c. Vòi phun xăng và nước
1. Lọc xăng; 2. Đầu nối điện; 3. Cuộn dây kích từ; 4. Lõi từ tính; 5. Kim phun; 6. Đầu kim phun; 7. Gioăng dưới; 8. Gioăng trên.
Hình 3.5. Vịi phun xăng và nước
Vịi phun có nhiệm vụ phun một lượng xăng hoặc nước nhất định vào bộ xúc tác. Khi chưa có dịng điện chạy qua cuộn dây của nam châm điện 3, lò xo ép kim phun 5 tỳ vào đế van đóng vịi phun. Khi có dịng điện kích thích, nam châm điện sẽ hút lõi từ 4, ép lò xo để nâng kim phun lên khoảng 0,1 mm và nhiên liệu sẽ được phun qua một tiết
1 4 5 6 7 8 3 2 35 20 1 2 3 4 5
diện vành khun có kích thước hồn tồn xác định (Hình 3.5). Để giảm quán tính đóng mở, xung điện kích thích vịi phun có thể có cường độ ban đầu khá lớn. Khi kim phun được nâng lên thì dịng điện sẽ giảm xuống đáng kể. Nhờ đó cường độ dịng kích thích mở vịi phun có giá trị lớn làm tăng gia tốc mở kim phun, căn cứ lượng nhiên liệu phun như đã được tính tốn ở mục 3.2.2.1, NCS tiến hành xây dựng đặc tính cung cấp của vịi phun sao cho có thể cung cấp đủ nhiên liệu và nước cho bộ xúc tác. Hình 3.6 chỉ ra đặc tính cung cấp xăng của vịi phun.
3.2.1.3. Mạch điều khiển
a. Cấu trúc bộ điều khiển khi động cơ sử dụng bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hyđrơ Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển động cơ xe máy khi sử dụng bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hyđrơ được thể hiện trên Hình 3.7. Bộ điều khiển thơng qua tín hiệu từ các cảm biến đo các thông số làm việc của động cơ như tốc độ, độ mở bướm ga, nhiệt độ động cơ sẽ điều khiển các cơ cấu chấp hành cung cấp lượng nhiên liệu và hơi nước phù hợp cho bộ xúc tác. Hỗn hợp nhiên liệu và hơi nước qua bộ xúc tác sẽ phản ứng tạo thành hỗn hợp khí giàu hyđrơ và được dẫn về đường nạp nạp vào động cơ.
0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 Đường nước Đường xăng L ƣợn g nh iên li ệu, nƣ ớc (m g)
Hình 3.6. Đặc tính phun nhiên liệu của vịi phun xăng và nước
Hình 3.7. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ xe máy sử dụng bộ xúc tác
b. Thiết kế mạch nguyên lý của bộ điều khiển động cơ xe máy khi sử dụng bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hyđrơ.
- Mạch cấp nguồn
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý mạch khối cấp nguồn
Khối nguồn gồm 2 phần bao gồm khối nguồn 5V để cung cấp cho vi điều khiển, các cảm biến… khối 12V nhằm cung cấp điện áp cho các cơ cấu chấp hành như vòi phun nước, nhiên liệu.
- Mạch điện điều khiển vòi phun nhiên liệu, nước cung cấp cho bộ xúc tác
Khi nhận được tín hiệu điều khiển phun từ VXL, điện áp ở cực điều khiển mức cao (5V) được đặt vào cực G của IRF540N, khi đó linh kiện (MOSFET) nghịch này sẽ được phân cực thuận và cho dòng điều khiển vòi phun tiếp mát, vòi phun sẽ được mở
thực hiện phun nhiên liệu, nước. Khi kết thúc 1 chu kỳ phun, điện áp điều khiển được hạ về mức thấp (0V), linh kiện (MOSFET) khơng được phân cực, khơng có dịng chạy qua, vịi phun sẽ đóng lại. Mạch điện điều khiển vịi phun nhiên liệu, nước được trình bày trên Hình 3.9.
Hình 3.9. Mạch điện điều khiển vòi phun nhiên liệu, nước cung cấp cho bộ xúc tác
- Mạch tạo xung nhịp dao động
Thạch anh 8MHz được sử dụng để giữ nhịp dao động của vi điều khiển, với độ chính xác cao (sai số gần như 0%). Hai tụ điện C13 và C14 có giá trị 27pF nhằm duy trì dao động của thạch anh (Hình 3.10).
Hình 3.10. Sơ đồ mạch tạo xung nhịp
- Mạch reset
Mạch reset có tác dụng reset lại vi điều khiển khi bật tắt khóa điện, lúc đó sẽ có tín hiệu điện áp tác động vào chân RESET của bộ vi điều khiển và vi điều khiển được reset lại (Hình 3.11).
Vòi phun Đế van Lò xo Transitor ĐK Lọc xăng Ắc quy nước
- Mạch kết nối giao tiếp giữa ECU với máy tính
Để thuận lợi cho q trình nghiên cứu ta cần hiển thị các thơng số của hệ thống trên máy tính trong q trình thí nghiệm như điều chỉnh lượng nhiên liệu, nước, nhiệt độ bộ xúc tác… khi xây bộ thông số lượng nhiên liệu, hơi nước cung cấp cho bộ xúc tác phụ thuộc chế độ làm việc của động cơ.
Có 3 chân chính liên quan đến module này; là chân xung nhịp - XCK, chân truyền dữ liệu – TxD (Transmitted Data) và chân nhận dữ liệu RxD (Received Data).
Máy tính PC thơng thường được cung cấp 4 cổng nối tiếp được đánh số là COM1, COM2, COM3, COM4 với các địa chỉ như sau Bảng 3.7
Bảng 3.7. Địa chỉ các cổng COM trên máy tính PC1
Tên Địa chỉ Ngắt Vị trí chứa địa chỉ
COM1 3F8h 4 0000h:0400h
COM2 2F8h 3 0000h:0402h
COM3 3E8h 4 0000h:0404h
COM4 2E8h 3 0000h:0406h
Cổng COM có 2 dạng đầu nối DB25 (25 chân) và DB9 (9 chân). Trong quá trình thiết kế sử dụng đầu nối DB9, các chân được mô tả theo Bảng 3.8.
Bảng 3.8. Các tín hiệu của các chân đầu nối DB9 trên máy tính PC Chân Chân số Tín hiệu Hƣớng truyền Mơ tả
1 DCD DCEDTE Data carier detect: DCE phát hiện sóng mang 2 RxD DCEDTE Received data: dữ liệu nhận
3 TxD DTEDCE Transmitted data: dữ liệu truyền
4 DTR DTEDCE Data terminal ready: DTE sẵn sàng làm việc
5 GND - Ground: nối đất (0V)
6 DSR DCEDTE Data set ready: DCE sẵn sàng làm việc 7 RTS DTEDCE Request to send: DTE yêu cầu truyền dữ liệu 8 CTS DCEDTE Clear to send: DCE sẵn sàng nhận dữ liệu 9 RI DCEDTE Ring indicator: báo chng
Như vậy để tương thích mức logic và điện áp giữa PC và vi điều khiển thì việc trang bị một bộ nhận và đệm đường truyền RS232 là cần thiết. Bộ nhận và đệm đường truyền RS232 được dùng phổ biến nhất là loại vi mạch MAX232 của hãng Maxim.
Vi mạch này nhận mức RS232 đã được gửi tới từ máy tính và biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu sao cho tương thích với vi điều khiển ATMega32 và nó cũng thực hiện ngược lại là biến đổi tín hiệu của vi điều khiển thành mức +12V, -12V để cho phù hợp với hoạt động của máy tính. Giao tiếp theo cách này, khoảng cách từ máy tính đến thiết bị ngoại vi có thể đạt tới 15m.
c. Thiết kế hồn chỉnh mạch nguyên lý
Trên cơ sở các khối nguồn, khối vi xử lý, mạch dao động ngoài, mạch reset, khối giao tiếp với máy tính, khối điều khiển các cơ cấu chấp hành (vòi phun nhiên liệu, nước) ta tiến hành kết nối lại thành một mạch nguyên lý hoàn chỉnh.
Hiện nay có nhiều phần mềm để thiết kế mạch như: Ocard, Proteus, AltiumDesigner… Ở đây NCS sử dụng phần mềm AltiumDesigner để thiết kế từ mạch nguyên lý đến mạch in. Trước tiên cần thiết kế mạch nguyên lý (schematics). mạch nguyên lý đầy đủ của bộ điều khiển được thể hiện như trên Hình 3.13.
Hình 3.13. Sơ đồ mạch nguyên lý của bộ điều khiển
Thực hiện các thao tác đặt luật, đi dây với toàn bộ các linh kiện và ở 2 lớp, phủ đồng kết quả ta sẽ có mạch in hồn chỉnh sau khi đã sắp xếp linh kiện và đi dây như Hình 3.14.
Sau khi có mạch in, bước tiếp theo tiến hành in mạch mua linh kiện và hàn mạch. Mạch điều khiển sau khi lắp linh kiện được thể hiện như Hình 3.15.
Hình 3.15. Mạch điều khiển hồn thành sau khi hàn các linh kiện
3.2.2. Thiết kế bộ xúc tác Ni-Cu/Al2O3
3.2.2.1. Phủ lõi xúc tác Ni-Cu/Al2O3
Với tiêu chí đảm bảo phản ứng xúc tác tạo hyđrơ có hiệu suất cao, khơng gây cản trở quá lớn tới dịng khí lưu động qua bộ xúc tác và kích thước gọn phù hợp lắp trên đường thải của động cơ xe Piaggio Liberty, theo kinh nghiệm nghiên cứu ở chương 2, NCS lựa chọn lõi xúc tác để phủ có các thơng số như trong Bảng 3.9.
Bảng 3.9. Thông số lõi được chọn để phủ xúc tác
STT Thông số Giá trị
1 Đường kính lõi xúc tác (mm) 25 2 Chiều dài lõi xúc tác (mm) 60 3 Diện tích bề mặt (m2) 0,125 4 Số cell trên inch vuông 200
NCS tiến hành phủ xúc tác lên lõi đã chọn. Hiện nay trên thế giới phổ biến có 4 nhóm phương pháp phủ bề mặt chi tiết, bao gồm:
Các phương pháp hóa học và điện ly Các phương pháp vật lý
Các phương pháp cơ học Phương pháp sol-gel
Các phương pháp đều có những ứng dụng riêng phù hợp với từng điều kiện sử dụng và chế tạo. Phương pháp sol-gel được sử dụng phổ biến để phủ vật liệu xúc tác trên lõi kim loại ứng dụng cho xử lý khí thải trên động cơ. Vì vậy trong đồ án này, NCS lựa chọn phương pháp sol-gel để phủ lớp vật liệu trung gian và lớp vật liệu xúc tác tạo khí giàu hyđrơ trên lõi kim loại. Sau đây, NCS trình bày chi tiết về quy trình phủ của phương pháp này.
a. Mơ tả quy trình phủ
Hình 3.16. Quy trình cơng nghệ chế tạo lớp phủ NiO-CuO/ -Al2O3/FeCrAl
Quy trình cơng nghệ phủ bao gồm các bước trình tự xử lý lõi, điều chế các dung dịch phủ lớp vật liệu trung gian và lớp xúc tác (Hình 3.16). Sau đây NCS trình bày chi tiết các bước trên.
b. Các bước quy trình cơng nghệ phủ Xử lý lõi kim loại
Xử lý lõi kim loại là một trong những bước rất quan trọng trong quy trình phủ, vì việc xử lý bề mặt lõi có liên quan đến tính kết dính giữa lớp vật liệu trung gian và lõi, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng của bộ xúc tác. Mục đích của việc xử lý nền là tạo lớp ơxít nhơm trên bề mặt lõi để có thể kết dính tốt với lớp trung gian, lõi kim loại là thép hợp kim FeCrAl với thành phần Fe-Cr (17-21%)-Al (2-4%). Để tạo lớp ơ xít nhơm trên bề mặt lõi, lõi sẽ phải qua các bước xử lý hóa học sau: đầu tiên lõi thép hợp kim FeCrAl được nhúng trong dung dịch HCl (69%) trong 2 đến 3 phút để tăng độ nhám bề
mặt, tiếp sau đó lõi được nhúng trong dung dịch HNO3 ở 80ºC trong 5 phút để làm sạch lớp ơxít bề mặt ngồi. Sau khi xử lý hóa học, chất nền được cho vào lò nung ở 900oC trong 10h, lõi sau khi nung sẽ được làm sạch bằng cồn [48].
Điều chế lớp vật liệu trung gian
Dung dịch phủ của lớp vật liệu trung gian được tạo bởi trộn hỗn hợp chất kết dính Al(NO3)3, bột nhơm và nước cất với thành phần khối lượng như sau: 23% khối lượng chất kết dính Al(NO3)3, 23% khối lượng Al2O3 và 54% khối lượng nước cất. Hỗn hợp này được khuấy mạnh trong 8h ở nhiệt độ phịng để giảm kích thước hạt ơxít nhơm.
Tiến hành nhúng lõi kim loại đã được xử lý ở bước 1 vào trong dung dịch phủ của lớp vật liệu trung gian trong thời gian từ 4 đến 6 giây và rút ra từ từ, tốc độ trung bình khoảng 1mm/s. Sau đó để khô lõi vừa nhúng trong khơng khí ở nhiệt độ phòng trong 30 phút, lõi kim loại sau khi để khơ ở ngồi môi trường, sẽ tiếp tục được làm khơ trong lị nung ở nhiệt độ 250oC trong 2h, sau đó nung tiếp ở 650oC để nhiệt hóa chất kết dính trong 2,5h [48].
Tiến hành lặp lại các bước như trên trong 25 lần ta sẽ thu được lớp vật liệu trung gian phủ trên lõi kim loại có kích chiều dầy khoảng 25 m (Hình 3.18).
Điều chế lớp xúc tác
cất, sau đó nghiền hỗn hợp (nghiền ướt) trong 30 phút. Sau đó mẫu phủ sẽ được nhưng trong dung dịch phủ, sau khi nhúng, tiếp tục làm khô và nung như các bước trong phủ lớp trung gian (Hình 3.17) [48].
Sau khi tiến hành phủ lõi xúc tác trong 18 lần, bộ xúc tác thu được có hình dạng được chỉ ra trong Hình 3.18, các thơng số kỹ thuật của lõi được chỉ ra trong Bảng 3.10.
Hình 3.18. Lõi xúc tác sau khi phủ lớp vật liệu trung gian và lớp xúc tác Bảng 3.10. Thông số kỹ thuật của lõi xúc tác Bảng 3.10. Thông số kỹ thuật của lõi xúc tác
STT Thông số Giá trị
1 Khối lượng hoạt tính Ni (g) 1,4 2 Khối lượng hoạt tính Cu(g) 1,5 3 Đường kính lõi xúc tác (mm) 25 4 Chiều dài lõi xúc tác (mm) 72 5 Diện tích bề mặt (m2) 0,125 6 Số cell trên inch vng 200
3.2.2.2. Tính tốn, thiết kế bộ xúc tác
Bộ xúc tác được lắp trên đường thải của động cơ nhằm tận dụng nhiệt khí thải. Để tận dụng nhiệt tốt, lõi được đặt ở chính giữa, khí thải sẽ bao xung quanh lõi xúc tác, để tránh tổn thất cho đường thải, đường khí thải đi bao quanh lõi phải có tiết diện bằng tiết diện của đường thải, trên vỏ phải có đường nước, xăng đi vào bộ xúc tác và có đường khí giàu hyđrơ đi vào đường nạp của động cơ, trên vỏ sẽ đặt thêm các phôi nhôm để xăng và nước nhanh chóng hóa hơi sau khi phun vào bộ xúc tác. Sau đây, NCS trình bày tính tốn, thiết kế bộ xúc tác hồn chỉnh.
Khi lắp bộ xúc tác trên đường thải phải đảm bảo sao cho tổn thất đường thải là nhỏ nhất.
Hình 3.19 chỉ ra kết cấu đường thải xe máy Piaggio Liberty. Với mong muốn nhiệt cấp cho bộ xúc tác là lớn nhất, bộ xúc tác sẽ được đặt gần cổ xả. Song, do vướng các chi tiết trên xe nên bộ xúc tác được đặt cách cổ xả 90 mm. Cổ xả có đường kính trong và đường kính ngồi lần lượt là 15 và 18 mm. Do đó đoạn nối với vỏ bộ xúc tác cũng có kích thước như vậy để giảm tổn thất.
Hình 3.19. Hệ thống đường thải xe máy Piaggio Liberty trước khi lắp bộ xúc tác
Bộ xúc tác sau khi lắp đặt phải đảm bảo tiết diện lưu thông và tổn thất áp suất phải trong khoảng cho phép.
Tiết diện lưu thông của cổ thải là:
2 2 4 2 0, 015 1, 77 10 ( ) 4 4 ct d S m (3-1)
Do đó, tiết diện lưu thơng qua bộ xúc tác ít nhất phải bằng 4
1, 77 10 m2. Tiết diện khí thải lưu thông qua bộ xúc tác được xác định theo công thức:
2 2 4 2 ( ) 1, 77 10 ( ) 4 bxt D d S m (3-2)
Trong đó: d - đường kính ngồi của bộ xúc tác, d = 0,025 mm; D - đường kính trong của vỏ xúc tác.
Từ đó xác định được D 0,033 mm.
Tổn thất cho phép trên đường thải là [∑ΔP] = 0,1 m [49]. Do đó, NCS thiết kế sao cho tổn thất đường thải sau khi lắp bộ xúc tác nhỏ hơn [∑ΔP].
Tổn thất trên đường ống phụ thuộc vào đường kính ống dẫn và vận tốc dịng khí. Vận tốc dịng khí thải được tính theo cơng thức [49]:
2 1 27 , 1 d G v (3-3) Trong đó:
d1: đường kính trong của cổ xả, d1 = 0,015 m.
G: lưu lượng khí thải (kg/s), dựa vào lưu lượng khí nạp và nhiên liệu tiêu thụ lớn nhất tại 70 km/h trong bảng 3.2, xác định được G = 0,00847 kg/s.
γ: khối lượng riêng của khí thải (kg/m3), γ = 1,3.
Thay vào công thức (3-3) xác định được vận tốc dịng khí thải là 39,61 (m/s). Tiến hành xác định chế độ dịng chảy của khí thải trong ống thơng qua hệ số Reynolds [50]: u vd1 Re (3-4) Trong đó: - v: tốc độ trung bình dịng khí thải, v = 42,61 m/s. - d1: đường kính ống dẫn, d1 = 0,015 m. - u: độ nhớt động học của khí thải, u = 1,33 . 10-5 m2/s.
Từ đó xác định được Re = 48056 > 104. Vì vậy, khí thải trong ống xả là dòng chảy rối.
Tổng tổn thất trên hệ thống thải gồm tổn thất trên tất cả các đoạn ống thẳng, các cản cục bộ và cản tại bình tiêu âm:
Δp = ∑ΔpT + ∑ΔpC + Δpta (3-5)
∑ΔpT: tổng tổn thất trên các đoạn ống thẳng