1.3.1.1. Van hút chân không
Nguyên lý chung của van hút chân không: khi độ chân không tại họng nạp tăng thì van chân không mở để nhiên liệu khí đi vào buồng hòa trộn. Lò xo đóng van chân không được thiết kế càng mềm càng tốt. Tuy nhiên độ cứng của lò xo không thể giảm nhỏ hơn giá trị để nó có thể đóng van, tránh nhiên liệu khí lọt nhiên liệu làm hỗn hợp quá giàu, làm giảm tính kinh tế động cơ.
Do độ cứng lò xo không thể giảm nhỏ hơn giá trị giới hạn nên khi gia tốc, động cơ bị hẫng do lượng ga cung cấp bị thiếu tức thời. Để bù thêm ga trong trường hợp này, chúng ta cần bổ sung thêm van gia tốc có thể mở nhanh khi bướm ga mở đột ngột. Ở chế độ không tải do bướm ga đóng nhỏ, độ chân không tại họng rất bé, không đủ sức mở van cung cấp nhiên liệu khí. Vì vậy cần bố trí thêm van không tải với vòi phun đặt sau bướm ga để đảm bảo động cơ chạy ổn định ở chế độ này.
a. Sử dụng bộ van cung cấp LPG cho động cơ
Ưu điểm: kết cấu đơn giản, dễ lắp đặt, điều chỉnh và sử dụng. Bên cạnh đó, giá thành rẻ hơn nhiều, các chi tiết, linh kiện dễ dàng tìm mua trên thị trường.
Nhược điểm: khó có khả năng cung cấp hòa khí đảm bảo cho động cơ ở các chế độ khác nhau vì quy luật cấp nhiên liệu cho động cơ khó có thể đáp ứng khi chúng ta điều khiển thuần cơ khí, đặc biệt là khi các biến ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của động cơ, tốc độ động cơ càng lớn thì quy luật cấp nhiên liệu càng khó khăn. Kích thước của thiết bị khá lớn và chiếm nhiều không gian bố trí.
Hình 1. 7: Hệ thống cung cấp LPG sử dụng bộ van
b. Dùng bộ chế hòa khí LPG
Ưu điểm: vẫn cung cấp được hòa khí cho động cơ đúng với tỉ lệ yêu cầu, việc hòa trộn trước cũng cũng giúp cho hòa khí được đồng đều hơn, giá thành sản phẩm thấp, dễ lắp đặt sử dụng và sửa chữa, điều khiển vận hành dễ dàng. Phương án này sẽ phù hợp cho các động cơ tĩnh tại vì khi đó nó chỉ cấp LPG theo từng chế độ tải.
Nhược điểm: vì cung cấp LPG dưới dạng khí nên công suất giảm, nếu không kích thước khá lớn mới đảm bảo công suất yêu cầu tương đương với động cơ xăng nguyên thủy.
1.3.1.2. Phun LPG điều khiển điện tử
Nguyên lý chung của phương pháp này là các thông số từ các cảm biến: cảm biến độ mở bướm ga, cảm biến vị trí trục cam, trục khuỷu, cảm biến Oxy, cảm biến lưu lượng khí nạp, áp suất khí nạp, nhiệt độ khí nạp,… Các cảm biến này gửi các tín hiệu điện áp về bộ điều khiển, tại đây bộ điều khiển tính toán và phát tín hiệu để điều khiển các cơ cấu chấp hành như kim phun, bugi.
Khi sử dụng phương án cấp LPG điều khiển bằng điện tử thì chúng sẽ có các ưu điểm mà khi dùng van hút chân không không thể làm được, cụ thể:
- Có thể đạt được tỷ lệ hỗn hợp chính xác ứng với mỗi chế độ làm việc của động cơ.
- Đáp ứng kịp thời với việc thay đổi vị trí mở của bướm ga.
- Có khả năng hiệu chỉnh lượng hỗn hợp dễ dàng và hiệu suất nạp hỗn hợp cao.
a. Phun LPG trên đường nạp động cơ
Phương pháp phun LPG trên đường ống nạp đã được nghiên cứu và đã ứng dụng trên thực tế. Hệ thống bao gồm các cảm biến và bộ điều khiển tính toán quá trình phun, vòi phun, hệ thống các bình chứa LPG, van giảm áp và đường ống cao áp, thấp áp… Với việc hòa trộn trước trên đường nạp giúp cho hòa khí được hòa trộn đều hơn, hỗn hợp đồng nhất hơn (đặc biệt LPG được phun dưới dạng khí). Do nhiệt ẩn của LPG lớn nên trong quá trình bay hơi trên đường nạp làm cho nhiệt độ trên đường nạp giảm giúp cho mật độ không khí tăng lên, công suất có tăng thêm (tổng công suất vẫn giảm hơn so với các động cơ xăng có cùng dung tích).
Ưu điểm: cung cấp nhiên liệu bằng phương pháp phun gián tiếp giúp cho quá trình cháy được kiểm soát tốt hơn làm giảm tiêu hao nhiên liệu và nồng độ các khí thải
thiết bị đơn giản, dễ lắp đặt, sử dụng, bảo dưỡng và đặc biệt không làm thay đổi kết cấu của động cơ [13]. 1 ECU sẽ có nhiều map điều khiển quá trình hoạt động nên dễ dàng cho việc kết hợp giữa các nhiên liệu khác nhau khi muốn phát triển đề tài thông qua 1 công tắt.
Nhược điểm: sửa chữa, điều chỉnh và giá thành sẽ khó khăn hơn khi dùng van hút chân không nên sẽ khó khăn hơn cho người tiêu dùng khi sản phẩm được thương mại hoá.
Hình 1. 8: Hệ thống phun LPG trên đường nạp động cơ
b. Phun trực tiếp LPG vào buồng cháy động cơ
Phun nhiên liệu LPG trực tiếp vào buồng cháy động cơ là phương pháp tạo hỗn hợp nhiên liệu/không khí ngay tại buồng cháy. Tổ chức quá trình cháy và hoàn thiện chu trình công tác ảnh hưởng đến quá trình phun của động cơ phun nhiên liệu trực tiếp. Hệ thống có thể làm việc tốt ở hỗn hợp nghèo và giảm suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ. Các kết quả nghiên cứu cho thấy những yếu tố chính ảnh hưởng đến tính năng của động cơ phun nhiên liệu trực tiếp gồm: thời gian phun, áp suất phun, sự hướng dòng của tia phun, sự xoáy lốc của khí nạp, hệ thống đánh lửa và dạng buồng cháy.... Bên cạnh những đề tài phun xăng trực tiếp, các nhà khoa học đã nghiên cứu và áp dụng kỹ thuật cháy phân lớp. Trường hợp động cơ ở chế độ tải thấp sự hình thành hỗn hợp nhiên liệu phân lớp để khống chế trường dòng chảy hình thành hỗn hợp phân lớp xung quanh bugi, người ta phối hợp sử dụng phương pháp xoáy lốc mạnh và dòng chảy rối của tia nhiên liệu. Trường hợp ở chế độ tải cao, dòng nhiên liệu chảy nhào trộn kết hợp với dòng xoáy lốc tạo ra hỗn hợp đồng nhất. Phương pháp này chỉ mới thực hiện trong phòng thí nghiệm. Hệ thống phun nhiên liệu ở dạng lỏng hay khí có ưu điểm ngăn chặn sự bốc cháy của hỗn hợp trên đường nạp, hiệu suất của động cơ được
nâng cao và mức độ gây ô nhiễm giảm. Tuy nhiên khi sử dụng vòi phun cấp nhiên liệu LPG vào buồng cháy làm giảm thời gian tạo hỗn hợp và mật độ nhiên liệu trong hỗn hợp sẽ không đồng nhất sẽ có nguy cơ tăng nồng độ CO trong khí thải.
Ưu điểm: phun LPG vào động cơ giúp cho quá trình sử dụng nhiên liệu linh hoạt hơn. Không những giúp cho các muội than sau khi sử dụng xăng bay sạch ra khỏi buồng cháy. Bên cạnh đó quá trình cháy được diễn ra tốt hơn nên không những công suất của động cơ được cải thiện hơn mà còn giảm mức tiêu hao nhiên liệu và hạn chế ô nhiễm môi trường hơn các phương án khác.
Nhược điểm: việc phun trực tiếp LPG vào động cơ đòi hỏi kĩ thuật rất cao làm cho giá thành của sản phẩm cao. Cải tạo động cơ xăng lên động cơ phun LPG theo kiểu này sẽ cần phải thay đổi kết cấu của buồng đốt.
Hình 1. 9: Hệ thống phun LPG trực tiếp vào buồng cháy động cơ
1.3.2. Lựa chọn phương án
Dựa trên những phân tích ưu nhược điểm của các phương án cung cấp LPG cho động cơ ta lựa chọn phương án phun LPL trên đường ống nạp của động cơ. Đây là phương án có thể cải thiện công suất động cơ, giảm phát thải ô nhiễm môi trường [10], tiết kiệm nhiên liệu đồng thời không thay đổi kết cấu buồng đốt.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNGPHUN LPG ĐIỆN TỬ VÀ ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ
2.1. Tín hiệu đầu vào, bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành
Bao gồm cảm biến Hall, bộ điều khiển, khối lắp ghép kim phun và dây điện.
- Bộ điều khiển quyết định việc cung cấp bao nhiêu nhiên liệu cần thiết cho động cơ thông qua các tín hiệu phát ra từ các cảm biến.
- Bộ điều khiển cấp tín hiệu điều khiển kim phun chính xác theo thời gian: xác định độ rộng của xung đưa đến kim phun hoặc thời gian phun để tạo ra một tỷ lệ LPG và không khí thích hợp.
2.1.1. Tín hiệu đầu vào (cảm biến Hall đo tốc độ động cơ)
Cảm biến Hall là loại cảm biến dùng để phát hiện từ tính của nam châm. Khi đưa một cục nam châm lại gần cảm biến Hall thì cảm biến sẽ phát ra một tín hiệu và từ tín hiệu đó có thể điều khiển một công việc nào đó. Công dụng của cảm biến này là để hộp điều khiển xác định thời điểm đánh lửa và cả thời điểm phun [6].
Hình 2. 1: Cảm biến Hall NJK-5002CNPN
Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp dụng một từ trường vuông góc lên thanh Hall đang có dòng điện chạy qua. Lúc đó, ta nhận được một hiệu điện thế U sinh ra tại 2 mặt đối diện thanh Hall.
Hình 2. 2: Hiệu ứng Hall
Có hai loại cảm biến Hall. Một loại có đầu ra là tín hiệu Analog và một loại có đầu ra Digital. Loại cảm biến đầu ra là tín hiệu Analog thường được sử dụng làm cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến có đầu ra là tín hiệu digital thường được sử dụng làm cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến tốc độ xe.
Cảm biến có đầu ra là tín hiệu digital chỉ cung cấp hai trạng thái đầu ra, “ON” hoặc “OFF”. Các loại cảm biến này có thêm phần tử Schmitt Trigger (giữ chậm) cung cấp độ trễ hoặc hai ngưỡng khác nhau để đầu ra cao hoặc thấp.
2.1.2. Bộ điều khiển
2.1.2.1. Công dụng và nhiệm vụ của bộ điều khiển
Bộ điều khiển đảm nhận nhiệm vụ là kiểm soát mọi thứ liên quan đến hoạt động cũng như hiệu suất động cơ như: vòng tua máy (RPM) hay phun LPG và thời điểm phun LPG cùng thời điểm đánh lửa, cường độ dòng điện đánh lửa hay điều chỉnh hỗn hợp LPG – gió (hoà khí),… và còn nhiều công dụng nữa tùy vào từng loai động cơ. Sau đó, nó được truyền về bộ điều khiển xử lý tín hiệu và đưa ra mệnh lệnh yêu cầu các cơ cấu chấp hành phải thực hiện các nhiệm vụ như: điều khiển nhiên liệu, góc đánh lửa. Mặt khác, cơ cấu chấp hành này phải luôn đảm bảo thực hiện theo hiệu lệnh bộ điều khiển và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ cảm biến để đem lại sự chính xác và thích ứng cần thiết. Với mục đích làm giảm tối đa chất độc hại trong khí thải và giúp cải thiện lượng tiêu hao nhiên liệu và đảm bảo công suất ở các chế độ hoạt động của động cơ đã được cài đặt trước. Đặc biệt là giúp cho việc chẩn đoán “bệnh” của động cơ một cách nhanh chóng.
2.1.2.2. Cấu tạo của bộ điều khiển
Bộ điều khiển trên ô tô và xe máy dòng EFI (điều khiển điện tử) hay còn gọi là ECU là sự tập hợp của nhiều modul khác nhau: ổn áp, mạch khuyếch đại, chuyển đổi Analog sang Digital và ngược lại, vi điều khiển, thạch anh tạo dao động, mạch tách tín hiệu,… Tất cả được tích hợp trên một bo mạch cứng qua đó tín hiệu được truyền cho nhau với tốc độ nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng và ổn định hơn.
2.1.2.3. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển
Việc điều khiển góc đánh lửa sớm và góc ngậm điện sẽ được máy tính đảm nhận. Các thống số như tốc độ động cơ, tải, nhiệt độ được các cảm biến mã hóa tín hiệu đưa vào ECU xử lý và tính toán để đưa ra góc đánh lửa sớm tối ưu theo từng chế độ hoạt động của động cơ [7]. Cuối cùng, các bộ phận thực thi sẽ phải thực hiện đúng theo những dữ liệu mà bộ điều khiển truyền đến để đảm bảo động cơ vận hành ổn định và hiệu quả nhất.
2.1.3. Cơ cấu chấp hành
Ba yếu tố quan trọng của động cơ đánh lửa cưỡng bức là: Hỗn hợp không khí nhiên liệu (hòa khí) tốt, sức nén tốt và đánh lửa tốt. Hệ thống đánh lửa tạo ra một tia
lửa mang năng lượng phù hợp, vào thời điểm chính xác để đốt cháy sạch hỗn hợp hòa khí.
Bao gồm bét phun, các rơle, công tắc điện từ, sử dụng điện áp 12V và tiêu thụ công suất lớn hơn rất nhiều so với điện áp cung cấp từ cổng ra của vi điều khiển. Vi điều khiển đưa ra tín hiệu dạng xung để điều khiển cơ cấu chấp hành.
2.1.3.1. Đánh lửa
Hình 2. 3: Hệ thống đánh lửa điện tử
a. Bobin đánh lửa
Chức năng và nhiệm vụ: Bobin nằm giữa ECM và Bugi, Bobin có khả năng biến hiệu điện thế thấp từ 6 đến 24V từ hai cực của bình ắc quy thành xung điện có hiệu điện thế lên 12000 - 40000V để phát ra tia lửa điện trên Bugi. Nhờ vậy mà nó có vai trò cực kỳ quan trọng trong việc hỗ trợ bugi đánh lửa.
Cấu tạo: Cấu tạo của bobin gồm có: cuộn dây sơ cấp, cuộn dây thứ cấp và dây
Hình 2. 4: a IC tích hợp bobbin, b đầu chụp nến đánh lửa
Một cuộn dây có ít vòng được gọi là cuộn sơ cấp, quấn xung quanh cuộn dây sơ cấp nhưng nhiều vòng hơn là cuộn dây thứ cấp. Cuộn thứ cấp có số vòng lớn gấp hàng trăm lần cuộn sơ cấp [2]. Điện thế cao hơn được sinh ra chính là nhờ cảm ứng từ giữa hai cuộn dây này.
Nguyên lý hoạt động: Dòng điện bắt đầu chạy từ cuộn sơ cấp. Tại thời điểm
được đánh lửa, ECM sẽ làm cho dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp và sẽ ngắt đột ngột. Đến lúc dòng điện sơ cấp này bị ngắt thì từ trường điện do cuộn sơ cấp sinh ra sẽ bị giảm một cách đột ngột. Đúng theo nguyên tắc, lúc này, cuộn dây thứ cấp lại sinh ra một dòng điện để chống lại sự biến đổi do từ trường. Số vòng của cuộn thứ cấp lớn gấp nhiều lần cuộn sơ cấp nên dòng điện sẽ được tăng cao hơn. Đây chính là dòng điện giúp bugi đánh lửa thông qua cuộn dây cao áp.
b. Bugi
Chức năng và nhiệm vụ: Bugi xe là một bộ phận quan trọng ảnh hưởng đến khả năng vận hành của động cơ xe máy. Bugi có nhiệm vụ bật tia lửa điện giữa 2 điện cực – cực trung tâm và cực bên nối mát – để đốt cháy hỗn hợp hoà khí đã được nén ở buồng đốt, bên cạnh đó bugi phải tản nhiệt thật nhanh để giảm bớt áp lực trong buồng đốt [2].
Cấu tạo: Cấu tạo như hình vẽ bên gồm ba phần chính: Điện cực trung tâm, vỏ cách điện và vùng nhiệt bugi.
b
Â
a
Hình 2. 5: Cấu tạo Bugi [2]
Nguyên lý hoạt động: Về lý thuyết thì khá đơn giản, nó là công cụ để nguồn điện phát ra hồ quang qua một khoảng trống (giống như tia sét). Nguồn điện này phải có điện áp rất cao để tia lửa có thể phóng qua khoảng trống và phát ra tia lửa mạnh. Thông thường, điện áp giữa hai cực của nến điện khoảng từ 12.000 đến 40.000V.
2.1.3.2. Phun nhiên liệu
a. Bộ điều áp
Bộ điều áp có tác dụng làm giảm áp suất của các luồng khí đi qua nó. Nó được cấu tạo từ hợp kim đồng với độ bền bỉ cùng độ an toàn cao, bên cạnh đó nó có thể làm việc ở điều kiện áp suất lớn. Bộ điều áp được ứng dụng nhiều trong các khu công nghiệp, nhà máy sản xuất và ở các hộ gia đình.
Cấu tạo của bộ điều áp gồm những phần chính sau:
- Thân van làm từ chất liệu đồng, gang, đồng mạ crom, là nơi làm việc trực tiếp của khí gas.
- Núm điều chỉnh đùng để điều chỉnh áp suất tăng, giảm của khí gas.
- Đầu lắp bình khí dùng để kết nối với bình gas.
- Đầu khí ra là nơi kết nối với hệ thống gas.