v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
3.1 Giới thiệu chung
Việc nghiên cứu thực nghiệm sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel được thực hiện trên 2 đối tượng động cơ diesel đặc trưng là động cơ diesel trang bị hệ thống nhiên liệu tích áp AVL-5402 và động cơ diesel trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống truyền thống D1146TI lắp trên xe khách. Động cơ AVL-5402 là động cơ diesel không tăng áp 1 xilanh trang bị hệ thống nhiên liệu tích áp điều khiển điện tử với ECU mở cho phép thay đổi các thông số điều chỉnh của động cơ một cách dễ dàng và giúp cho việc xác lập các điều kiện làm việc và lấy dữ liệu một cách thuận tiện, tin cậy và chính xác. Việc nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ này sẽ rất dễ dàng thuận lợi. Trong khi đó, động cơ D1146TI là động cơ diesel thương mại nhiều xilanh lắp trên xe khách trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống. Việc nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ này mang ý nghĩa thực tế cao, có thể nhân rộng kết quả để áp dụng vận hành thực tế ngay.
Việc cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ trong đề tài nghiên cứu này như đã phân tích ở chương 1 và đã ứng dụng trong nghiên cứu lý thuyết ở chương 2 được thực hiện theo phương pháp phun LPG dạng khí vào đường ống nạp và tạo hỗn hợp LPG-không khí trước khi nạp vào xilanh. Vấn đề cần quan tâm là phương pháp điều chỉnh lưu lượng nhiên liệu LPG cấp vào được thực hiện như thế nào để có thể thay đổi và duy trì tỷ lệ LPG thay thế theo ý muốn ở các chế độ làm việc khác nhau của động cơ. Có một số phương pháp thay đổi lượng nhiên liệu phun như sau:
- Phương pháp phun liên tục không thay đổi lưu lượng phun: Kết cấu hệ thống đơn giản với đường kính lỗ phun cố định và áp suất phun không đổi ở mọi chế độ làm việc của động cơ. Tuy nhiên, chất lượng điều chỉnh không tối ưu. Ở trường hợp này, lượng phun LPG là như nhau ở các chế độ tải khác nhau của động cơ. Do đó khi thay đổi tải thì tỷ lệ LPG thay đổi, tải càng nhỏ thì tỷ lệ LPG thay thế càng cao, gây phát thải HC cao. Điều này là không mong muốn. Do đó phương pháp này ít được sử dụng và chỉ sử dụng cho động cơ có phạm vi thay đổi tải ít. Động cơ thường được khởi động và chạy không tải và ít tải bằng nhiên liệu diesel, khi đạt đến mức tải nhất định thì mới cấp LPG vào.
- Phương pháp phun liên tục có thay đổi lưu lượng phun: Việc thay đổi lưu lượng phun được thực hiện nhờ thay đổi tiết diện lỗ phun hoặc thay đổi áp suất phun. Phương pháp này cũng có ưu điểm là kết cấu hệ thống đơn giản nhưng khó điều chỉnh chính xác lưu lượng phun theo yêu cầu ở các chế độ làm việc khác nhau của động cơ nên thường chỉ được sử dụng cho các động cơ có phạm vi thay đổi tải hẹp.
- Phương pháp phun gián đoạn có thay đổi lượng nhiên liệu phun: Phương pháp cấp LPG này tương tự hệ thống phun xăng điện tử, có thể là phun đơn điểm hoặc đa điểm. Đối với phun đa điểm có thể là phun đồng thời hay phun theo thứ tự làm việc của động cơ nhiều xilanh. Trong cả hai trường hợp phun đơn điểm và đa điểm, việc điều chỉnh lượng nhiên liệu phun được thực hiện bằng cách thay đổi độ rộng xung phun nhờ bộ điều khiển
-79-
điện tử trung tâm ECU. Trong các động cơ lưỡng nhiên liệu, các ECU này thường được làm riêng và hoạt động song song với hệ thống phun nhiên liệu diesel. Phương pháp này tuy trang thiết bị phức tạp hơn so với các phương pháp nói trên nhưng dễ dàng điều chỉnh chính xác lượng nhiên liệu phun theo các chế độ làm việc khác nhau của động cơ.
Trên hai động cơ thí nghiệm là động cơ nghiên cứu AVL 5402 và động cơ xe khách D1146TI sẽ trang bị hai hệ thống cung cấp LPG khác nhau. Đối với động cơ AVL5402, đây là đối tượng nghiên cứu sâu trong đề tài này nên hệ thống điều khiển cung cấp LPG sẽ được nghiên cứu thiết kế để đảm bảo kiểm soát được lưu lượng cấp LPG theo ý muốn phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ. Căn cứ vào đặc điểm của các hệ thống điều khiển phun LPG phân tích ở trên, phương pháp phun LPG gián đoạn điều chỉnh lượng phun bằng cách thay đổi độ rộng xung điều khiển được lựa chọn áp dụng. Bộ phận chính của hệ thống điều khiển cần được nghiên cứu thiết kế để đảm bảo cung cấp LPG với lưu lượng phù hợp với yêu cầu là bộ điều khiển cung cấp LPG bằng điện tử ELC (Electronic LPG Control).
Sơ đồ hệ thống điều khiển cung cấp LPG cho động cơ nghiên cứu AVL 5402 được chỉ ra trên hình 3.1. Yêu cầu đặt ra là bộ điều khiển ELC phải điều chỉnh độ rộng xung phun thích hợp để đảm bảo lượng phun LPG phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ, tức là đảm bảo tỷ lệ LPG thay thế tối ưu ở các chế độ làm việc. Để đạt được điều đó, ELC cần các thông số vào cơ bản là tín hiệu tốc độ động cơ, lưu lượng khí nạp, nhiệt độ khí nạp, áp suất hơi LPG trước vòi phun, nhiệt độ hơi LPG và lưu lượng hơi LPG. Các thông số này được cung cấp từ các cảm biến tương ứng. Các thông số điều khiển gồm tín hiệu điều khiển vòi phun (xung phun), tín hiệu điều khiển đóng mở đường cấp LPG cho động cơ. Ngoài ra ELC cần được kết nối với máy tính để lập trình điều khiển cung cấp LPG theo yêu cầu thí nghiệm.
Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ AVL5402
Để quá trình đo lưu lượng LPG được chính xác, trên đường ống cấp nhiên liệu LPG có lắp thêm bình ổn áp phía sau cảm biến đo lưu lượng. LPG được phun vào đường ống nạp của động cơ qua vòi phun. Các tín hiệu từ cảm biến tốc độ, cảm biến nhiệt độ, cảm
-80-
biến lưu lượng, cảm biến chân ga, cảm biến áp suất,... được đưa về bộ điều khiển ELC của hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG. Tín hiệu điều khiển phun LPG được gửi tới van điện từ đóng ngắt nhiên liệu đặt phía trước bộ hóa hơi và tín hiệu điều khiển vòi phun. Quá trình đóng ngắt được thực hiện thông qua giao diện của máy tính kết nối với bộ ELC.
Để đảm bảo việc điều khiển cung cấp LPG tối ưu, cần phải xây dựng được bộ thông số cho bộ điều khiển ELC. Việc này sẽ được tiến hành thông qua phần mềm lập trình Delphi với chương trình kết nối máy tính và bộ điều khiển ELC. Phần mềm giao diện Delphi được thiết kế cho phép thay đổi lượng nhiên liệu LPG phun vào động cơ, điều khiển thời điểm phun nhiên liệu, hiển thị các giá trị từ các cảm biến đưa về ELC, bật tắt các van điện từ, và một số chức năng lưu giữ kết quả thí nghiệm.
Đối với động cơ thử nghiệm là động cơ xe bus D1146TI, đây là động cơ thương mại phổ biến nên có thể sử dụng hệ thống cung cấp LPG thương mại đã có sẵn trên thị trường. Việc cần làm là lắp đặt và điều chỉnh hệ thống cho phù hợp với động cơ và chế độ thử nghiệm. Trong đề tài này, hệ thống cung cấp LPG cho động cơ D1146TI được mua của hãng Chip IT –Australia. Sơ đồ hệ thống thiết bị điều khiển cấp nhiên liệu LPG cho động cơ này được trình bày trên hình 3.2.
Hình 3.2 Sơ đồ tổng thể hệ thống cung cấp LPG cho động cơ diesel D1146TI
LPG được chứa trong bình ở trạng thái lỏng có áp suất từ 6-8 bar. Dưới áp suất này LPG được dẫn theo đường ống chịu áp lực đi qua van điện từ, sau đó đến bộ hóa hơi, nhận
-81-
nhiệt của bộ hóa hơi từ nước nóng của hệ thống làm mát, giảm áp, hóa hơi và đi vào đường ống nạp hòa trộn với không khí đảm bảo thành phần theo tính toán ở các chế độ tải của động cơ (hình 3.3). Ở cuối kì nén diesel được phun vào buồng cháy. Dưới áp suất và nhiệt độ cao, diesel cháy trước rồi đốt cháy hỗn hợp LPG và không khí. Lượng LPG cấp vào phụ thuộc vào áp suất ban đầu của LPG và kích thước của giclơ khí. Đồng thời lượng LPG được điều chỉnh tự động theo áp suất tăng áp của động cơ.
Hình 3.3 Sơ đồ cung cấp LPG vào động cơ D1146TI
Hình 3.4 Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống cung cấp LPG của động cơ D1146TI
ECU của hệ thống cung cấp LPG chỉ hoạt động để điều khiển vòi phun LPG khi đủ các điều kiện sau ( Hình 3.4):
- Khi động cơ hoạt động, tín hiệu từ máy phát điện truyền đến công tắc an toàn LPG để đóng mạch công tắc và cấp điện +12V cho rơ le. Tín hiệu GND của rơ le được cấp từ công tắc nhiệt lắp trên bộ hóa hơi, nhiệt độ nước làm mát động cơ phải từ 550C trở lên thì công tắc nhiệt mới hoạt động, đồng thời nhiệt độ này đảm bảo cho LPG được hóa hơi hoàn toàn. Lúc này cuộn dây của rơ le mới hoạt động và cung cấp điện áp +12V cho ECU.
-82-
- Khi áp suất tăng áp đạt giá trị quy định, ECU sẽ được kích hoạt và cung cấp tín hiệu điện áp để mở vòi phun LPG.
Quá trình cung cấp khí LPG vào động cơ diễn ra liên tục sau khi ECU được kích hoạt. Lượng LPG cung cấp phụ thuộc vào áp suất ban đầu của LPG và kích thước của giclơ khí, đồng thời được điều chỉnh tự động theo áp suất tăng áp của động cơ. Giá trị áp suất tăng áp sẽ hiển thị trên đèn led của ECU để người lái có thể quan sát được thời điểm bắt đầu kích hoạt ECU. Trong khoảng áp suất tăng áp thiết lập, ECU mở van điện từ để đưa LPG vào đường ống nạp vì vậy lúc khởi động động cơ ở chế độ không tải hoặc tải nhỏ chỉ có nhiên liệu diesel được phun vào động cơ.
3.2Nghiên cứu chế tạo hệ thống cung cấp LPG trên động cơ AVL 5402 3.2.1 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ điều khiển phun LPG
