1.3.1. Các phương án cung cấp LPG cho động cơ
1.3.1.1. Van hút chân không
Nguyên lý chung của van hút chân khơng: khi độ chân khơng tại họng nạp tăng thì van chân khơng mở để nhiên liệu khí đi vào buồng hịa trộn. Lị xo đóng van chân khơng được thiết kế càng mềm càng tốt. Tuy nhiên độ cứng của lị xo khơng 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 lị xo khơng 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 khơng tải do bướm ga đóng nhỏ, độ chân khơng tại họng rất bé, không đủ sức mở van cung cấp nhiên liệu khí. Vì vậy cần bố trí thêm van khơng 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 hịa 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 khơng gian bố trí.
Hình 1. 7: Hệ thớng cung cấp LPG sử dụng bộ van
b. Dùng bộ chế hịa khí LPG
Ưu điểm: vẫn cung cấp được hịa khí cho động cơ đúng với tỉ lệ yêu cầu, việc hòa trộn trước cũng cũng giúp cho hịa 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 cơng suất giảm, nếu khơng kích thước khá lớn mới đảm bảo cơng 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 tốn 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.
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 tốn q trình phun, vịi 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 hịa khí được hịa 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 khơng khí tăng lên, cơng suất có tăng thêm (tổng cơng 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 sốt tốt hơn làm giảm tiêu hao nhiên liệu và nồng độ các khí thải có hại. Sử dụng bộ chuyển đổi kiểu phun trực tiếp LPG lỏng vào đường ống nạp là 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 khơng nên sẽ khó khăn hơn cho người tiêu dùng khi sản phẩm được thương mại hố.
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/khơng khí ngay tại buồng cháy. Tổ chức q trình cháy và hồn thiện chu trình cơng tác ảnh hưởng đến q 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 dịng của tia phun, sự xốy 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 dịng chảy hình thành hỗn hợp phân lớp xung quanh bugi, người ta phối hợp sử dụng phương pháp xốy lốc mạnh và dịng chảy rối của tia nhiên liệu. Trường hợp ở chế độ tải cao, dòng nhiên liệu chảy nhào trộn kết hợp với dịng xốy lốc tạo ra hỗn hợp đồng nhất. Phương pháp này chỉ mới thực hiện trong phịng 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 khơng 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 q 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 thớng phun LPG trực tiếp vào buồng cháy động cơ
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 cơng 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 THỐNG PHUN LPG ĐIỆN TỬ VÀ ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ