] 120 Gk  0,7954.0,4996 [5-6] 5600.4 1,2  0,08901 [kg/s] 120.1000 + Đường kính xác họng: dh  4Gk [m]  vk  k [5-7] dh  4.0,08901 3,14.112,290.1,2 dh = 0,0290 [m] Chọn dh = 29 [mm] + Tính đường kính lỗ phun CNG Ta chọn họng hịa trộn loại trực giao có nhiều lỗ phun với số lỗ phun ta chọn là: n = 10 [lỗ] Lượng nhiên liệu qua lỗ phun đầy tải: Gnl1 = Gnl 0,004 = = 0,0004 [Kg/s] 10 n Mặt khác ta có: Gnl1 =Fnl1.Vnl1.nl [5-8] Trong : Fnl1: Diện tích tiết diện qua lỗ Vnl1: Tốc độ dòng nhiên liệu qua lỗ nl: Khối lượng riêng nhiên liệu Ta có: Vnl1 = 2.P  nl [5-9] Trong đó: P : Độ chênh lệch áp suất trước sau lỗ phun Muốn xác định Vnl1 ta phải xác định P 60 Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp ô tô INNOVA Gnl1 Pr dnl1 Ph Hình – Sơ đồ tính tốn đường kính lỗ phun = Pr – Ph Ta có: Pr = 0,8 ÷ 1,5 bar Ta chọn Pr = bar = 105 [N/m2] P P = Pr – ( Pk – Ph ) = 105 – (0,1.106 – 1,0902.104) = 1,0902.104 [N/m2] Vậy: Vnl1 = 2.1,0902.10 0,706 = 175.57 [m/s] Suy ra: dnl1 = 4.Gnl1 =  Vnl1  nl 4.0,0004 3,14.175,57.0,706 = 0,0020 [m] [5-10] dnl1 = 2,0 [mm] Khi thiết kế ta chọn dnl1 = [mm] 5.2 Tính tốn tiết lưu mạch cung cấp Để tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ, đường cấp nhiên liệu cho động ta tách thành hai đường riêng biệt: + Mạch cung cấp + Mạch cơng suất Mạch cung cấp đảm bảo cho động hoạt động bình thường chế độ tải nhỏ tải vừa Còn động hoạt động tải lớn tồn tải động cấp thêm nguồn nhiên liệu từ mạch công suất để đảm bảo động phát công suất tối đa Để điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp từ mạch ta điều chỉnh tiết diện dòng nhiên liệu qua cấu tiết lưu trước vào hoà trộn Theo thiết kế, động hoạt động tồn tải mạch cung cấp 80% lượng nhiên liệu mạch công suất cung cấp 20% lượng nhiên liệu cần cung cấp cho động 61 Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp ô tô INNOVA 49 24 R6 35 Ø7 18 Ø10 16 26 Ø12x10 Ø8 Hình – Kết cấu tiết lưu mạch 1: Đầu tiết lưu; 2: Rãnh điều chỉnh vít cơn; 3: Vít cơn; 4: Đai ốc hãm vít cơn; 5: Đầu vào tiết lưu Ta có quan hệ tiết diện lưu thơng, lưu lượng vận tốc dịng khí q trình chuyển động sau: f  Qmc [m2] Vnl [5-11] Trong đó: f : Tiết diện lưu thơng dịng khí Qmc: Lưu lượng khí CNG mạch [m3/s] Vnl: Vận tốc dịng nhiên liệu [m/s], Vnl = 168,31 [m/s] Ta có: Qmc = 0,8.Gnl = 0,8 0,0046  2,72  10 5 168,31  f  20,639 = 0,0046 [m3/s] 3600 [m2] Mặt khác ta có: f   D [5-12] Suy ra: D f  D 4.2,72.10 5 3,14 [m] D  5,9 [mm] Khi thiết kế tiết lưu ta chọn đường kính lỗ vào D  [mm] D  0,0059 62 Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp tơ INNOVA h l  R r a x Hình – Sơ đồ tính tốn vít Trong sơ đồ trên: R: Bán kính lỗ vào, ta chọn R = 3,5 [mm] h: Đường kính lỗ ra, ta chọn h = [mm] l: Chiều rộng khe hở tính tốn tiết diện lưu thơng Ta cần tính tốn kích thước l,r để từ tính diện tích xung quanh hình nón cụt giới hạn kích thước bán kính đáy lớn R, bán kính đáy nhỏ r đường sinh l Diện tích tiết diện lưu thơng nhỏ cần tính cho tiết lưu động làm việc chế độ tồn tải Ta có: l = h.sinα x = h.cosα a = x.sinα = h.cosα.sinα r = R – a = R – h.cosα.sinα Ta có cơng thức tính diện tích xung quanh Fxq hình nón cụt sau: Fxq = π(R + r)l Từ số liệu ta suy ra: Fxq = π(2R – h.cosα.sinα) h.sinα = 2πRhsinα – πh2sinα2cosα = 2.3,14.3,5.8.sinα – 3,14.82 sinα2cosα [mm2] = 175,84 sinα – 209,96 sinα2cosα [mm2] Ta có: Fxq  f  2,72  10 5 [m2] = 27,2 [mm2]  175,84 sinα – 209,96 sinα2cosα = 27,2 Giải phương trình ta có: α = 14o 63 Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp tơ INNOVA Sau tính tốn ta có kích thước chốt tiết lưu 10 Ø10 Ø2 Ø7 Ø12 36 Hình – Kích thước chốt tiết lưu 5.3 Tính tốn ziclơ mạch cơng suất Ziclơ mạch cơng suất có nhiệm vụ hạn chế dòng nhiên liệu ống dẫn nhằm cung cấp lượng nhiên liệu cần cung cấp qua mạch công suất Hình – Hình vẽ chi tiết mạch công suất 1: Ống dẫn nhiên liệu; 2: Ziclơ; 3: Van công suất; 4: Đầu lắp vào hoà trộn Theo thiết kế, động hoạt động tồn tải mạch cung cấp 80% lượng nhiên liệu mạch công suất cung cấp 20% lượng nhiên liệu cần cung cấp cho động Lưu lượng lưu thông qua ziclơ động hoạt động tồn tải là: Ta có: Qgl = 0,2.Gnl = 0,2 20,639 = 0,00115 [m3/s] 3600 Vậy tiết diện lưu thơng dịng nhiên liệu qua ziclơ là: f gl  Qgl Vnl [m2] Đường kính ziclơ mạch công suất là: dnl1 = 4.Qgl  Vnl1 = 4.0,00115 3,14.168,31 = 0,003 [m] = [mm] 64 Ø10 Ø5 Ø3 Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp ô tô INNOVA 25 Hình – Kết cấu ziclơ mạch cơng suất Phương pháp lắp đặt bố trí hệ thống nhiên liệu khí CNG tơ INNOVA Mục đích việc bố trí hệ thống cung cấp CNG lên ô tô INNOVA nhằm tạo thêm hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động hoạt động độc lập so với hệ thống nhiên liệu nguyên thuỷ Nhằm đa dạng hố nguồn nhiên liệu, giảm thiểu nhiễm môi trường, tăng khả dự trữ nguồn lượng cho động Yêu cầu lắp đặt hệ thống CNG lên xe không làm ảnh hưởng đến hệ thống nhiên liệu nguyên thủy Các phận hệ thống CNG lắp xe vị trí thuận lợi cho việc tháo, lắp, bảo trì sửa chữa Khơng làm tính ổn định tính an toàn xe vận hành 6.1 Sơ đồ bố trí 10 11 12 13 A A Hình – Sơ đồ bố trí hệ thống nhiên liệu khí CNG tơ INNOVA 1: Van bình chứa; 2: Van nạp; 3: Bình chứa khí; 4: Giá đặt bình chứa; 5: Công tắc chuyển đổi; 6: Van điện từ; 7: Két làm mát; 8: Bộ giảm áp; 9: Van điện từ giảm áp; 10: Van không tải; 11: Bầu lọc khơng khí; 12: Bộ hồ trộn; 13: Van cơng suất Trong q trình lắp đặt hệ thống CNG lên xe, vấn đề khó khăn chọn vị trí lắp đặt bình chứa CNG Để bố trí bình chứa CNG tơ ta chọn phương án sau 65 Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp ô tô INNOVA + Bố trí trần tơ + Bố trí gầm tơ + Bố trí khoang hành lý Đặc điểm kiểu bố trí bình chứa + Đối với phương án bố trí trần tô: Do đặc điểm kết cấu trần ô tô làm vật liệu tôn với chiều dày mỏng nên bố trí bình chứa vị trí không đảm bảo đủ độ bền Mặt khác ô tô INNOVA loại ô tô du lịch ta bố trí bình chứa trần làm giảm tính thẩm mỹ tơ + Đối với phương án bố trí gầm tơ: Kết cấu bình chứa CNG loại bình hình trụ có chiều dài 800mm, đường kính bình 310 mm Nên bố trí bình chứa gầm xe làm giảm khoảng sáng gầm xe vận hành làm giảm tính an tồn khả động ô tô + Đối với phương án bố trí khoang hành lý Khoang hành lý có bề rộng 500 mm nên ta bố trí bình chứa Đặc điểm phương án bố trí khoang hành lý dễ dàng lắp tháo bình cần thiết Từ phân tích trên, ta chọn phương án bố trí bình chứa CNG khoang hành lý ô tô * Phương pháp gá đặt bình chứa CNG khoang hành lý + Chọn số bình chứa cần lắp đặt lên xe Khối lượng khí chứa bình là: G P.V R.T Trong đó: G: Khối lượng khí [Kg] P: Áp suất bình chứa [N/m2] V: Dung tích bình chứa [m3] R: Hằng số chất khí [J/Kg.K] R R   8314   : Phân tử lượng môi chất  CNG = 0,0404  C H + 0,9  CH + 0,02  C 3H + 0,0014  C H + 0,033 N2  CNG = 0,0404.30 + 0,9.16 + 0,02.44 + 0,0014.28 + 0,033.28 = 17,5 Ta có: G  17,5.200.10 5.57.10 3 = [Kg] 8314.300 66 Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp ô tô INNOVA Thời gian chạy động bình khí chế độ tồn tải là: t G = 0,004.3600 = 0,56 [h] G nl Vậy ta sử dụng bình để cấp cho tơ thời gian phải nạp lại nhiên ngắn hiệu sử dụng khơng cao Do ta sử dụng nhiều bình để cấp cho động tuỳ thuộc vào khơng gian khoang hành lý Ta chọn đồng thời dùng hai bình để cấp cho động Do bề rộng khoang hành lý hẹp ta khơng thể đặt hai bình dọc song song mà ta phải đặt chồng hai bình lên Với kiểu bố trí hai buồng đặt chồng lên địi hỏi đồ gá đặt phải có kết cấu chắn để giữ bình chứa ổn định trình vận hành xe A-A A A 655 490 800 20 310 500 Hình – Sơ đồ gá đặt bình chứa xe 1:Bình chứa; 2: Bu lơng định vị bình chứa giá; 3: Tấm đệm cao su; 4: Giá đỡ bình; 5: Bu lơng định vị giá đỡ với xe; 6: Van bình chứa 6.2 Các triệu chứng hư hỏng hệ thống nhiên liệu CNG biện pháp kiểm tra khắc phục 6.2.1 Động khó khơng khởi động a) Ngun nhân: + Khơng có khí CNG: Bình chứa hết khí rị rĩ đường ống chi tiết hệ thống + Ống dẫn nhiên liệu bị tắc + Van giảm áp giảm áp bị kẹt làm nhiên liệu không cấp vào giảm áp + Hỗn hợp nhạt thiếu CNG b) Biện pháp kiểm tra khắc phục 67 Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp tô INNOVA + Kiểm tra đồng hồ báo nhiên liệu xem có cịn CNG hay khơng Nếu hết ta nạp vào Nếu bình chứa cịn mà khơng có nhiên liệu cấp cho động ta kiểm tra dọc đường ống dẫn xem có bị rị rĩ hay bị dập khơng sau Sửa chữa thay đoạn ống bị hỏng + Kiểm tra độ mở tiết lưu khơng tải nhỏ q ta điều chỉnh lại cho phù hợp 6.2.2 Tiêu thụ nhiều nhiên liệu a) Nguyên nhân + Tốc độ không tải cao + Tiết diện lưu thông nhiên liệu qua mạch cấp hệ thống lớn b) Biện pháp kiểm tra khắc phục + Tốc độ không tải cao tiết lưu mạch không tải điều chỉnh độ mở lớn, để khắc phục tượng ta điều chỉnh vít tiết lưu khơng tải để chỉnh lại độ mở + Điều chỉnh vít tiết lưu mạch để hạn chế bớt tiết diện lưu thông nhiên liệu qua mạch 6.2.3 Động cơng suất tốc độ cao, gia tốc a) Nguyên nhân + Mạch ga bị nghẽn + Van công suất không mở + Tiết diện lưu thơng qua mạch nhỏ b) Biện pháp kiểm tra khắc phục + Van công suất khơng làm việc khơng có nguồn điện cấp vào van bị kẹt Do ta kiểm tra mối đấu dây xem có lỏng hay khơng, lỏng ta đấu chặt lại Van bị kẹt lò xo bị kẹt với chốt dẫn hướng van, ta tháo sửa chữa 6.3 Quy trình kiểm tra lắp đặt giảm áp + Kiểm tra tất phận nhựa, thay hư + Kiểm tra đệm áp suất cao (B) vịng đệm kín (A), đặt vịng cẩn thận theo khe rảnh + Chỉ dùng tay để chèn bệ đệm (B), không sử dụng dụng cụ khác, khơng nén vịng đệm (A) Vặn nồi chứa (C) vị trí + Kiểm tra xem van đẩy pittơng (D) có trượt tự nồi chứa (C) + Lắp ráp lại 68 Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp ô tô INNOVA Khi lắp ráp buồng giảm áp thứ cần ý: + Khi lắp lại nắp chặn (2) cẩn thận với vành màng (3) Vặn đai ốc (1) vừa đủ lực để màng (3) đủ ép chặt vào vành (2) Khi lắp buồng giảm áp thứ hai cần ý: + Màng (1) phải gắn chặt vào đĩa chặn (2) với lực phù hợp + Phải chắn màng (1) đặt đồng tâm với đế van (4), định vị với ống (5) đĩa bảo vệ (6) + Thay vòng đệm (8) piston van điện từ Khi lắp lại nắp đậy (7) phải đảm bảo lò xo lắp vào xác 69 Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp tơ INNOVA + Lắp đặt lại lị xo áp suất thấp tâm cách bu lông bắt chặt màng giảm áp khoảng 1mm mà không uốn cong lò xo + Lắp lại đòn bẩy áp suất thấp kiểm tra chiều cao dẫn 70 Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp ô tô INNOVA + Để lắp ráp lại màng áp suất thấp, gắn chặt lị xo thích hợp vào địn bẩy áp suất thấp, ý không đặt phần cong vào màng bơm áp suất thấp * Chạy thử Khi giảm áp hoàn thành kiểm tra kỹ trước lắp ráp xe, điều kiện cần thiết để kiểm tra phận sau + Nối van điều khiển với điện áp 12 DC gắn chặt vít điều chỉnh chạy khơng tải + Nối khí nén với cửa nạp khí + Kiểm tra mối nối CNG bịt kín xà phịng nước + Đảm bảo khơng có rị rỉ buồng hỗn hợp khí nén buồng chứa nước nóng (tối đa 0,1 bar) Kiểm tra xem khơng có lỗ thủng ,dùng xà phòng nước Bộ giảm áp phải lắp ráp cách chắn vào phận thân phương tiện Điều đảm bảo khơng có dịch chuyển chúng Vị trí giảm áp phải tuân theo điều kiện sau: 71 Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp tơ INNOVA + Nó phải đặt mặt phẳng, điều cho phép ta dễ dàng hỗ trợ bố trí giá đỡ nhằm giúp cho rung động phương tiện không làm dao động áp suất buồng giảm áp Bộ giảm áp không đặt xa so với hoà trộn phép phương tiện hoạt động tốt thời điểm khởi động Kết luận Với đề tài “Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp tơ INNOVA”, em hồn thành số nội dung là: + phương án cung cấp khí CNG cho động đốt + Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho đơng 1TR-FE + Tính tốn số chi tiết hệ thống: Bộ hoà trộn, Tiết lưu Do điều kiện tính tốn nằm mức độ lý thuyết mà không kiểm định thực tế nên không tránh khỏi sai sót nội dung đề tài có giá trị định làm tiền đề cho đề tài sau hoàn thiện ứng dụng thực tế Cũng từ tính tốn lý thuyết ta nhận thấy vấn đề khó khăn động sử dụng khí thiên nhiên CNG lắp phương tiện giao thông vấn đề chứa nhiên liệu Do trạng thái CNG chứa bình nén với áp suất cao nên 72 Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp ô tô INNOVA khả chứa nhỏ khơng gian chứa nhiên liệu khối lượng bình chứa lớn nhiều so với nhiên liệu lỏng nên khơng gian bố trí bình nhiên xe khó khăn Qua đề tài em bổ sung kiến thức chuyên nghành động đốt Cũng qua đề tài em nâng cao khả công nghệ thông tin phục vụ hữu ích cho cơng việc sau Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo môn, đặc biệt thầy giáo hướng dẫn Nguyễn Quang Trung tận tình hướng dẫn em suốt trình làm đồ án tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]: Nguyễn Văn Bình, Nguyễn Tất Tiến ‘ ‘Nguyên lý động đốt trong’’ Nhà xuất giáo dục, năm 1994 [2]: Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất Tiến ‘‘ Kết cấu tính tốn động đốt tập 3’’ Nhà xuất Đại học Trung học chuyên nghiệp, năm 1979 [3]: Bùi Văn Ga, Văn Thị Bông, Phạm Xuân Mai, Trần Thanh Hải Tùng ‘‘Ơ tơ nhiễm mơi trường’’ Nhà xuất giáo dục 1999 [4]: Nguyễn Quang Trung: ‘‘Giáo trình mơn học nhiên liệu vật liệu bơi trơn’’ 73 Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR-FE lắp ô tô INNOVA [5] Ts Trần Thanh Hải Tùng “Bài giảng tính tốn động đốt trong” Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ Khí Giao Thơng, ĐHBKĐN [6]: Địa chỉ: www.omnitekcorp.com Tháng năm 2009 [7] : www.autoshop101.com Tháng năm 2009 74 ... Rơto Thiết kế tổng quát hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR- FE lắp ô tô INNOVA 3.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu CNG Ta sử dụng nhiên liệu CNG cho động 1TR- FE lắp ô tô INNOVA theo kiểu hệ thống. .. liệu cung cấp cho xi lanh động Việc khống chế lưu lượng CNG nạp vào xi lanh thực nhờ vi xử lí 14 Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR- FE lắp ô tô INNOVA 1.3.4 Cung cấp CNG cho động. .. biến ơxy 2.2.4 Hệ thống kiểm sốt khí xả Hệ thống kiểm sốt khí xả giúp hạn chế lượng khí thải có hại cho người 21 Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động 1TR- FE lắp ô tô INNOVA môi trường Hình