HỢP VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU
4.3. Thiết kế hệ thống cung cấp hybrid biogas-xăng
4.3.1. Nguyên lý cấp ga liên tục và gián đoạn
Dựa trên sự biến thiên áp suất dòng khí trong đường nạp chúng ta có thể thiết kế van chân không để cung cấp nhiên liệu khí cho động cơ. Trong công trình này hai phương án cung cấp nhiên liệu khí kiểu hút chân không đã được đề xuất: phương án cấp nhiên liệu gián đoạn (hình 4.3a) và cung cấp nhiên liệu liên tục (hình 4.3b).
Nguyên lý hoạt động chung của các van này dựa vào sự cân bằng của lực hút chân không tác động lên màng van và lực căng lò xo. Trong trường hợp cấp ga gián đoạn, đường hút chân không cũng chính là đường cấp ga vào đường nạp. Do đó khi mở van cấp ga, độ chân không tại van giảm và van đóng lại. Sau khi đóng, nếu vẫn còn trong
1- Cảm biến áp suất khí nạp 2- Cảm biến nhiệt độ khí nạp 3- Cảm biến vị trí bướm ga 4- Cảm biến oxy
5- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 6- Cảm biến vị trí trục khuỷu
ECU
Các vòi phun
95
quá trình nạp, độ chân không tăng trở lại và van lại mở ra. Việc đóng, mở van vì vậy diễn ra theo chu kỳ. Trong trường hợp cấp ga liên tục thì khoan cấp ga được cô lập với khoan hút chân không. Do đó áp suất ga không ảnh hưởng đến độ chân không nên van không đóng, mở theo chu kỳ như trường hợp cấp ga gián đoạn.
Hình 4.3: Sơ đồ van cấp gas gián đoạn (a) và van cấp gas liên tục (b)
Với đồ thị biến thiên áp suất trên đường nạp trình bày ở hình 4.4a và 4.4b, việc lựa chọn đường kính màng van và sức căng lò xo cho phép chúng ta điều chỉnh thời điểm bắt đầu và kết thúc quá trình cung cấp nhiên liệu.
(a) (b)
Hình 4.4: Biến thiên áp suất trung bình tại các mặt cắt ngang khảo sát khi cung cấp biogas liên tục (a) và khi cấp biogas gián đoạn (b)
Hình 4.4a là biến thiên áp suất trong trường hợp cấp biogas theo kiểu hút liên tục, nghĩa là vị trí hút chân không và vị trí cấp biogas khác nhau. Hình 4.4b là biến thiên áp suất trong trường hợp cấp biogas gián đoạn, nghĩa là hút chân không và cấp
pres-section_bioseul_n2000_permanent
-35000 -30000 -25000 -20000 -15000 -10000 -5000 0
0 30 60 90 120 150 180 S2 S1
S4
S3
(TK)
p (Pa)
96
biogas cùng một vị trí trên đường nạp. Khi cấp ga liên tục, đường cong áp suất biến thiên đều đặn như khi không cấp ga. Xung áp suất chỉ xuất hiện tại thời điểm mở và đóng van cấp ga. Trong trường hợp cấp ga gián đoạn, áp suất dao động rất mạnh. Giá trị của độ chân không tại các đỉnh xung lớn hơn giá trị độ chân không trung bình tại mặt cắt tương ứng khi cấp ga liên tục.
Với đường kính màng van cho trước, thời điểm đóng, mở van cấp ga, tức thời gian cấp ga, có thể được điều chỉnh thông qua điều chỉnh sức căng lò xo để van hoạt động trong phạm vi độ chân không mong muốn. Với cùng độ chân không cho trước thì khoảng góc quay trục khuỷu mở van (tính theo độ góc quay trục khuỷu, TK) tăng khi tăng tốc độ động cơ. Tuy nhiên lượng khí ga hút vào đường nạp nhiều hay ít phụ thuộc khoảng thời gian mở van (tính theo s). Khi tốc độ động cơ cao thì cùng một khoảng thời gian tính theo giây (s) cho trước, trục khuỷu quay được một góc lớn hơn khi tốc độ động cơ thấp.
Cụm van được thiết kế, chế tạo theo mô-đun với công suất cơ sở. Tùy theo tỉ lệ công suất của động cơ so với công suất cơ sở này, có thể sử dụng 1 hay nhiều cụm van ghép song song để đảm bảo lưu lượng nhiên liệu khí cung cấp cho động cơ.
4.3.2. Hệ thống cung cấp biogas cho động cơ DA465QE
Hình 4.5: Sơ đồ hệ thống cung cấp biogas kiểu 2 van chân không
7 8
10 11 12
13 14
Không khí
Biogas
97
1. Van cấp biogas liên tục;2. Van cấp biogas gián đoạn; 3. Van cơ khí; 4. Đường cấp biogas; 5. Van tổng biogas; 6. Cửa nạp biogas; 7. Van không tải; 8. Đầu ra van không tải; 9. Đầu cấp biogas; 10. Đầu hút chân không; 11. Họng Venturi;12. Bướm
ga; 13. Vòi phun không tải;14. Vòi phun xăng
Hình 4.5 giới thiệu sơ đồ hệ thống cung cấp biogas cho động cơ DA465QE trong trường hợp động cơ chỉ chạy bằng biogas. Trong trường hợp này hệ thống phun xăng được cắt hoàn toàn. ECU chỉ làm nhiệm vụ điều khiển hệ thống đánh lửa. Để đảm bảo cho hệ thống điều khiển động cơ hoạt động bình thường, các vòi phun được thay thế bằng các điện trở tương đương. Cơ cấu điều khiển bướm ga được giữ nguyên. Đường nạp được bổ sung thêm họng venturi và các vòi phun biogas chính, vòi phun biogas không tải.
Khi chạy bằng biogas, van tổng biogas 5 mở. Động cơ chạy cầm chừng nhờ biogas cung cấp qua vòi phun không tải 13. Lượng biogas không tải được điều chỉnh nhờ vít không tải 7.
Khi tăng tải, bướm ga 12 mở rộng, độ chân không tại họng venturi 11 tăng, hút các màng cao su của các van 1 và 2. Khi độ chân không còn bé, chỉ có van 2 tác động, mở van cơ khí 3 để cung cấp biogas vào họng venturi theo phương thức gián đoạn.
Khi độ chân không tăng mạnh hay khi gia tốc, van 1 tác động, đẩy van cơ khí thông qua van 2 để cấp biogas liên tục vào họng venturi. Nhờ sự phối hợp của các van 1 và 2, biogas được cung cấp vào động cơ phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ.
Như đã phân tích ở chương mô phỏng quá trình nạp, nếu chỉ có 1 van chân không thì động cơ có thể làm việc ở một chế độ tải nhất định. Khi thay đổi chế độ tải thì hỗn hợp hoặc nghèo hoặc giàu làm giảm tính kinh tế và tăng phát thải ô nhiễm.
Động cơ DA465QE lắp trên ô tô nên chế độ tải thay đổi liên tục, hệ thống 1 van chân không để cung cấp biogas không phù hợp. Do đó việc kết hợp hai van chân không, một van cung cấp biogas gián đoạn và một van cấp biogas liên tục là giải pháp tối ưu để xử lý những bất cập của hệ thống 1 van chân không.
98
4.4. Hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng cho động cơ DA465QE
Hình 4.6: Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng
1. Van cấp biogas liên tục; 2. Van cấp biogas gián đoạn; 3. Van cơ khí; 4. Van tổng biogas; 5. Cửa nạp biogas; 6. Cửa hút chân không; 7. Họng venturi; 8. Bướm ga
biogas; 9. Bướm ga xăng; 10. Cảm biến vị trí bướm ga; 11. Vòi phun xăng.
Hình 4.6 giới thiệu sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng cho động cơ DA465QE. Đường nạp và hệ thống phun xăng nguyên thủy của động cơ được giữ nguyên. Đường nạp biogas được bố trí phía sau bướm ga xăng. Nguyên lý cung cấp biogas cho động cơ như phương án trên. Do phối hợp hai nhiên liệu nên hệ thống điều khiển bướm ga được kết nối theo nguyên lý bướm ga biogas mở góc lớn hơn bướm ga xăng khi đạp ga. Tỉ lệ góc mở các bướm ga này phụ thuộc vào tỉ lệ xăng/biogas cần cung cấp cho động cơ.
Khi động cơ hoạt động, không khí nạp qua đường nhiên liệu biogas và đường nhiên liệu xăng. Do góc mở bướm ga xăng nhỏ nên ECU điều khiển phun xăng ở chế độ tải cục bộ đã được cài đặt. Công suất động cơ chủ yếu do biogas cung cấp. Vòi phun xăng sẽ cung cấp thêm nhiên liệu khi hỗn hợp nghèo.
Khi động cơ chạy ở chế độ toàn tải, bướm ga biogas đã mở hoàn toàn mà hỗn hợp vẫn chưa đạt được hệ số tương đương cháy hoàn toàn lý thuyết thì cảm biến oxygen sẽ tác động để ECU điều khiển vòi phun xăng cung cấp thêm nhiên liệu. Nhờ
7 8
11 7
8 6
Không khí
Biogas
5
9 10
Biogas
Không khí
ECU
Xăng
99
vậy thành phần hỗn hợp luôn đạt giá trị tối ưu và động cơ có thể phát công suất tương đương với khi chạy bằng xăng, khi làm việc trên đường đặc tính ngoài.