2.2.1.1. Vị trí lắp vòi phun
Khí HHO được sản xuất từ hệ thống trong (hình 2.2) và được cấp vào động cơ xe máy qua vòi phun. Dựa vào kết quả tính toán mô phỏng bằng phần mềm AVL- BOOST, vị trí thích hợp để lắp vòi phun được xác định.
Để bổ sung khí HHO vào động cơ, trên đường nạp, sau bộ chế hòa khí khoan 2 lỗ đường kính 5mm lệch nhau 180o, lỗ thứ nhất lắp ống bổ sung thêm không khí cách bộ chế hòa khí 20mm, lỗ thứ hai cách bộ chế hòa khí 30mm lắp vòi phun khí HHO (hình 2.2).
HV: Nguyễn Công Hùng 16 MSSV: CA120132
Hình 2.2: Vị trí lắp vòi phun khí HHO
2.2.1.2. Van giảm áp
Trong thực tế chưa có thiết kế riêng cho khí HHO, tuy nhiên do tính chất vật lý gần tương đồng, trong những thử nghiệm này có thể sử dụng một số thiết bị từ hệ thống phun LPG cho hệ thống dùng khí HHO. Van giảm áp của hệ thống LPG cũng được dùng làm van giảm áp cho khí HHO. Khí HHO qua van giảm áp được điều chỉnh thông qua van tiết lưu 3 (hình 2.3). Việc điều chỉnh độ mở của van tiết lưu được thực hiện thông qua cơ cấu tay vặn 1. Khi ta vặn tay vặn 1 theo chiều giảm áp, lò xo của tay vặn 1 kéo màng cao su 2 đi xuống, qua đó đóng kín dần cửa van tiết lưu 3 và do đó áp suất của khí HHO đi vào động cơ giảm. Nếu vặn theo chiều ngược lại thì áp suất khí HHO đi vào động cơ tăng.
Hình 2.3: Kết cấu van giảm áp
HV: Nguyễn Công Hùng 17 MSSV: CA120132
2.2.1.3. Van điện từ
Van điện từ có cấu tạo gồm 1 cuộn hút (hình 2.4), một lõi sắt và một lò xo nén vào lõi sắt. Bình thường khi không có dòng điều khiển thì lò xo ép vào lõi sắt, van ở trạng thái đóng, khi có dòng điều khiển từ bộ điều khiển, cuộn hút được cung cấp nguồn 24V và sinh từ trường để hút lõi sắt, từ trường này đủ mạnh thắng được lực nén của lò xo làm mở van, khí HHO được cấp đến vòi phun.
2.2.1.4. Vòi phun
Sử dụng vòi phun khí LPG để làm vòi phun khí HHO. Khi chưa có dòng điện chạy qua cuộn dây của nam châm điện, lò xo ép kim phun xuống đế. Lúc này vòi phun ở trạng thái đóng kín (hình 2.5).
Nguyên lý hoạt động của vòi phun như sau: Khi có dòng điện kích thích, nam châm điện sẽ hút lõi từ, kim phun được nâng lên khoảng 0,1mm.
Nhiên liệu sẽ được phun qua tiết diện hình vành khuyên có kích thước hoàn toàn xác định. Việc đóng mở kim phun của vòi phun khí HHO kiểu điện từ bằng cách thay đổi dòng điện tác dụng lên cuộn dây của vòi phun. Nếu độ chênh áp trước và sau lỗ phun được duy trì không đổi thì lượng nhiên liệu cung cấp chỉ phụ thuộc vào thời gian mở
Hình 2.5: Vòi phun khí HHO
HV: Nguyễn Công Hùng 18 MSSV: CA120132 kim phun hay phụ thuộc vào độ rộng xung phun được tính toán bởi EHC tuỳ thuộc vào các chế độ làm việc cụ thể của động cơ.
Trên (hình 2.6) thể hiện động cơ thử nghiệm có lắp thêm vòi phun bổ sung khí HHO và van bổ sung thêm không khí.
Hình 2.6: Lắp vòi phun khí HHO và van bổ sung thêm không khí 2.2.2. Kiểm tra lưu lượng phun khí HHO
Lưu lượng nhiên liệu khí HHO phun vào động cơ được tính dựa trên độ chênh áp trước và sau vòi phun, thời gian mở vòi phun trong một chu kỳ làm việc của động cơ và đặc trưng của vòi phun.
Áp dụng công thức Becnuli cho dòng khí trước và sau vòi phun (bỏ qua ảnh hưởng của tổn thất): 2 2 1 1 2 2 1 2 2. 2. p v p v Z Z g g (1.1) Trong đó:
Z1, p1, v1- lần lượt là độ cao, áp suất và vận tốc của dòng khí trước vòi phun Z2, p2, v2 -lần lượt là độ cao, áp suất và vận tốc của dòng khí sau vòi phun Coi vòi phun đặt nằm ngang, khi đó có: Z1= Z2
Từ phương trình (1.1) ta có: 2 2 2 1 2 p v v (1.2)
HV: Nguyễn Công Hùng 19 MSSV: CA120132 p0, pHHO-áp suất trước và sau voi phun khí HHO
- khối lượng riêng trung bình của khí HHO: 3
0,54kg m/
áp dụng phương trình dòng liên tục: Q1=Q2
v2F2 = v1F1 (F1,F2: tiết diện mặt cắt trước và sau vòi phun)
2 2 1 2 2 2 1 1 3, 42 0,117 10 v F D v F D
thay vào phương trình 1.2 ta có:
2 2. 0,9863. p v
Lưu lượng khí HHO lưu thông qua vòi phun trong 1 giây là: QHHO = v2F2 = 2 3 2 . 2. . ; , 0,9863. 4 D p m s với D2 = 3,42.10 -3m (1.3) QHHO = 2 2 . 2. . . ; 0,9863 4 D p kg s (1.4)
Thời gian phun khí HHO vào động cơ trong kỳ nạp được điều khiển từ bộ điều khiển EHC(Electronic HHO Control). Để đảm bảo cho sự an toàn và tính ứng dụng của khí HHO trên động cơ sau khi thử nghiệm xong không cần lưu chứa khí HHO trong bình LPG mà chỉ sản suất ra và đưa vào sử dụng ngay. Vì vậy, chọn thời gian phun khí HHO trong 2 giây được trình bày trong (bảng 2.2).
Bảng 2.2: Lưu lượng khí HHO phun vào động cơ trong kỳ nạp
Áp suất phun khí HHO 0,3 bar Áp suất phun khí HHO 0,5 bar 1,05.10-6 kg/s 1,36.10-6 kg/s
2.3. Bộ điều khiển hệ thống cung cấp khí HHO
Bộ điều khiển hệ thống cung cấp khí HHO gồm các khối mạch: khối nguồn, khối ghi nhận tín hiệu từ cảm biến, khối vi xử lý, khối điều khiển cơ cấu chấp hành và khối kết nối với máy tính. Khối tín hiệu từ cảm biến cho phép tính toán được lượng khí HHO theo các chế độ làm việc của động cơ. Sau khi vi xử lý tính toán lượng nhiên liệu sẽ đưa ra tín hiệu xung để mở vòi phun khí HHO. Lượng nhiên liệu đi vào động
HV: Nguyễn Công Hùng 20 MSSV: CA120132 cơ được xác định thông qua thời gian mở vòi phun, áp suất phun và tiết diện lưu thông của vòi phun. Trong quá trình nghiên cứu, việc thay đổi lượng khí HHO để tìm ra tỷ lệ tối ưu giữa khí HHO và xăng được thực hiện thông qua khối kết nối giữa máy tính và bộ điều khiển điện tử EHC (Electronic HHO Control) (hình 2.7).
Hình 2.7: Bộ EHC điều khiển hệ thống nhiên liệu phun khí HHO
Bộ EHC điều khiển hệ thống nhiên liệu khí HHO kết nối với máy tính hiển thị các thông số của các cảm biến trên máy tính, cũng như để điều chỉnh được lượng khí HHO vào trong động cơ... Công việc truyền thông giữa máy tính và vi xử lý này được thực hiện thông qua bộ truyền nhận nối tiếp UART RS-232 .
Truyền thông qua cổng RS-232 là kiểu truyền thông phổ biến nhất khi sử dụng vi điều khiển giao tiếp với thiết bị ngoại vi. RS-232 là cổng truyền nối tiếp không đồng bộ với dữ liệu được truyền nhận theo từng bit nối tiếp nhau.
Máy tính cung cấp 2 cổng nối tiếp COM1 và COM2. Các cổng này giao tiếp theo tiêu chuẩn RS-232. Cổng này truyền dữ liệu dưới dạng nối tiếp theo một tốc độ do người lập trình quy định (thường sử dụng 9600 hoặc 19200 bps). Loại truyền này có khả năng dùng cho những khoảng cách lớn. Cổng nối tiếp chuẩn RS-232 không phải là một hệ thống bus, do đó nó cho phép dễ dàng tạo ra liên kết dưới hình thức điểm giữa hai máy cần trao đổi thông tin với nhau. Chiều dài dữ liệu truyền đi có thể là 7 hoặc 8 bit và kèm theo các bit start, stop, parity để tạo thành một khung truyền (frame). Do việc truyền dữ liệu là nối tiếp nên tốc độ truyền bị hạn chế do đó nó thường không được sử dụng trong những ứng dụng cần tốc độ truyền cao.
HV: Nguyễn Công Hùng 21 MSSV: CA120132 Cổng nối tiếp của vi điều khiển không thể ghép nối trực tiếp với cổng nối tiếp của PC. Lý do là các tín hiệu trên đường truyền RS-232 là tín hiệu hai cực có biên độ nằm trong khoảng +12V đến -12V, trong khi vi điều khiển ATMega32 chỉ có thể xử lý các tín hiệu có mức tín hiệu tương thích 0 đến 5V. Thông thường thì tín hiệu trên đường truyền RS-232 được lấy đảo. Tức là khi máy tính PC muốn một mức logic “0” thì điện áp trên đường truyền RS-232 sẽ là +12V, còn khi muốn mức logic “1” thì điện áp trên đường truyền là -12V. Như vậy để tương thích mức logic và điện áp giữa PC và vi điều khiển thì việc trang bị một bộ nhận và đệm đường truyền RS-232 là cần thiết. Bộ nhận và đệm đường truyền RS-232 được dùng phổ biến nhất là loại MAX232 của công ty Maxim. Vi mạch MAX232 này nhận mức RS-232 đã được gửi tới từ máy tính và biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu sao cho tương thích với vi điều khiển ATMega32 và nó cũng thực hiện ngược lại là biến đổi tín hiệu của vi điều khiển thành mức +12V, -12V để cho phù hợp với hoạt động của máy tính. Giao tiếp theo cách này, khoảng cách từ máy tính đến thiết bị ngoại vi có thể đạt tới trên 20m.
Ưu điểm của giao tiếp này là có khả năng thiết lập tốc độ truyền thông. Khi có dữ liệu từ máy tính được gửi đến vi xử lý ATMega32 qua cổng COM thì dữ liệu này sẽ được đưa vào từng bit (nối tiếp) của thanh ghi UART.
Chương trình truyền thông giao tiếp giữa PC và vi xử lý được viết bằng Delphi với những nhiệm vụ chính sau:
- Nhận dữ liệu từ vi điều khiển để hiển thị các thông số làm việc của động cơ như tốc độ, lưu lượng, nhiệt độ, vị trí chân ga...
- Truyền dữ liệu từ máy tính xuống vi xử lý để đóng mở các van điện từ, thay đổi lượng nhiên liệu phun...
Giao diện điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu khí HHO để hiển thị các thông số của các cảm biến và điều chỉnh lượng nhiên liệu phun, thay đổi thời điểm phun, bật tắt các công tắc,... trong quá trình thử nghiệm thì bộ điều khiển EHC phải được điều khiển từ máy tính. Trong đề tài, việc kết nối bộ điều khiển với máy tính được thực hiện bằng phần mềm kết nối Delphi. Với giao diện xây dựng trên phần mềm cho phép người thực hiện thay đổi được các thông số theo mục đích đặt ra (hình 2.8).
HV: Nguyễn Công Hùng 22 MSSV: CA120132
Các tính năng chính của giao diện:
- Điều chỉnh lượng nhiên liệu phun khí HHO trong 1 chu trình bằng cách điều khiển thời gian phun.
- Điều chỉnh thời điểm phun khí HHO.
- Thu nhận tín hiệu từ các cảm biến như: tốc độ động cơ, lưu lượng khí nạp, nhiệt độ khí nạp, áp suất phun khí HHO, lượng nhiên liệu HHO cung cấp...
- Các chức năng đóng mở van điện từ và đóng mở vòi phun
- Thực hiện quá trình đo và ghi lại kết quả trung bình của phép đo trong thời gian của phép đo, do người thử nghiệm đặt trên giao diện.
HV: Nguyễn Công Hùng 23 MSSV: CA120132
2.4. Cảm biến đo tốc độ động cơ
Tín hiệu vòng quay cho bộ điều khiển nhận biết tốc độ động cơ và được sử dụng trong quá trình tính toán lượng nhiên liệu phun khí HHO vào đường ống nạp, ngoài ra còn được sử dụng để tính toán thời điểm phun.
Trên trục quay của trục cam có gắn 1 vấu sắt, còn cảm biến là một cuộn dây quấn trên một lõi nam châm. Khi trục quay làm các vấu cam quét qua cảm biến từ trở mạch từ của cuộn dây biến thiên một cách tuần hoàn làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động có tần số thay đổi tỷ lệ với tốc độ quay (hình 2.9).
Biên độ E của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố là khoảng cách và tốc độ quay. Khoảng cách giữa cuộn dây với vấu sắt chính là khe từ, khoảng cách càng lớn thì biên độ của suất điện động càng nhỏ, thông thường sự thay đổi khoảng cách này không vượt quá 0,2 0,4mm. Tốc độ quay tỷ lệ thuận với biên độ của suất điện động.
Hình 2.9: Nguyên lý của cảm biến tốc độ
2.5. Van bổ sung thêm không khí từ bên ngoài
Van bổ sung thêm không khí có tên gọi là van bi, cấu tạo bên trong có một viên bi đường kính ngoài 12mm, phía trên viên bị liên kết với tay cầm, dùng để đóng van một góc 90o so với thân van. Viên bi được khoan một lỗ có tiết diện 8 mm để cho lưu lượng khí đi qua khi mở van. Trong quá trình thử nghiệm, van bi được mở một góc 45o
HV: Nguyễn Công Hùng 24 MSSV: CA120132
Hình 2.10: Van bi
Tính toán lưu lượng không khí đi qua van bi như sau:
- Do động cơ hoạt động có tính chu kỳ nên lưu lượng không khí qua ống có tính dao động. Lưu lượng khối lượng không khí nạp đi vào động cơ trong kỳ nạp: 2 . í . í . í . í . . . 4 k kh k kh k kh k kh D V Q (kg/s)
Trong đó: k.khí-Khối lượng riêng của không khí trước ống nạp, k.khí=1,11,29 kg/m3; chọn k.khí=1,2 kg/m3
Dk.khí-Đường kính của đường nạp không khí, Dk.khí=1,2mm Vk.khí-Tốc độ không khí đi vào đường nạp, m/s
. í . í . í . í 2. . k kh k kh k kh k kh P V Trong đó: k kh. í-Hệ số tốc độ của họng, k kh. í=0,80,9. Chọn k kh. í=0,8 . í k kh P
-Độ chân không tại họng, Pk kh. í=215 kPa. Chọn Pk kh. í=3kPa
3 . í . í . í . í 2. 2.3.10 . 8, 0. 56,57 / 1, 2 k kh k kh k kh k kh P V m s => 2 5 . í . í . í . í . . . 1, 2.3,14.0, 0012.56,57 7, 7.10 4 4 k kh k kh k kh k kh D V Q (kg/s)
Lưu lượng không khí nạp đi vào động cơ trong kỳ nạp Qk.khí = 7,7.10-5 (kg/s)
2.6. Kết luận chương 2
Nội dung trong phần này đã trình bày về việc lắp đặt hệ thống bổ sung hỗn hợp khí giàu hydro tách từ nước lên động cơ xe máy. Cùng với việc xác định vị trí lắp vòi
HV: Nguyễn Công Hùng 25 MSSV: CA120132 phun và bổ sung không khí, việc chế tạo và lắp bộ điều khiển phun cũng đã được đề cập đến.
Việc nghiên cứu cung cấp khí HHO vào đường nạp động cơ đốt trong nói chung và động cơ xăng nói riêng đang là một hướng nghiên cứu mới, chủ yếu mới dừng lại nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Vì vậy để có thể ứng dụng trên thực tế động cơ được làm giàu bởi khí HHO thì cần thiết phải quan tâm đến nhiều yếu tố như:
1. Xây dựng được bộ điều khiển thời điểm đánh lửa tối ưu ứng với lưu lượng khí HHO bổ sung, vị trí bướm ga, tốc độ động cơ ... để đảm bảo khả năng tận dụng năng lượng của quá trình cháy sinh ra hiệu quả nhất.
2. Xây dựng hệ thống nhiên liệu phun xăng điện tử, tự động cung cấp lượng nhiên liệu ứng với lưu lượng khí HHO, tốc độ, tải trọng ... để động cơ làm việc hiệu quả và phát thải giảm đến mức tối đa.
3. Thiết kế bộ sản xuất khí HHO nhỏ gọn, công suất lớn và lắp lên động cơ, trên phương tiện giao thông vận tải.
4. Cần xây dựng hệ thống cung cấp khí HHO đảm bảo an toàn, chống cháy ngược ở góc trùng điệp do tốc độ cháy của hydro rất nhanh. Bình chứa có khả năng