5. Các nội dung chính trong luận văn
2.1.3. Mô tả hệ thốngcung cấp nhiên liệu nguyên thủy
Hệ thống bao gồm ba khối thiết bị sau:
Các cảm biến có nhiệm vụ ghi nhận các thông số hoạt động của động cơ gồm: + Lưu lượng khí nạp Qa đo qua lưu lượng kế.
+ Tốc độ động cơ N - đo qua cảm biến tốc độ. + Vị trí bướm ga n (pc) - đo qua cảm biến. + Nhiệt độ máy Tm - đo qua nhiệt kế. + Nhiệt độ khí nạp Ta - đo qua nhiệt kế.
+ Điện áp ắcquy Ub - đo qua nhiệt kế (potentiometre).
+ Tín hiệu khởi động động cơ Sd - đo qua công tắc khởi động. + Nồng độ oxy trong khí xả - đo qua cảm biến lambda.
Các tín hiệu của cảm biến được chuyển thành tín hiệu điện.
Bộ xử lý và điều khiển trung tâm ECU (gọi tắt là bộ điều khiển trung tâm) tiếp nhận các tín hiệu dưới dạng tín hiệu điện do các cảm biến truyền tới, chuyển thành tín hiệu số sau đó được xử lý theo một chương trình đã vạch sẵn. Những số liệu khác cần cho việc tính toán đã được ghi trong bộ nhớ của máy tính dưới dạng đồ thị hoặc dạng số.
Các tín hiệu ra của bộ điều khiển trung tâm được khuếch đại và đưa vào khối thứ ba là bộ phận chấp hành (actuateur). Bộ phận này có nhiệm vụ phát các xung điện chỉ huy việc phun xăng cũng như chỉ huy một số cơ cấu thiết bị khác (hồi
Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST
32
lưu khí thải, điều khiển mạch nhiên liệu, mạch khí,...) đảm bảo sự làm việc tối ưu ở mọi chế độ của động cơ.
Thông số Cảm biến Qa N n Tm Ta Ub Sd Lưu lượng kế Cảm biến tốc độ Độ mở bướm ga Nhiệt độ nước Nhiệt độ khí nạp Cảm biến lamda Thông số chuẩn Chấp hành Vòi phun Đến động cơ Nhiên liệu Bình Bơm xăng Lọc xăng Bộ ổn định áp suất
Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST
33
2.2. Nghiên cứu phƣơng pháp cung cấp CNG cho động cơ
2.2.1. Các phương pháp cung cấp CNG
CNG được cung cấp vào động cơ ở dạng khí. Hệ thống phun nhiên liệu khí vào đường nạp nhờ độ chân không tại họng Venturi của bộ hòa trộn được dùng phổ biến nhất. Tuy nhiên, những hệ thống phun nhiên liệu mới đang được nghiên cứu áp dụng thể hiện nhiều ưu điểm hơn như phun khí trên đường nạp và đặc biệt là phun khí trực tiếp vào buồng đốt.
2.2.1.1. Cung cấp CNG cho động cơ sử dụng bộ hòa trộn - Sử dụng bộ hòa trộn cơ khí - Sử dụng bộ hòa trộn cơ khí
Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí sử dụng bộ hòa trộn có nhiều dạng khác nhau ,nhưng đối với CNG sử dụng dạng sơ đồ sau:
Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST
34 Nguyên lý làm việc:
Nhiên liệu CNG được nén trong bình chứa với áp suất 200 bar, khi khởi động động cơ van bình sẽ mở ra cho nhiên liệu CNG đi vào bộ giảm áp. Tại bộ giảm áp, áp suất nhiên liệu được giảm xuống giá trị làm việc, nhờ độ chân không ở họng venturi thấp hơn áp suất khí trời nên CNG được hút vào đường nạp, lưu lượng CNG cung cấp được khống chế bởi bộ giảm áp, độ chân không ở họng ống venturi, và van công suất điều khiển bằng tay.
Nhiên liệu được cấp vào không gian xung quanh bộ hòa trộn qua một đường gas chính, trên họng bộ hòa trộn có các lỗ phun nhỏ phân bố đều theo chu vi họng để dẫn gas vào bên trọng họng. Nhiên liệu CNG đi vào bộ hỗn hợp hoà trộn với không khí tạo thành hỗn hợp nhiên liệu đi vào buồng cháy.
Bộ hòa trộn kiểu họng Venturi được sử dụng phổ biến cho tất cả những loại nhiên liệu khí (LPG, LNG, CNG,…) vì việc hòa trộn đơn giản, phù hợp đối với nhiên liệu khí. Vì vậy kết cấu của hệ thống cung cấp sử dụng bộ hòa trộn sẽ đơn giản làm cho giá thành rẻ. Sự cung cấp CNG liên tục làm hạn chế khả năng khống chế tỷ lệ không khí/CNG.
Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST
35
Hình 2.3 Cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn điều khiển điện tử
Bộ hòa trộn điều khiển điện tử thực chất là sử dụng bộ hòa trộn kết hợp van tiết lưu điều khiển điện tử. Khi bật khoá điện, dòng điện qua cuộn dây sinh ra một từ tính làm van điện từ mở ra cho khí CNG nén từ bình chứa áp suất cao đến bộ giảm áp, tại bộ giảm áp áp suất nhiên liệu được giảm xuống giá trị làm việc khoảng 0,8 †1,5 bar, sau đó nhiên liệu được qua bộ lọc áp suất thấp trước khi đi vào van tiết lưu, van tiết lưu được điều khiển tự động bởi bộ vi xử lý, lưu lượng CNG cung cấp được khống chế bởi bộ giảm áp, tiết diện lưu thông của van tiết lưu và độ chân không ở ống venture. Tiết diện lưu thông của van tiết lưu được điều khiển tương ứng với phần trăm vị trí bướm ga thông qua cảm biến vị trí bướm ga và tốc độ đông cơ. Nhiên liệu đi vào bộ hỗn hợp hoà trộn với không khí tạo thành hỗn hợp nhiên liệu đi vào buồng cháy.
Khí CNG không những chỉ định lượng bởi độ chân không trong ống venturi mà còn bởi sự thay đổi độ tiết lưu trên đường cấp nhiên liệu, sự điều chỉnh mức độ tiết lưu trên đường cấp nhiên liệu được thực hiện nhờ bộ vi xử lí chuyên dụng nhận tín hiệu từ các cảm biến.
Khi sử dụng bộ hòa trộn điều khiển điện tử công suất của động cơ giảm đi khoảng (5-8)% so với xăng do tổn thất lượng không khí nạp tại họng và do CNG chiếm chỗ.
Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST
36
2.2.1.2. Phương pháp phun CNG vào đường ống nạp
Nhiên liệu CNG được nén trong bình chứa với áp suất 200 bar. Khi bật khoá điện khởi động động cơ, dòng điện qua cuộn dây sinh ra một từ tính làm van điện từ mở ra cho CNG nén từ bình chứa đến bộ giảm áp. Tại bộ giảm áp, áp suất nhiên liệu được giảm xuống giá trị làm việc, sau đó nhiên liệu qua bộ lọc áp suất thấp trước khi dẫn đến vòi phun. Vòi phun được bộ vi xử lý điều khiển một cách tự động, thời gian phun được điều khiển tương ứng tỷ lệ với phần trăm vị trí tay ga thông qua cảm biến vị trí tay ga. Bộ xử lý này nhận phần lớn các tín hiệu cần thiết từ hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG. Hệ thống phun CNG trên đường nạp bao gồm các hệ thống cơ bản sau.
Hình 2.4 Cung cấp CNG bằng phương pháp phun trên đường ống nạp
Hệ thống cung cấp CNG: Gồm bình chứa, van điện từ, bộ điều hoà áp suất, vòi phun CNG. Do đặc thù riêng của nhiên liệu CNG nên áp suất cần thiết để cung cấp
Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST
37
nhiên liệu đến vòi phun là 5 bar để tránh hiên tượng hoá hơi trên đường ống nhiên liệu. Vì hoạt động của hệ thống nhiên liệu ở áp suất cao nên vấn đề an toàn của hệ thống được đặt lên hàng đầu.
Hệ thống điều khiển gồm các cảm biến ghi nhận thông tin về chế độ làm việc của động cơ, ECU xử lý các thông tin nhận được từ các cảm biến và phát tín hiệu điều khiển đến các vòi phun CNG để điều khiển thời gian mở vòi phun cung cấp CNG. Các tín hiệu điều khiển tới vòi phun là các xung thời gian có độ dài tương ứng tỷ lệ với lượng CNG cần phun vào ống góp nạp. Các loại cảm biến trong hệ thống gồm: Cảm biến vị trí tay ga, cảm biến tốc độ động cơ, nhiệt độ khí nạp, cảm biến nồng độ Oxy…Đồng thời trong bộ vi xử lý có bổ sung thêm cảm biến đo áp suất bình chứa nhiên liệu CNG, từ đó tín hiệu được ECU xử lý phát tín hiệu điều khiển tới vòi phun.
Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống nạp nhiên liệu trên động cơ phun gián tiếp
Hệ thống phun CNG trên đường nạp cho phép cải thiện được tính năng của động cơ và mức độ phát ô nhiễm. Khác với bộ hòa trộn, hệ thống này phun nhiên liệu dưới áp suất khoảng 5 bar. Điều này cho phép cung cấp một lượng nhiên liệu chính xác theo chế độ làm việc của động cơ. Mặt khác do không có họng venturi nên hệ số nạp được cải thiện đáng kể. Phun nhiên liệu CNG được thực hiện theo phương án riêng rẽ nên giảm khả năng hồi lưu ngọn lửa vào đường nạp, cải thiện được sự đồng đều nhiên liệu cung cấp cho các xi lanh của động cơ. Việc khống chế lưu lượng CNG nạp vào xi lanh được thực hiện nhờ bộ vi xử lí.
Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST
38
2.2.1.3. Phương pháp phun CNG trực tiếp vào xi lanh
Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí CNG bằng phương pháp phun trực tiếp hoạt động tương tự như hệ thống phun gián tiếp chỉ có khác là nhiên liệu được phun trực tiếp vào trong buồng cháy của động cơ
Phương pháp này có rất nhiều ưu điểm vì nó cho phép đồng thời làm giảm mức độ gây ô nhiễm và làm tăng tính kinh tế của động cơ. Phun trực tiếp CNG vào buồng cháy cho phép kết hợp các ưu điểm của khí thiên nhiên và quá trình cháy của hỗn hợp nghèo phân lớp. 9 3 4 5 7 8 11 12 6 13 2 1 14 10 17 16 15 ECU
Hình 2.6 Cung cấp khí CNG bằng phương pháp phun trực tiếp
1: Bình chứa CNG; 2: Van nạp; 3: Máy đo áp suất; 4: Lọc CNG; 5: Van 1 chiều; 6: Vòi phun CNG; 7: Bugi đánh lửa ; 8: Cuộn dây cao áp;9: Cảm biến ô xy; 10: Cảm biến tốc độ; 11: Cảm biến nước làm mát; 12: Cảm biến bướm ga; 13: Cảm biến áp suất khí nạp; 14: Bầu lọc khí; 15: Công tắc đánh lửa; 16: Công tắc CNG; 17: Ắc quy.
Mặt khác, hệ thống phun CNG còn thừa hưởng ưu thế của nhiên liệu nén ban đầu nên không cần bơm nhiên liệu áp suất cao. Động cơ có thể hoạt động không có tổn thất hệ số nạp và ở điều kiện hỗn hợp nghèo.
Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST
39
Nhược điểm chính của hệ thống này là đòi hỏi kĩ thuật chế tạo và điều chỉnh chính xác hệ thống phun vì vậy đắt tiền.
2.2.2. Chọn phương pháp cung cấp CNG
Phương pháp cung cấp CNG được lựa chọn là hệ thống cung cấp CNG được sử dụng bộ hòa trộn cơ khí vì nhiên liệu vẫn được hoàn trộn tốt với không khí và giá thành rẻ hơn rất nhiều so với các phương pháp khác.
2.3. Thiết kế bố trí chung hệ thống cung cấp CNG trên động cơ
2.3.1. Sơ đồ bố trí chung hệ thốngcung cấp CNG
Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu CNG lắp trên động cơ 1NZ-FE 1. Van nạp khí; 2. Bình chứa; 3. Van; 4. Đồng hồ đo áp suất; 5. Van điện từ; 6. Bộ giảm áp; 7. Đường nước vào sấy nóng; 8. Đường nước ra; 9. Van điện từ bộ giảm áp; 10. đường nhiên liệu không tải; 11. Đường nhiên liệu chính; 12. Van công suất; 13. Ống nạp của động cơ; 15. Khoang nhiên liệu; 16. Bướm ga;17. Ống góp nạp; 18. Lỗ không tải.
Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST
40
Trong hệ thống nhiên liệu này, ta không tháo bỏ hệ thống nhiên liệu cũ mà chỉ cần lắp đặt thêm hệ thống nhiên liệu CNG mới. Các bộ phận lắp đặt thêm: Bình chứa nhiên liệu CNG, bộ giảm áp, bộ hòa trộn, đường ống dẫn nhiên liệu CNG, các van vận hành, đồng hồ hiển thị, thiết bị điều khiển cung cấp CNG….
Trên đường nạp của động cơ ta lắp thêm bộ hòa trộn trước bướm ga dùng để hòa trộn không khí với nhiên liệu khí CNG trước khi đưa vào động cơ.
Khi thiết bị điều khiển nhận tín hiệu từ công tắc chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu CNG, thiết bị điều khiển tạo ra một dòng điện làm mở van điện từ (5) cho CNG nén từ bình chứa áp suất cao đến bộ giảm áp (6), tại bộ giảm áp (6) áp suất nhiên liệu được giảm xuống giá trị làm việc và được cấp cho đường nạp động cơ theo các chế độ làm việc.
2.3.2. Các bộ phận chính của hệ thống
2.3.2.1. Bình chứa CNG
CNG thông thường được nén trong bình chứa ở áp suất khoảng 220 bar, bình chứa dạng hình trụ và hai đầu hình bán cầu, thể tích 57 lít, vỏ bình chứa được chế tạo bằng thép dày (4-5) mm, bình chứa phải chịu được áp suất thử nghiệm 600 bar để đề phòng nổ vỡ trong trường hợp nó bị sấy nóng (khi bị hỏa hoạn chẳng hạn).
Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST
41
Hình 2.8 Bình chứa CNG
Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật của bình chứa CNG
Các thông số Giá trị Thứ nguyên
Áp suất làm việc 220 Kg/cm2 Áp suất cực đại 400 Kg/cm2 Kết nối xi lanh PT3/4 Trọng lượng 70 Kg Dung tích 57 L Chiều dài 800 mm
Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST
42
Van bình chứa
Van bình chứa cho phép nạp và cấp CNG cho hệ thống, đồng thời trên van có lắp van an toàn để bảo vệ cho bình chứa và hệ thống khi sảy ra sự cố, ví dụ như bị va đập áp suất tăng van an toàn 10 bật ra. Khi bình bị đốt nóng, Trong van an toàn có đĩa cháy làm bằng chì sẽ chảy ra cho CNG thoát ra ngoài.
A-A 7 6 5 1 2 3 4 8 A A 10 11 9 13 12 Hình 2.9 Van bình chứa
1: Đường nạp CNG vào bình chứa; 2: Đế chặn trên; 3: Van điều khiển bằng tay; 4. Đường cấp CNG; 5: Thân van; 6: Đầu nối với bình chứa; 7: Đế van; 8: Đế chặn dưới; 9: Đường ống CNG đến van an toàn; 10: Van an toàn; 11: Đĩa cháy; 12: Cần điều khiển van bằng tay; 13: Vòng làm kín.
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của van bình chứa
Tên thông số Giá trị Thứ nguyên
Lỗ cắm kép bên trong M12x1
Lỗ cắm kép bên ngoài ½‟‟BSP
Áp suất làm việc tối đa 200 Bar
Biên độ áp suất -40 - 85 oc
Đĩa cháy thử áp suất 300+10% Bar
Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST
43
Van nạp khí vào bình CNG
Van nạp có tác dụng mở thông bình để nạp CNG vào bình một cách nhanh nhất, đồng thời không cho nạp thêm CNG vào bình khi áp suất trong bình vượt quá áp suất làm việc của bình.
Hình 2.10 Van nạp
Van an toàn có tác dụng đảm bảo an toàn cho bình khi áp suất trong bình tăng cao quá giới hạn cho phép. Nếu vì một lý do nào đó áp suất trong bình tăng cao đến 200 bar sẽ tác dụng lên đế van an toàn 4, nén lò xo 10 mở đường thông xả CNG ra ngoài không khí làm áp suất và nhiệt độ trong bình giảm xuống bảo đảm bình chứa trong bình không bị sự cố nổ, vỡ khi áp suất trong bình tăng cao.
13 9 1 2 3 4 5 6 7 11 12 15 1 8 14 Hình 2.11 Kết cấu van nạp
1: Đường CNG vào; 2: Vòng làm kín; 3: Đai ốc định vị van điều khiển bằng tay; 4: Van an toàn; 5: Vòng giữ piston; 6: Piston; 7: Đường thoát CNG; 8: Đai ốc;
Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST
44
9: Đai ốc điều chỉnh; 10: Lò xo van an toàn; 11: Đế chặn; 12: Van điều khiển bằng tay; 13: Đế chặn dưới; 14: Thân van; 15: Đường cấp CNG đến van bình chứa
Bảng 2.3 Thông số của van nạp
Tên thông số Giá trị Thứ nguyên
Áp suất làm việc 200 Kg/cm2
Áp suất cực đại 400 Kg/cm2
Áp suất nổ 300 Kg/cm2
Lỗ nối bên trong M12x1
2.3.2.2. Van đầu bình (van cơ khí, van điện từ)
Van điện từ có tác dụng điều khiển, đóng mở CNG vào từ đường ống nạp của hệ thống cung cấp nhiên liệu. Khi ta bật công tắc sang chế độ chạy bằng CNG thì van này mở ra cho CNG thoát ra qua đường ống nạp vào hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ. Khi tắt động cơ thì van điện từ đóng lại.
Van điện từ hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, khi ta bật công tắc