CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TẠO KHÍ GIÀU HYĐRÔ SỬ DỤNG HỆ XÚC TÁC NI-CU/AL 2 O 3
3.2. Tính toán thiết kế hệ thống tạo khí giàu hyđrô trên xe máy
3.2.1. Tính toán thiết kế hệ thống tạo khí giàu hyđrô sử dụng bộ xúc tác mới Ni- Cu/Al 2 O 3 trên động cơ
Trong phần này, NCS sẽ tính toán lượng xăng và nước cần cấp cho bộ xúc tác ứng với các chế độ làm việc của động cơ. Sau đó tiến hành thiết kế và chế tạo hệ thống thích hợp sử dụng bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô này.
3.2.1.1. Tính toán lượng nhiên liệu và nước cần thiết cấp cho bộ xúc tác tại các chế độ làm việc của động cơ
Để tính lượng nhiên liệu và nước cấp cho bộ xúc tác, cần xác định lượng khí giàu hyđrô cần thiết ứng với mỗi chế độ động cơ. Theo các kết quả nghiên cứu [45, 46] cho thấy khi bổ sung 3% lượng khí hyđrô so với lưu lượng thể tích khí nạp thì hiệu suất nhiệt tăng và thành phần phát thải độc hại của động cơ giảm. Dựa theo các kết quả nghiên cứu này, NCS sẽ đi tính lượng khí giàu hyđrô phù hợp với các chế độ tải của động cơ xe Piaggio Liberty.
Cảm biến đường nạp
Cảm biến nhiệt độ trên bộ xúc tác Dây điều khiển vòi phun nước
Dây điều khiển vòi phun xăng
Bình nước Vòi phun xăng
và nước
Cổ nạp
Đường xăng Bình xăng Đường nước
Cổ thải Bộ xúc tác Hệ
thống thải
1930
1470
61
Để có lượng khí hyđrô đáp ứng yêu cầu cho từng chế độ của động cơ, cần xác định lượng nhiên liệu và lượng nước cần cấp cho bộ xúc tác. Tại mỗi chế độ, lượng nhiên liệu cấp cho động cơ khác nhau dẫn đến đặc tính kỹ thuật khác nhau, do vậy lượng nhiên liệu cấp cho bộ xúc tác khác nhau. Để đánh giá lượng nhiên liệu cấp cho bộ xúc tác lớn nhất là bao nhiêu và chiếm bao nhiêu phần trăm so với lượng nhiên liệu cấp cho động cơ, tiến hành nghiên cứu thử nghiệm xe nguyên bản tại tại 100% tay ga, trang thiết bị thử nghiệm được trình bày trong Phụ lục, còn phương pháp thử nghiệm sẽ được trình bày chi tiết trong chương tiếp theo.
Bảng 3.2. Đặc tính kinh tế kỹ thuật của động cơ xe Piaggio Liberty tại 100% tay ga Tốc độ xe
(km/h)
Ne (kW)
Gnl (g/h)
Gkk (l/h)
Nhiệt độ khí thải (oC)
40 4.17 1677.6 18360 594
50 5.02 2084.4 19980 609
60 5.23 2289.6 21180 612
70 5.99 2530.8 21600 636
Bảng 3.2 chỉ ra đặc tính kinh tế kỹ thuật của động cơ xe Liberty tại 100% tay ga.
Với kết quả này, NCS tiến hành nghiên cứu thay đổi lượng nhiên liệu cấp cho bộ xúc tác và tính toán lượng khí giàu hyđrô thu được. Kết quả tính toán cho thấy, nếu sử dụng 6% lượng nhiên liệu cấp cho động cơ (Bảng 3.3), tại tốc độ 70 km/h, lượng khí hyđrô thu được là 8,52 l/ph, chỉ chiếm 2,37% lưu lượng khí nạp nhưng tổng lượng khí giàu hyđrô chiếm tới 3,5%. Nếu tiếp tục tăng lượng nhiên liệu cấp cho bộ xúc tác, lượng khí hyđrô tăng lên, nhưng cũng đồng nghĩa với tổng lượng khí đi vào cửa nạp của động cơ cũng tăng lên, khi đó sẽ ảnh hưởng đến hệ số nạp của động cơ, vì vậy có thể thấy rằng tỷ lệ cấp 6% lượng nhiên liệu cho bộ xúc tác là hợp lý.
Bảng 3.3. Thành phần khí giàu hyđrô thu được khi sử dụng 6% lượng nhiên liệu tiêu thụ cấp cho bộ xúc tác tại 100% tay ga.
Tốc độ xe (km/h)
Gnl (g/h)
Lƣợng nhiên liệu cấp cho
bộ xúc tác (g/h)
H2 (l/h)
CO (l/h)
CO2 (l/h)
CH4 (l/h)
Tổng Lƣợng khí giàu hyđrô
(l/h)
40 1677.6 100.74 219 25.4 44.4 26.4 315.2
50 2084.4 125.04 272.4 31.2 55.2 32.4 391.2
60 2289.6 137.28 462 52.2 84.6 84.6 683.4
70 2530.8 151.8 511.2 57.6 93.6 93.6 756
62
Sau khi đã xác định được tỷ lệ cấp nhiên liệu cho bộ xúc tác, NCS đi tính toán lượng nhiên liệu và nước cấp cho bộ xúc tác tại các chế độ của động cơ. Tiến hành thử nghiệm động cơ tại các chế độ 20%, 50%, 75% và 100% tay ga khi thay đổi tốc độ động cơ để xác định lượng nhiên liệu tiêu thụ tại mỗi chế độ. Bảng 3.4 cho kết quả thử nghiệm lượng tiêu hao nhiên liệu và nhiệt độ khí thải tại các chế độ của động cơ.
Bảng 3.4. Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu và nhiệt độ khí thải tại các chế độ của động cơ
Tốc độ xe (km/h)
20% tay ga 50% tay ga 75% tay ga 100% tay ga
Gnl (g/h)
Nhiệt độ khí xả (oC)
Gnl (g/h)
Nhiệt độ khí xả (oC)
Gnl (g/h)
Nhiệt độ khí xả (oC)
Gnl (g/h)
Nhiệt độ khí xả (oC)
30 907.2 467
40 1036.8 492 1576.8 536 1630.8 556 1677.6 594 50 1072.8 511 1789.2 539 1940.4 568 2084.4 609 60 1177.2 567 1954.8 581 2124 594 2289.6 612
70 2080.8 615 2311.2 625 2530.8 636
Dựa vào kết quả lượng nhiên liệu tiêu thụ tại mỗi chế độ của xe, cùng với phân tích ở trên, NCS tính được lượng nhiên liệu cấp cho bộ xúc tác như chỉ ra trong bảng 3.5.
Bảng 3.5. Lượng nhiên liệu cấp cho bộ xúc tác tại các chế độ khác nhau của xe Tốc độ xe
(km/h)
20% tải 50% tải 75% tải 100% tải Gnlbx
(g/h)
Gnlbx (g/h)
Gnlbx (g/h)
Gnlbx (g/h)
30 54
40 61,2 93,6 97,2 100,8
50 64,8 108 115,2 126
60 72 118,8 126 136,8
70 126 140,4 151,2
Bảng 2.6 của chương 2 đã chỉ ra hiệu suất phản ứng nhiệt hóa đạt cao nhất khi tỷ lệ về khối lượng S/C = 2. Do đó, dựa vào lượng nhiên liệu đã tính được trong (Bảng 3.5), NCS xác định được lượng nước cấp cho bộ xúc tác (Bảng 3.6).
63
Bảng 3.6. Lượng nước cấp cho bộ xúc tác tại các chế độ khác nhau của xe
Tốc độ (km/h)
20% tải 50% tải 75% tải 100% tải Gncbx
(g/h)
Gncbx (g/h)
Gncbx (g/h)
Gncbx (g/h)
30 108
40 122,4 190,8 194,4 201,6
50 129,6 216 234 248,4
60 144 234 255,6 273,6
70 248,4 277,2 302,4
3.2.1.2. Tính toán thiết kế hệ thống cấp nước và xăng cho bộ xúc tác
Như đã trình bày ở trên, hệ thống tạo khí giàu hyđrô gồm các chi tiết chính như:
bơm xăng, bơm nước, vòi phun xăng và nước, ECU điều khiển, sau đây NCS sẽ tính toán thiết kế các chi tiết.
a. Bơm xăng
Như đã phân tích ở trên, nhiên liệu cấp cho bộ xúc tác được trích từ đường xăng chính của động cơ, bên cạnh đó lượng nhiên liệu cấp cho bộ xúc tác không nhiều, vì vậy bơm nhiên liệu của động cơ được sử dụng để cấp nhiên liệu cho bộ xúc tác, (Hình 3.3) chỉ ra kết cấu của bơm xăng đặt trong thùng xăng của xe Piaggio Liberty. So với loại bơm đặt trên đường ống thì loại đặt trong bình nhiên liệu có độ ồn thấp, độ rung động nhiên liệu nhỏ và bơm được làm mát bằng chính nhiên liệu.
Loại bơm được sử dụng là loại bơm tuabin, bao gồm 1 cánh bơm được dẫn động bằng mô tơ, kết hợp với vỏ bơm và nắp bơm tạo thành một bộ bơm. Khi mô tơ quay, các cánh bơm sẽ quay cùng mô tơ, các cánh gạt bố trí dọc chu vi bên ngoài của cánh bơm để đưa nhiên liệu từ cửa vào đến cửa ra. Nhiên liệu bơm từ cửa vào đi qua mô tơ và ra ngoài qua van 1 chiều (Hình 3.3), với áp suất lớn nhất của bơm 3 kG/cm2.
64
1. Van một chiều; 2. Van an toàn; 3. Chổi than; 4. Rotor; 5. Stator; 6. Cánh bơm; 7. Lọc Hình 3.3. Cấu tạo bơm xăng
b. Bơm nước
Bơm nước được sử dụng trong nghiên cứu là loại chạy điện, yêu cầu nhỏ gọn dễ lắp đặt và có sẵn trên thị trường. Xuất phát từ yêu cầu trên, NCS lựa loại bơm là bơm màng hoạt động trên nguyên lý chuyển động qua lại của màng bơm. Hình 3.4 chỉ ra kết cấu của bơm nước. Khi piston dịch chuyển sang phải, màng bơm căng lên thể tích trong buồng bơm tăng lên, dưới tác dụng của chân không sẽ hút đường ống 5 mở ra hút nước từ bình chứa vào buồng bơm. Đường ống 3 vẫn đóng, đến khi nước vào đầy buồng bơm. Lúc này, khi piston dịch chuyển sang trái, màng chuyển động theo, dưới áp lực của dòng nước cũng như lực ép của màng bơm làm đường ống 3 mở ra và đường ống 5 đóng lại nước từ buồng bơm qua đường ống 3 ra đường ống cấp nước qua bộ điều khiển lưu lượng, kết thúc 1 chu trình cấp nước của bơm. Để đảm bảo cung cấp nước ổn định cho bộ xúc tác và thuận tiện cho quá trình chế tạo, bơm nước được chọn có áp suất lớn nhất 7 kG/cm2, lưu lượng lớn nhất 7 lít/phút.
A A
A-A
7 6 5 4 3 2 1
80
30
Đường ra Đường vào
65
1. Piston; 2. Van an toàn; 3. Đường khí; 4. Màng; 5. Đường nạp Hình 3.4. Nguyên lý hoạt động của bơm nước
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. Vòi phun xăng và nước
Vòi phun có nhiệm vụ phun một lượng xăng hoặc nước nhất định vào bộ xúc tác. Khi chưa có dòng điện chạy qua cuộn dây của nam châm điện 3, lò xo ép kim phun 5 tỳ vào đế van đóng vòi phun. Khi có dòng 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
66
diện vành khuyên có kích thước hoàn toàn xác định (Hình 3.5). Để giảm quán tính đóng mở, xung điện kích thích vòi phun có thể có cường độ ban đầu khá lớn. Khi kim phun được nâng lên thì dòng điện sẽ giảm xuống đáng kể. Nhờ đó cường độ dòng kích thích mở vòi phun có giá trị lớn làm tăng gia tốc mở kim phun, căn cứ lượng nhiên liệu phun như đã được tính toán ở mục 3.2.2.1, NCS tiến hành xây dựng đặc tính cung cấp của vòi 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 vòi 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 hyđrô Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển động cơ xe máy khi sử dụng bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hyđrô được thể hiện trên Hình 3.7. Bộ điều khiển thông 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 hyđrô 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
Lƣợng nhiên liệu, nƣớc (mg)
Hình 3.6. Đặc tính phun nhiên liệu của vòi phun xăng và nước Thời gian (m/s)
67
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 hyđrô.
- 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
68
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) không được phân cực, không có dòng chạy qua, vòi phun sẽ đóng lại. Mạch điện điều khiển vòi 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).
Hình 3.11. Sơ đồ mạch reset
Vòi phun Đế van Lò xo
Transitor ĐK Lọc
xăng
Ắc quy
nước
69 - Mạch kết nối giao tiếp giữa ECU với máy tính
Để thuận lợi cho quá trình nghiên cứu ta cần hiển thị các thông số của hệ thống trên máy tính trong quá 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 thông 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.
70
Bảng 3.8. Các tín hiệu của các chân đầu nối DB9 trên máy tính PC Chân
số
Tín hiệu
Hướng
truyền Mô 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 chuông
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.
Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối với máy tính theo chuẩn RS232
71 c. Thiết kế hoàn 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 hoàn chỉnh sau khi đã sắp xếp linh kiện và đi dây như Hình 3.14.
Hình 3.14. Mạch in hoàn thành sau khi sắp xếp linh kiện và chạy dây
72
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.