VII. Bố cục luận án
4.1. Chuyển đổi động cơ diesel một xylanh S1100 thành động cơ khí thiên nhiên
Động cơ diesel một xylanh ký hiệu S1100 được lựa chọn để chuyển đổi thành động cơ làm việc hoàn toàn bằng nhiên liệu khí thiên nhiên. Đây là loại động cơ diesel cỡ nhỏ, giá bán không cao được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đời sống ở nước ta hiện nay như trong lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp, giao thông đường thủy nội địa. Thông số cơ bản của động cơ diesel 1 xylanh S1100 được trình bày như trong bảng 4.1.
Hình 4.1. Động cơ S1100 Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của động cơ
Tên động cơ Đơn vị Giá trị
Kiểu động cơ - 4 kỳ, 1 xylanh nằm ngang
Đường kính xylanh mm 100
Hành trình piston mm 115
Tổng dung tích Lít 0,903
Công suất (kW (mã lực), vòng/phút) 11,03 (16,3)/2200
Tỷ số nén 20
Khe hở nhiệt xupáp nạp (mm) 0,35±0,05
Khe hở nhiệt xupáp xả (mm) 0,45±0,05
Thời điểm xupáp nạp mở 170 trước ĐCT
Thời điểm xupáp nạp đóng 430 sau ĐCD
Thời điểm xupáp xả mở 430 sau ĐCT
Thời điểm xupáp xả đóng 170 trước ĐCD
Khối lượng kg 155
Để động cơ có thể hoạt động được bằng nhiên liệu khí thiên nhiên và nghiên cứu hoàn thiện hơn, với mong muốn đánh giá được ảnh hưởng của thông số kết cấu và thông số vận hành đến tính năng kính tế kỹ thuật của động cơ sau khi chuyển đổi. Do vậy sẽ phải loại bỏ một số hệ thống và gia công lại một số chi tiết, cụm chi tiết cho phù hợp, những thay đổi chính sẽ tập trung vào những nhiệm vụ sau:
Bổ sung hệ thống đánh lửa và điều chỉnh thời điểm đánh lửa.
Thay thế hệ thống cấp nhiên liệu.
Giảm tỷ số nén
4.1.1. Lắp đặt hệ thống đánh lửa
Hệ thống đánh lửa là nhân tố chính quyết định thời điểm bắt đầu hình thành màng lửa của các quá trình ô xi hoá nhiên liệu bên trong buồng cháy của động cơ đốt cháy cưỡng bức. Tùy thuộc vào kết cấu, đặc tính của từng loại động cơ mà các nhà chế tạo lựa chọn hệ thống đánh lửa cho phù hợp. Trong nghiên cứu này hệ thống đánh lửa lắp thêm trên động cơ đốt cháy cưỡng bức 1 xylanh sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên được chuyển đổi từ động cơ diesel được lựa chọn là hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm. Lý do lựa chọn là hệ thống có kết cấu đơn giản, các chi tiết của hệ thống có sẵn trên thị trường, độ tin cậy đáp ứng được yêu cầu đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên. Sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm được thể hiện như hình 4.2 và hình 4.3 là sơ đồ nguyên lý của hệ thống đánh lửa bán dẫn.
Hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm gồm có ắc quy, biến áp đánh lửa (Bô bin), dây cao áp, IC đánh lửa, cảm biến đánh lửa, bugi.
Hình 4.3. Sơ đồ cấu tạo hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm 1. Ắc quy; 2. Khóa điện; 3. Tụ điện; 4. Bô bin; 5. Bugi; 6. Bộ điều khiển đánh lửa; 7. Bộ cảm biến đánh lửa
Nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm:
+ Khi bộ cảm biến đánh lửa 7 chưa phát xung (vấu cực trên ro to không thẳng góc với lõi thép trong cuộn phát xung) thì bóng bán dẫn T2 khóa, T1 mở do đó có dòng Ib và Ic điqua các cực của bóng T1.
- Dòng Ib của bóng T1 đi từ dương ắc quy Khóa điện 2 R cực B của T1 cực E của T1 âm ắc quy
- Dòng Ic chính là dòng sơ cấp đi như sau:
Dương ắc quy Khóa điện 2 Cuộn sơ cấp bô bin cực C của T1 cực E của T1 âm ắc quy. Bugi không có tia lửa điện, động cơ ngừng hoạt động. Dòng điện có trị số lớn tới 25A.
+ Khi ro to cảm biến quay, vấu cực thẳng góc với lõi thép, cuộn dây phát xung của cảm biến đạt xung với điện áp cao nhất làm T2 dẫn, T1 lập tức khoá, dòng sơ cấp bị mất đột ngột làm W2 cảm ứng suất điện động cao áp trên 30.000V tạo tia lửa phóng qua điện cực bugi đốt cháy hoà khí.
Hệ thống đánh lửa đã lựa chọn lắp trên động cơ nghiên cứu là hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm sử dụng cảm biến điện từ loại nam châm tĩnh, để có thể vận hành động cơ sau chuyển đổi phục vụ nhiên cứu cần gia công chế tạo thêm một số chi tiết hỗ trợ khác như lỗ bugi trên lắp máy, bộ phận tạo xung, các giá đỡ Bô-bin và IC đánh lửa ...v.v.
4.1.1.1. Vị trí lắp bộ tạo xung đánh lửa
Trong hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm, cảm biến đánh lửa sẽ thay thế vít điều khiển và làm nhiệm vụ tạo ra hoặc làm mất tín hiệu điện áp hoặc tín hiệu dòng điện vào đúng thời điểm đánh lửa để gửi về IC điều khiển các transistor
công suất đóng hoặc mở. Cảm biến bao gồm một roto có số cực cảm biến tương ứng với số xylanh động cơ, một cuộn dây quấn quanh một lõi sắt từ cạnh một thanh nam châm vĩnh cữu. Cuộn dây và lõi sắt được đặt đối diện với các cực cảm biến rotor và được cố định. Khi rotor quay, các cực cảm biến sẽ lần lượt tiến lại gần và lùi ra xa cuộn dây. Khe hở nhỏ nhất giữa cực cảm biến của roto và lõi thép từ vào khoảng 0,2 - 0,5mm. Động cơ S1100 là động cơ 1 xylanh nên cần có 1 cực, điện trở cuộn cảm ứng phát tín hiệu vòng quay là (140 ÷ 160 Ω) (hình 4.4).
Hình 4.4. Cấu tạo bộ phát xung
Để đánh lửa đúng thời điểm và đúng chu kỳ làm việc của động cơ, tốc độ của roto trong bộ phận tạo xung luôn bằng 1/2 tốc độ trục khuỷu. Qua khảo sát động cơ cho thấy bánh răng khởi động được dẫn động từ bánh răng đầu trục khuỷu thông qua một bánh răng trung gian. Số răng của bánh răng đầu trục khuỷu bằng 1/2 số răng của bánh răng khởi động do vậy tốc độ của báng răng khởi động luôn bằng 1/2 tốc độ của trục khủy. Như vậy có thể lựa chọn vị trí lắp roto của cảm biến đánh lửa trên trục của bánh răng khởi động (hình 4.5) sẽ duy trì và đảm bảo được trong một chu trình của động cơ sẽ có 1 lần đánh lửa.
Hình 4.5. Vị trí bánh răng khởi động
Thời điểm đánh lửa sớm là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của động cơ đốt trong góp phần giảm tiêu thụ nhiên liệu, giảm sự phát thải các chất độc hại do quá trình cháy của động cơ gây ra. Do vậy cần phải xác định
cam, để thiết lập vị trí tương ứng của ứng của vị trí tín hiệu đánh lửa. Để thực hiện được vấn đề này cần xác định vị trí ăn khớp giữa bánh răng trục khuỷu, bánh răng trung gian và bánh răng khởi động. Ngoài ra cuộn dây phát xung còn được lắp cố định trên mặt bích, mặt bích được bắt với thân máy. Trên mặt bích có xẻ rãnh, cho phép điều chỉnh thời điểm đánh lửa sớm bằng cơ khí bằng cách xoay mặt bích đi một góc tương ứng với góc đánh lửa sớm (hình 4.6).
Hình 4.6. Vị trí bộ điều chỉnh thời điểm đánh lửa 4.1.1.2. Vị trí lắp IC đánh lửa
IC đánh lửa là thiết bị gồm tổ hợp các có nhiệm vụ nhận tín hiệu xung từ cảm biến đánh lửa, biến xung điện áp từ cụm phát tín hiệu góc quay (có dạng tương tự) sang các loại xung điện áp biến thiên hình chữ nhật - tín hiệu dạng số ở mạch tạo xung bên trong IC đánh lửa. Xung của IC đánh lửa tới cuộn cao áp có dạng biến thiên hình răng cưa. Xung này cũng đã được điều chỉnh sao cho thời gian phát xung là tối ưu. Nhờ đó năng lượng tích lũy trong cuộn cao áp mới được sử dụng ở mức tối đa, gây đánh lửa ở bugi làm cháy hỗn hợp trong xylanh. Trong hệ thống đánh lửa sử dụng trên động cơ chuyển đổi, ta lựa chọn sử dụng IC J153 (Hình 4.7).
Hình 4.7. Vị trí lắp IC đánh lửa 4.1.1.3. Vị trí lắp biến áp đánh lửa
Biến áp đánh lửa được sử dụng trên động cơ là loại biến áp đánh lửa được sử dụng trên động cơ ô tô. Đây là một biến áp có nhiệm vụ biến những xung điện có
hiệu điện thế thấp (12V) thành những xung điện có hiệu điện thế cao (12000 - 40000V) đáp ứng việc đánh lửa trên động cơ khi sử dụng khí thiên nhiên. Biến áp đánh lửa được thiết kế lắp đặt vào vị trí lắp bầu lọc nhiên liệu của động cơ nguyên thủy. Đây là ví trí trí thuận lợi, gần nắp máy, tạo điều kiện cho dây cao áp không bị dài, tránh tổn hao năng lượng khi biến áp đánh lửa phóng điện cao áp (Hình 4.8).
Hình 4.8. Vị trí lắp biến áp đánh lửa 4.1.1.4. Vị trí lắp bugi
Bugi đóng vai trò rất quan trọng ở thời điểm bắt đầu của quá trình cháy, bởi vì năng lượng điện được phóng ra ở giữa hai điện cực của bugi chính là nhiệt độ để đốt cháy hỗn hợp tại điểm đó. Sau khi bugi đánh lửa sẽ hình thành điểm lửa và phát triển thành màng lửa ở bên trong xylanh động, quá trình này tương ứng với giai đoạn thứ nhất của quá trình cháy ở động cơ đốt cháy cưỡng bức. Năng lượng đánh lửa của bugi ảnh hưởng trực tiếp đến công suất của động cơ, lượng tiêu hao nhiên liệu cũng như mức độ phát thải các chất ô nhiễm. Do điện cực bugi đặt trong buồng đốt nên điều kiện làm việc của bugi rất khắc nghiệt, ngoài ra bugi còn chịu sự thay đổi đột ngột về áp suất lẫn nhiệt độ, các dao động cơ khí, sự ăn mòn hóa học và điện thế cao áp. Từ những yêu cầu đặt ra đối với bugi của hệ thống đánh lửa ở động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên, bugi được lựa chọn sẽ là loại có điện cực trung tâm bằng platin ký hiệu NGK CR8EGP, loại ren M10x1,0, chiều dài ren 19 mm, mức độ nhiệt 8 (Hình 4.9).
Ngoài việc lựa chọn sử dụng chủng loại bugi đáp ứng được yêu cầu của hệ thống đánh lửa đối với động cơ khí thiên nhiên thì vị trí lắp đặt bugi cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy của động cơ. Từ những kết quả đánh giá về sự ảnh hưởng của vị trí lắp đặt bugi đến quá trình cháy của động cơ, yêu cầu thử nghiệm và kết cấu nắp máy của động cơ nguyên bản, nghiên cứu sinh lựa chọn vị trí lắp đặt bugi phù hợp nhất cho động cơ diesel 1 xy lanh S1100 chuyển đổi sử dụng khí thiên nhiên là vị trí của vòi phun. Để cải tạo được vị trí lắp đặt vòi phun thành vị trí lắp đặt bugi cần phải gia công cơ khí chính xác đảm bảo chế tạo được kích thước lỗ bugi đạt tiêu chuẩn, chiều dày phần ren phải đảm bảo độ cứng vững, phù hợp với chiều dày của nắp máy. Để có được thông số diễn biến áp suất bên trong xylanh theo góc quay trục khuỷu, cần phải xác định vị trí để khoan và ta-rô ren lỗ bắt cảm biến. Vị trí của bugi sau gia công trên nắp máy được thể hiện như hình 4.10.
Hình 4.10. Vị trí lắp bugi và cảm biến áp suất buồng cháy trên nắp máy