Tỷ số khơng khí/nhiên liệu (A/F)

2.3. Tính tốn các thơng số ảnh hưởng q trình cháy của LPG

2.3.1. Tỷ số khơng khí/nhiên liệu (A/F)

2.3.1.1. Đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức [6]

Khi đốt cháy 1kg nhiên liệu, các thành phần c của C, h của H2 sẽ chuyển thành CO2 và H2O theo các phương trình phản ứng sau:

C + O2 => CO2 H2 + 0.5 O2 => H2O

Giả sử 1kg nhiên liệu lỏng gồm có: c kg C, h kg H2 và Onl kg O2, ta có thể viết: 12kg C +32kg O2 = 44kg CO2 (2.1)

2kg H2 + 16kg O2 = 18kg H2O (2.2) Chia 2 vế ở trên và ở dưới lần lượt cho 12 và 2, ta được:

ckgC + 83 ckgO2 + 113 ckgCO2 (2.3) hkgH2 + 8hkgO2 = 9 hkgH2O (2.4)

Nếu gọi O’o (kg/kg) là lượng O2 lý thuyết cần thiết đốt cháy 1kg nhiên liệu, ta có:

O0=8

3c+8h−onl(kg/kg nhiênliệu) (2.5)

Lượng O2 dùng để đốt nhiên liệu trong buồng cháy động cơ là lượng O2 trong khơng khí. Khơng khí gồm hai thành phần chính là: O2 và N2. Tính theo thành phần khối lượng khơng khí khơ: O2 chiếm 0,232 (23,2%) cịn N2 chiếm ≈ 76,8%. Do đó lượng khơng khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu là L0 (kg khơng khí/kg nhiên liệu) sẽ là: LO= O0 0,232= 1 0,232( 8 3c+8h−onl)(kg khơngkhí/kgnhiênliệu) (2.6)

2.3.1.2. Đối với động cơ phun LPG [12]

Lượng cung cấp LPG vào động cơ được quyết định bởi thời gian nhấc kim phun.

Nhiên liệu LPG gồm có 50% Propane (C3H8) và 50% Butane (C4H10) nên thành phần khối lượng của C và H là: 0,823 C và 0,177 H, khơng có thành phần Oxy trong nhiên liệu nên Onl = 0.

Thay vào cơng thức trên:

LO= 1

0,232(83×0.823+8×0,177−0)=15,56(kgkhơngkhí/kgnhiênliệu)(2.7)

Nếu lượng khơng khí thực tế đưa vào động cơ để đốt 1kg nhiên liệu là L (kg khơng khí/kg nhiên liệu), gọi  là hệ số dư lượng khơng khí, thì:

¿ L L0=

L

15,5(2.8)

2.3.2. Một số thơng số ảnh hưởng q trình phun

Gọi maLPG là khối lượng khơng khí nạp vào trong xylanh dùng để đốt cháy LPG, mLPG là khối lượng nhiên liệu LPG cung cấp vào xylanh. Khi đó, để phản ứng đốt cháy nhiên liệu xảy ra hoàn toàn theo lý thuyết thì:

mLPG=maLPG

15,56(2.9)

Một yếu tố quan trọng trong điều khiển phun LPG là phải xác định được khối lượng khơng khí đi vào xylanh. Lượng LPG tương ứng sẽ được tính tốn để bảo đảm tỷ lệ hịa khí mong muốn. Trên thực tế, chúng ta khơng thể đo chính xác khối lượng khơng khí đi vào từng xylanh. Vì vậy, khi điều khiển động cơ phun LPG, người ta thường dựa trên lưu lượng khơng khí đi qua đường ống nạp tính bằng khối lượng.

Có hai phương pháp để xác định khối lượng khơng khí: Trong phương pháp trực tiếp, khối lượng khơng khí được đo bằng cảm ứng dây nhiệt (airmass sensor). Trong phương pháp gián tiếp, người ta sử dụng cảm biến đo thể tích khơng khí (dùng cảm biến đo gió loại cánh trượt, cảm biến Karman...) hoặc cảm biến đo áp suất trên đường ống nạp (MAP sensor), sau đó phối hợp với cảm biến đo nhiệt độ khí nạp và cảm biến đo tốc độ động cơ để tính tốn khối lượng khơng khí. Phương pháp này cịn được gọi là phương pháp tốc độ - tỉ trọng.

Đối với một thể tích khơng khí V ở điều kiện nhiệt độ T và áp suất P, tỉ trọng của khơng khí được xác định bởi:

da=Ma

V (2.10)

Trong đó: Ma là khối lượng khơng khí của thể tích V. Hay:

Ma=daV (2.11)

Như vậy, lưu lượng khơng khí tính bằng khối lượng Rm có thể suy ra từ lưu lượng khơng khí tính bằng thể tích Rv:

Rm=Rvda(2.12)

Phối hợp cảm biến đo áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp và nhiệt độ khí nạp, máy tính có thể xác định tỉ trọng da theo cơng thức:

da=d0 p T0

p T0(2.13)

Trong đó:

do: tỉ trọng của khơng khí ở điều kiện áp suất khí quyển ở mực nước biển po =1

atm và nhiệt độ trong phịng To = 293oK.

Lưu lượng khơng khí tính bằng thể tích đi qua piston ga thường được dựa vào cảm biến tốc độ động cơ: Rv= n 60 D 2 ηv(2.14) Trong đó: D: dung tích xylanh. v: hiệu suất nạp tính bằng thể tích.

v: có giá trị thay đổi từ 0 đến 1, phụ thuộc vào áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp và tốc độ động cơ, thông thường được xác định bằng thực nghiệm (khoảng 0,7 – 0,9) và được ghi vào EPROM.

Vì vậy, lưu lượng khơng khí tính bằng khối lượng lúc này sẽ bằng:

Rm= n 60 D 2 ηv×d0× p p0× T0 T (2.15)

Như vậy, trong quá trình làm việc của động cơ với hệ thống phun LPG D - Jetronic (sử dụng MAP sensor), lưu lượng khơng khí tính bằng khối lượng đi qua piston ga được xác định chủ yếu bởi các cảm biến: tốc độ động cơ, áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp và nhiệt độ khí nạp.

Từ đó, lượng nhiên liệu cần phun vào một xylanh: mLPG= Rm (A/F)d= maLPG 15,5 (2.16) Với:

(A/F)d: là tỉ lệ hịa khí mong muốn, (A/F)d = 15.5 Rm = maLPG: Khối lượng khơng khí di qua piston ga.

Thời gian mở kim phun căn bản sẽ phụ thuộc vào lưu lượng của kim phun Rinj:

tb=mLPG Rimj (2.17)

2.3.3. Quan hệ giữa lưu lượng khơng khí và lưu lượng nhiên liệu

Nghiên cứu các thơng số ảnh hưởng đến tính năng của động cơ chạy bằng hỗn hợp khí biogas-syngas-hydrogen. Đây là những nhiên liệu chính thu được từ sinh khối và điện phân nước. Kết quả nghiên cứu cho thấy hai thơng số chính cần điều chỉnh là hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm. Cùng chế độ vận hành động cơ, khi thành phần nhiên liệu thay đổi thì tỉ lệ nhiên liệu/khơng khí cũng như góc đánh lửa sớm phải thay đổi theo cho phù hợp.

Bảng 2.1 giới thiệu tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu tính theo khối lượng và tính theo mol ứng với điều kiện cháy hồn tồn lý thuyết (f=1). LPG có tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu cao nhất trong các loại nhiên liệu nghiên cứu trong cơng trình này. Syngas có tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu bé nhất. Tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến các thông số của hệ thống phun.

Bảng 2. 1: Các loại nhiên liệu sử dụng trong nghiên cứu

Nhiên

liệu mol/mol Mnl (g/mol)

mkk/mnl (kg/kg) Vkk/Vnl (mol/mol) H 100H2 2 34.78 2.4 CH4 100CH4 16 17.39 9.52 LPG 50C3H8-50C4H10 51 15.69 27.59 B1 60CH4-40CO2 27.2 6.14 5.76 B2 70CH4-30CO2 24.4 7.98 6.71 B3 80CH4-20CO2 21.6 10.31 7.68 S1 25CO-10CH4-8H2-5CO2- 52N2 25.52 2 1.76 S2 20CO-12CH4-10H2- 8CO2-50N2 25.24 2.15 1.87

S3 15CO-18CH4-12H2-

10CO2-45N2 24.32 2.83 2.37

HH 1 50B1-30S1-20H 21.66 5.2 3.88

HH 2 40B2-50S2-10H 22.58 4.96 3.86

HH 3 30B3-60S3-10H 21.27 5.41 3.97

Hình 2.9 giới thiệu sơ đồ tiết diện lưu thông trên đường nạp khi thay đổi vị trí bướm ga. Góc đóng bướm ga thay đổi từ 0 (bướm ga mở hồn tồn) đến 60 (bướm ga đóng hồn tồn). Tiết diện lưu thơng của dịng khí có thể được xem là hiệu số tiết diện hình trịn và hình elip của bướm ga chiếu lên mặt phẳng vng góc với trục đường nạp.

Hình 2. 9: Sơ đồ tiết diện lưu thơng trên đường nạp qua bướm ga

Diện tích lưu thơng qua bướm ga:

S(α)=π d

2

4 (1− sinα

sinαo) (2.18)

Bỏ qua các yếu tố ảnh hưởng đến dịng chảy, lưu lượng khơng khí đi qua bướm ga được đơn giản hóa như sau:

mkk(α)=S(α)√2ρkk(p1−p2) (2.19) 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 50 60 mkk , m n l (g /s ) a () mkk m_B3 m_B2 m_HH1 m_S3 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 vkk , vn l (l /s ) a() vkk v_B3 v_B2 v_HH1 v_S3 (a) (b)

bướm ga để đảm bảo (f=1 (rkk=1,293kg/m3, Dp=1000Pa, dnap=30mm)

Hình 2.10a và hình 2.10b biểu diễn biến thiên của lưu lượng khơng khí, lưu lượng nhiên liệu theo góc đóng a của bướm ga tính theo khối lượng và tính theo thể tích. 4 loại nhiên liệu được thể hiện trên hình vẽ gồm biogas B2, B3, syngas S3 và hỗn hợp nhiên liệu HH1. Lưu lượng khơng khí được tính theo biểu thức (2.19). Lượng lượng nhiên liệu được xác định theo mối quan hệ tương ứng cho ở bảng 1. Tính tốn được thực hiện trong điều kiện tiêu chuẩn với khối lượng riêng khơng khí rkk = 1,293kg/m3, Dp = 1000Pa và đường kính ống nạp dnap = 30mm. Chúng ta thấy biến thiên lưu lượng khơng khí, nhiên liệu giảm theo nhánh hình sin, giảm chậm khi bướm ga gần đóng hồn tồn. Để đảm bào điều kiện cháy hoàn toàn lý thuyết, lưu lượng syngas cao nhất trong 4 loại nhiên liệu được chọn.

0 4 8 12 16 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 V n l ( l/ s) p_phun (bar) V_CH4 V_LPG V_B1 V_B2 V_B3 V_S1 V_S2 V_S3 V_HH1 V_HH2 V_HH3

Hình 2. 11: Biến thiên lưu lượng nhiên liệu ra khỏi vòi phun theo áp suất phun (dp=5mm)

Hình 2.11 biểu diễn biến thiên lưu lượng nhiên liệu ra khỏi vịi phun theo áp suất phun. Đường kính lưu thơng của lỗ phun sử dụng trong tính tốn là dp = 5mm. Chúng ta thấy đường cong lưu lượng nhiên liệu ra khỏi vịi phun có dạng parabol. Lưu lượng tăng nhanh khi áp suất bé và tốc độ tăng giảm dần ở áp suất phun cao. Cùng điều kiện phun thì lưu lượng CH4 cao nhất cịn lưu lượng LPG thấp nhất trong các loại nhiên liệu nghiên cứu.

0 2 4 6 8 10 12 0 10 20 30 40 50 60 tp ( m s) a() tp_B3 tp_B2 tp_HH1 tp_S3 tp_LPG p_phun = 1,6 bar d_phun = 5mm 0 5 10 15 20 25 30 35 0 10 20 30 40 50 60 tp ( m s) a () tp_B3 tp_B2 tp_HH1 tp_S3 tp_LPG p_phun = 1,6 bar d_phun = 3 mm (a) (b) 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 tp ( m s) a() tp_B3 tp_B2 tp_HH1 tp_S3 tp_LPG p_phun = 0.5 bar d_phun = 3 mm (c)

Hình 2. 12: Biến thiên thời gian phun theo góc đóng bướm ga để đảm bảo f=1 khi pp=1,6bar, dp=5mm (a), pp=1,6bar, dp=3mm(b) và pp=0,5bar, dp=3mm (c)

Trên cơ sở lưu lượng khơng khí qua bướm ga, lưu lượng nhiên liệu qua vòi phun chúng ta có thể tính được thời gian phun theo góc đóng bướm ga α. Tính tốn được thực hiện với tốc độ động cơ 3000 v/ph. Thời gian kỳ nạp trong trường hợp này là 10ms (thời gian ứng với nửa vòng quay trục khuỷu). Hình 2.12a biểu diễn biến thiên thời gian phun theo góc đóng bướm ga a ứng với 4 loại nhiên liệu khảo sát khi áp suất phun 1,6 bar, đường kính lưu thơng vịi phun 5mm. Chúng ta thấy trong điều kiện này, thời gian mở vòi phun ứng với LPG quá bé, nhỏ hơn xung tối thiểu mở vòi phun. Ứng với các loại nhiên liệu cịn lại thì vịi phun có thể đảm bảo được cung cấp nhiên liệu ở khu vực tải lớn.

Khi giảm đường kính lưu thơng của vịi phun xuống cịn 3mm (hình 2.12b) thì thời gian mở vòi phun phù hợp với B2, B3, HH1. Đối với nhiên liệu S3 thời gian phun kéo dài vượt quá thời gian của kỳ nạp, do đó nhiên liệu được phun vào trong chu trình

trước được lưu lại trên đường nạp để hút vào cùng với khơng khí mới ở chu trình tiếp theo.

Khi giảm cả đường kính lưu thơng của vịi phun và áp suất phun (hình 2.12c) (dp=3mm, pp = 0,5 bar) thì thời gian phun tăng, phù hợp với LPG nhưng lại khơng phù hợp với các loại nhiên liệu cịn lại do thời gian phun kéo dài.

Như vậy khi sử dụng vòi phun LPG cho biogas, syngas, hydrogen hay hỗn hợp các loại nhiên liệu này chúng ta phải mở rộng tiết diện lưu thông của lỗ phun hay tăng áp suất phun. Trong trường hợp đó chúng ta có thể sử dụng vịi phun CNG có áp suất phun 5-10 bar hay vịi phun hydrogen có áp suất phun lên đến 14 bar. Tuy nhiên khi tăng áp suất phun chúng ta phải xử lý nhiều vấn đề liên quan đến lưu trữ nhiên liệu và an tồn. Do đó giải pháp phun kéo dài có tính khả thi hơn.

CHƯƠNG 3: CẢI TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHUN XĂNG, ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ CHO ĐỘNG CƠ GX160

3.1. Lựa chọn thiết bị

3.1.1. Lựa chọn động cơ

3.1.1.1. Giới thiệu động cơ Honda GX160

Động cơ Honda GX160 là động cơ xăng có cơng suất nhỏ, chi phí lắp đặt khơng cao nhưng vẫn đáp ứng được nhu cầu sử dụng của người dùng.

Hình 3. 1: Động cơ Honda GX160

Với những đặc điểm: nhỏ gọn, dễ dàng khởi động bằng tay do được trang bị bằng hệ thống nén dây, xylanh đặt nghiêng 25o so với phương nằm ngang làm giảm trọng lực trung tâm, nhờ đó giảm độ rung và tiếng ồn, cơng suất cực đại 4,0 kW nên động cơ được ứng dụng nhiều trong công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp,...

3.1.1.2. Thông số kỹ thuật của động cơ Honda GX160 [15]

Bảng 3. 1: Thông số kỹ thuật của động cơ máy phát điện GX160

Stt Thông số Giá trị

1 Loại máy nổ Động cơ xăng 4 kỳ, 1 xylanh

2 Dung tích xylanh 163 cm3

3 Cơng suất cực đại 4,0 kW tại 3600 v/phút

5 Tiêu thụ nhiên liệu 1,2 lít/giờ = 0,02 l/ph

6 Khối lượng 15,0 kg

7 Dài x Rộng x Cao 304 x 362 x 335 mm 8 Moment xoắn cực đại 10,8 N.m tại 2500 v/phút 9 Dug tích dầu bơi trơn 0,6 lít

10 Dung tích bình xăng 3,6 lít

11 Chiều quay trục khuỷu Bên trái

3.1.2. Lựa chọn các chi tiết, linh kiện

3.1.2.1. Các chi tiết có trong hộp điều khiển

a. Arduino Mega 2560

Hầu hết các Shield của Arduino Uno R3 đều chạy được với Arduino Mega 2560 R3. Nhưng ở Arduino Mega 2560 R3 không dùng được thư viện SoftwareSerial vì đã được tích hợp sẵn 4 cổng Hardware Serial trên board.

Hình 3. 2: Arduino Mega 2560

Bảng 3. 2: Thông số kỹ thuật của Arduino Mega 2560

ST T

Thông số Mega 2560

1 Vi điều khiển chính Atmega 2560

2 IC nạp và giao tiếp UART ATmega16U2

cắm từ giắc tròn DC

4 Số chân Digital I/O 54 (15 chân xuất xung PWM)

5 Số chân Analog Input 16

6 Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O

20 mA

7 Dòng điện DC Current chân 3.3V 50 mA

8 Flash Memory 256 KB trong đó 8 KB sử dụng cho bootloader 9 SRAM 8 KB 10 EEPROM 4 KB 11 Clock Speed 16 MHz 12 LED_BUILTIN 13 13 Kích thước 101,52x53,3 mm

b. Modul cơng suất HW532B-LR7843

Hình 3. 3: Module cơng suất HW532B-LR7843

Tính năng module:

- Với cách ly bộ ghép quang, tín hiệu điều khiển và cơng suất của thiết bị được điều khiển được cách ly, làm tăng đáng kể độ cứng của nhiễu.

- Tương thích với bảng điều khiển MCU và Arduino, tín hiệu 3V hoặc 5V. - Khởi động mức cao, dừng mức thấp, điều chỉnh tốc độ PWM.

- Được sử dụng rộng rãi để điều khiển khởi động, dừng của động cơ, van điện từ và các thiết bị phụ trợ khác.

- Có nhiều thơng số kỹ thuật khác nhau của bo mạch chủ MOS để cung cấp sự lựa chọn.

- Mặt đầu vào tín hiệu có thể được hàn vào đầu cuối hoặc chính chốt, bảng mạch tương thích.

- Đầu ra có thể được hàn vào đầu cuối hoặc dây trực tiếp.

- Kích thước module 23mm x 16mm có hai lỗ vít đường kính 2mm, khoảng cách lỗ 8mm.

c. Màn hình LCD

Hình 3. 4: Màn hình LCD

Bảng 3. 3: Thơng số kỹ thuật của màn hình LCD

STT Thơng số Giá trị

1 Điện áp cấp 5 V

2 Kích thước 80 x 36 x 12.5mm

3 Khoảng cách 2 chân kết nối 1,78 mm d. Module hạ áp

Hình 3. 5: Module hạ áp 12V/5V/3,3V

Mạch chuyển đổi điện áp 12V/5V/3,3V có chức năng chuyển đổi nhiều đầu ra điện áp từ điện 12V ngõ vào. Ngõ ra của mạch gồm 3 cụm điện áp gồm 12V, 5V và 3,3V phù hợp để cấp nguồn cho các linh kiện khác trong mạch.

Bảng 3. 4: Thông số kỹ thuật của module hạ áp 12/5/3,3V và LM2596-B3H13

STT Thông số Module hạ áp

12V/5V/3,3V

LM2596 - B3H13

1 Điện áp đầu vào 12 V 3,2-35 V

2 Điện áp đầu ra 5V/3,3V 1.25 - 30V

3 Dòng điện đầu ra 800 mAh 3 A

4 Kích thước 30x32x10 mm 41x20x14 mm

Hình 3. 6: Module hạ áp DC-DC 3A LM2596 - B3H13

e. Opto PC817

Hình 3. 7: Opto PC817

Bảng 3. 5: Thông số kỹ thuật của Opto PC817

STT Thông số Giá trị

1 Loại transistor NPN

2 Dịng cực góp tối đa (IC) 50 mA

4 Điện áp bão hịa cực góp - cực phát 0,1-0,2 V

5 Điện áp cực phát - cực gốc tối đa (VEBO) 6 V