L ỜI NÓI ĐẦU
2.3.1.2 Giải pháp kỹ thuật lắp đặt hệ thống cung cấp LPG trên động cơ
Cho đến nay, hệ thống phun nhiên liệu khí vào đường nạp nhờ độ chân không tại cổ góp nạp được dùng phổ biến nhất. Tuy nhiên, những hệ thống phun nhiên liệu mới đang được nghiên cứu áp dụng thể hiện nhiều ưu điểm hơn, đặc biệt là hệ thống phun nhiên liệu ở dạng khí hoá lỏng ngay trước soupape nạp. Hệ thống này có ưu điểm là ngăn chặn sự bốc cháy của hỗn hợp trên đường nạp, hiệu suất của động cơ được nâng cao và mức độ phát ô nhiễm giảm đi rõ rệt.
LPG có thể cung cấp cho động cơ ở dạng khí hay dạng lỏng. Ưu điểm của việc sử dụng LPG dưới dạng khí là sự đồng nhất hoàn toàn của hỗn hợp gas-không khí và tránh hiện tượng ướt thành đường nạp bởi nhiên liệu lỏng, hiện tượng này rất nhạy cảm khi động cơ khởi động và khi động cơ làm việc ở chế độ chuyển tiếp. Điều này cho phép giảm được mức độ phát sinh ô nhiễm. Nhược điểm của việc cung cấp dạng này là quá trình điều khiển dài và sự cung cấp gas liên tục làm hạn chế khả năng khống chế tỉ lệ không khí / gas. Đặc biệt là giai đoạn quá độ của động
cơ. Cũng cần nhấn mạnh thêm rằng công suất động cơ giảm đi khoảng 8% do tổn thất lượng không khí nạp do khí gas chiếm chỗ.
Hệ thống cung cấp LPG bằng cách phun ở dạng lỏng cho phép sử dụng ưu thế của LPG để hạn chế những nhược điểm trên đây. Ưu điểm của việc phun LPG lỏng là tạo khả năng kiểm soát được độ đậm đặc ở mỗi lần phun với thời gian rất ngắn vì vậy có thể áp dụng các biện pháp hữu hiệu nhằm giới hạn mức độ phát ô nhiễm khi động cơ làm việc ở chế độ quá độ. Sự bốc hơi LPG làm giảm đáng kể nhiệt độ khí nạp do đó làm tăng hệ số nạp của động cơ. Mặt khác, màng nhiên liệu lỏng bám trên đường nạp không đáng kể gì so với khi động cơ làm việc với xăng. Điều này thuận lợi cho việc làm giảm mức độ phát sinh HC.
Tuy nhiên, việc sử dụng vòi phun thay vì họng khuyếch tán do làm giảm thời gian tạo hỗn hợp và mật độ nhiên liệu cung cấp dẫn đến sự không đồng nhất của hỗn hợp và do đó có nguy cơ làm tăng nồng độ CO trong khí xả.
2.3.1.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống cung cấp LPG với phương pháp tạo hỗn hợp LPG-không khí kiểu khuyếch tán.
a) Giải pháp kỹ thuật lắp đặt họng khuyếch tán (họng venturi) giữa cổ góp nạp
và bình lọc không khí.
Khi động cơ đang từ chế độ chạy nhiên liệu diesel chuyển sang chạy LPG với diesel làm chức năng phun mồi thì chân ga điều chỉnh lượng nhiên liệu diesel vào động cơ cho phù hợp với tải ở động cơ diesel không còn tác dụng. Vì vậy ta cần lắp đặt thêm một số cơ cấu khác nối với chân ga để điều chỉnh lượng nhiên liệu LPG vào động cơ cho phù hợp với tải. Để thực hiện được nhiệm vụ này ta cần lắp đặt đặt một họng khuyếch tán, trên đó có bố trí bướm ga, bướm gió, một lỗ chạy không tải dưới bướm ga. Họng khuyếch tán này được lắp đặt giữa cổ góp nạp của động cơ và bình lọc không khí.
Để thực hiện việc lắp đặt này ta có thể sử dụng một trong hai phương án. Thứ nhất, sử dụng nguyên một bộ chế hoà khí cũ của động cơ nào đó có công suất tương đương. Phương án thứ hai là chế tạo một họng khuyếch tán hoàn toàn mới. Để chủ động trong công việc, khỏi mất công tìm kiếm chế hoà khí cũ phù hợp với công xuất động cơ, tránh cồng kềnh, tạo mỹ quan chỗ lắp đặt thêm họng khuyếch tán. Tôi chọn giải pháp chế tạo một họng khuyếch tán hoàn toàn mới.
H. 2-13. Cấu tạo họng khuyếch tán 1- Bướm ga; 2- Lỗ chạy không tải
b) Sơ đồ hệ thống cung cấp LPG.
H. 2-14. Sơ đồ hệ thống cung cấp LPG
1- Bình chứa LPG; 2- Van an toàn; 3- Van chặn; 4- Bình lọc; 5 - Bộ giảm áp-hoá hơi; 6 - Ống mềm; 7- Van an toàn; 8- Van điện từ; 9 - Đường không khí vào; 10 - Bộ trộn; 11 - Ống góp nạp; 12 - Buồng đốt; 13 – Cụm nạp - xuất; 14- Ống dẫn nước sau khi làm mát động cơ đi vào; 15- Ống dẫn nước đi ra đến Radiator
Khí hoá lỏng LPG ở trạng thái lỏng trong bình chứa có áp xuất từ 6 – 8 bar, dưới áp suất này khi mở van chặn 3, LPG lỏng được dẫn đi theo đường ống cao áp, qua lọc 4, đến bộ giảm - hoá hơi, tại đây LPG lỏng được chuyển thành hơi với áp suất gần bằng áp suất khí quyển. Sau đó theo kỳ hút động cơ, hơi LPG được hút vào bộ trộn hỗn hợp LPG - không khí và đi vào buồng đốt. Ở bộ giảm áp hoá hơi, quá trình giảm áp hoá hơi diễn ra rất nhanh và thu nhiệt rất nhiều gây ra hiện tượng đóng băng trên thành khoang. Ống dẫn nước vào 14 và ống dẫn nước ra 15 đảm bảo
cung cấp một lượng nước sau khi đi làm mát động cơ đủ lớn tuần hoàn trong khoang bù nhiệt của bộ giảm áp hoá hơi để chống lại hiện tượng đóng băng trên thành khoang.
Các van an toàn 2 và 7 tự ngắt và đóng mạch LPG khi có sự cố. Van điện từ 8 dùng đóng hoặc mở mạch LPG khi sử dụng.
c) Vị trí lắp đặt bộ trộn nhiên liệu LPG - không khí.
Chức năng chính của bộ trộn là tạo ra tỷ lệ nhiên liệu LPG và không khí thích hợp đưa vào buồng đốt của động cơ. Lưu lượng khí nạp là một trong những thông số rất quan trọng khi lắp đặt bộ trộn.
Bộ trộn nhiên liệu LPG lắp trước bướm ga
Cách bố trí này, hỗn hợp được đặc trưng bởi sự điều phối nhiên liệu LPG bị tác động bởi các vật cản như phần tử lọc gió, hình dáng hình học của họng khuyếch tán. Tuy nhiên, có thể thực hiện việc dẫn nhiên liệu LPG qua một lỗ ngang ngay trong họng khuyếch tán. Như vậy, hỗn hợp nhiên liệu LPG - không khí có tính đồng nhất cao. Điều khiển một cách đơn giản lượng hỗn hợp vào buồng đốt nhờ độ mở của bướm ga.
H. 2-15. Sơ đồ lắp bộ trộn LPG trước bướm ga
1- Bình lọc không khí ; 2- Họng khuyếch tán; 3- Bộ trộn; 4- Bướm ga; 5- Lỗ chạy không tải; 6- Bích nối với cổ góp nạp
Thông tin về lưu lượng khí ở bộ trộn được xử lý bởi bộ bốc hơi là hàm của ba thông số: áp suất tĩnh tương đối trong bình lọc không khí, áp suất tương đối trong họng khuyếch tán và sức hút tải trọng của động cơ.
H. 2-16. Sơ đồ lắp bộ trộn LPG sau bướm ga 1- Bình lọc không khí; 2- Họng khuyếch tán; 3- Bướm ga; 4- Bộ trộn; 5- Lỗ chạy không tải; 6- Bích nối với cổ góp nạp.
Lựa chọn: Dựa vào những ưu nhược điểm của hai cách lắp đặt bộ trộn ở trên tôi lựa chọn giải pháp lắp đặt bộ trộn nhiên liệu LPG trước bướm ga.
d) Cấu tạo các bộ phận trong hệ thống.
Bình chứa và cụm nạp - xuất (LPG Tank and Multi Valve)
Nhiên liệu LPG trên ô tô thường được nén trong bình chứa với áp suất khoảng 10 bar. Bình chứa nhiên liệu khí thường có dạng trụ và có 2 đầu hình bán cầu. Đôi khi bình chứa cũng có dạng hình xuyến. Dạng bình chứa này giống hệt bánh xe, thường được sử dụng đối với động cơ lưỡng nhiên liệu vì nó có thể đặt vào không gian của bánh xe dự trữ.
lạn. Ngày nay, trên thế giới có một số nước tiên tiến như: Nga, Mỹ, Nhật…đã bắt đầu sản xuất và sử dụng loại bình chứa LPG bằng nhựa tổng hợp – Plastic có lõi là lưới thép. Loại vật liệu này rất nhẹ dễ sử dụng và vận chuyển, nhưng hiện nay giá thành tương đối cao. Trước khi xuất xưởng các bình chứa LPG đều phải qua thủ tục thử nghiệm, kiểm tra và chứng nhận đạt yêu cầu an toàn như đối với các loại bình chứa có áp suất cao thông thường khác. Ở Pháp bình chứa LPG trên ô tô phải qua thử nghiệm hai bước: bước đầu dưới áp xuất tĩnh 30 bar, bước thứ 2 thử va chạm (50km/h và dừng) ở áp suất 11 bar trong bình chứa.
LPG được nạp vào bình tại trạm nạp, thông qua chi tiết đầu nạp (Refulling Point) đặc chế. Trên thế giới thông thường có hai dạng: vặn vào bằng ren hoặc bằng cần ép để nối với đường ống nạp của trạm nạp, khi nạp LPG chỉ được phép nạp vào 80% dung tích bình chứa, phần thể tích còn lại để dự trữ cho áp suất bão hoà của pha hơi có thể có, do ảnh hưởng của nhiệt độ bên ngoài.
H. 2-17. Thùng nhiên liệu LPG
Trên đường nạp vào còn có van ngược và van khoá bằng tay. Van ngược có tác dụng chỉ cho gas đi theo một chiều vào bình mà không cho gas thoát ra bằng đường nạp này. Van khoá tay có tác dụng đóng của nạp một cách chủ động, rất cần thiết trong trường hợp cần bảo dưỡng van ngược và đầu nạp đặc chế, chi tiết này được chế tạo trên một cụm. Cũng trên cụm này có đường xuất gas ra khỏi bình chứa và có các van an toàn như: van xả tự động khi gas nạp vào đầy quá mức cho phép hoặc sự tăng quá áp suất bão hoà hơi do nhiệt độ tăng đột ngột, van đóng tự động khi dòng gas thoát ra với tốc độ nhanh (khi xảy ra sự cố), van khoá bằng tay đường
xuất gas ra khỏi bình để có thể cô lập gas lỏng trong bình khi cần sửa chữa bảo dưỡng hệ thống. Các chi tiết này được chế tạo trên chung một cụm gọi là cụm nạp - xuất nhiên liệu LPG.
Cụm nạp xuất thường có hình tròn và chế tạo cùng một đồng hồ chỉ thị mức LPG lỏng trong bình. Nó được chia thành các mức 0…1/4…2/4…3/4…4/4. Cụm nạp xuất của tất cả các hãng đều được bảo vệ trong hộp sắt kín, có mắt kính trong suốt để đọc chỉ thị mức LPG ở pha lỏng trong bình. Nắp hộp có thể tháo được và có gờ để đặt roong cao su cho kín, trong hộp này có đường dẫn gió vào và dẫn gió ra độc lập. Đường thông gió ra được đưa xuống gầm xe, để đề phòng trường hợp có rò rỉ ở cụm nạp xuất hoặc những giọt LPG có thể đọng lại ở họng nạp sau mỗi lần nạp LPG, được gió thổi ra ngoài và không tích tụ trong khoang hành lý của xe gây nguy hiểm.
H. 2-18. Cụm van nạp xuất Ống dẫn LPG áp suất cao.
Đường ống dẫn LPG từ bình chứa đến bộ giảm áp – hoá hơi là đường ống chịu áp suất cao tối đa đến 2,4Mpa, nên thường nó được chế tạo bằng đồng thau có đường kính từ 6 – 8 mm. Nó có thể được uốn cong cho phù hợp với yêu cầu sử dụng. Đường ống được lắp đặt dưới gầm xe, cách xa đường ống xả của xe.
H. 2-19. Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp-hoá hơi
1 – Vít điều chỉnh; 2 – Van định lượng ; 3 – Màng cao su tổng hợp; 4 – Đòn bẩy ; 5 - Đường LPG đến bộ trộn; 6 – Van điện từ; 7 – Màng cao su tổng hợp; 8 – Lò so; 9 – Đòn bẩy; 10 – Van giảm áp; 11 - Đường nạp nhiên liệu LPG
Bộ giảm áp – hoá hơi có nhiệm vụ chuyển đổi nhiên liệu LPG ở trạng thái lỏng sang trạng thái hơi trước khi đưa vào bộ trộn và điều khiển lưu lượng nhiên liệu LPG đưa vào động cơ theo các chế độ làm việc.
Bộ giảm áp – hoá hơi được chia làm nhiều ngăn nhờ các màng chắn đặc biệt. Nhiệt độ cần thiết cho hoá hơi LPG được cung cấp nhờ nước nóng đi từ đường ra của nước làm mát động cơ. LPG lỏng ở áp suất bình chứa di chuyển qua các van an toàn đến họng nạp 11 và vào buồng giảm áp (A) thông qua van giảm áp 10. Tại đây áp suất LPG giảm suống còn khoảng 0,45 – 0,65 bar. Bình thường với áp suất cao, dòng LPG lỏng sẽ mở van giảm áp 10 đi vào bên trong buồng A. Khi áp suất bên trong buồng A gia tăng tới một giá trị quy định, nó sẽ đẩy màng cao su 7 dịch chuyển xuống dưới, nén lò xo 8 và làm cho van giảm áp đóng lại thông qua đòn bẩy 9, ngăn không cho nhiên liệu LPG đi vào buồng (A) khống chế áp suất theo quy định do sự cân bằng áp suất buồng A và lò xo 8 cũng như diện tích chịu áp trên và dưới của màng 7.
Để cung cấp nhiệt độ cho LPG giãn nở, nước từ hệ thống làm mát động cơ được tuần hoàn bao quanh buồng (A).
Sau khi qua buồng (A), nhiên liệu tiếp tục đi vào buồng (B) thông qua van định lượng 2. Buồng này được thông với bộ trộn đặt trên họng khuyếch tán và hơi nhiên liệu LPG được hút vào bộ trộn khi động cơ hoạt động.
Màng cao su 3 trong buồng B được di chuyển lên xuống nhờ áp suất nạp, sự dịch chuyển này làm cho đòn bẩy 4 mở van định lượng 2 để hơi nhiên liệu LPG đi từ buồng (A) sang buồng (B). Nếu viêc hút nhiên liệu tăng lên ở bộ trộn, thì lập tức nó sẽ truyền qua buồng (B) và màng cao su 3, cho phép nhiều hơi LPG đi qua van định lượng 2. Ngược lại nếu lực hút ở bộ trộn giảm xuống, do lực đẩy của lò so vít điều chỉnh 1 điều khiển đòn bẩy đóng dần van định lượng 2, giới hạn lượng hơi nhiên liệu LPG đi vào.
Khi động cơ ngừng hoạt động, lò xo vít điều chỉnh tác động lên đòn bẩy 4 khoá van định lượng 2, bảo đảm không cho hơi nhiên liệu LPG đi qua van định lượng.
Dưới đây là hình ảnh thực tế của bộ giảm áp - hoá hơi:
H. 2-21. Sơ đồ nguyên lý của van điện từ
Van điện từ được lắp trên đường ống dẫn nhiên liệu LPG, tác dụng đóng, ngắt mạch LPG.
Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây sinh ra từ trường, lực điện từ sinh ra, nâng lõi thép và ty van đi lên, LPG từ bộ giảm áp – hoá hơi theo đường 4 qua đường 5 đến bộ trộn. Ngược lại khi không cấp điện cho cuộn dây, lõi thép và ty van tỳ xuống không cho LPG từ 4 qua 5.
H. 2-22. Hình ảnh thực tế của van điện từ 1 - Cuộn dây 2 - Lõi thép 3 - Ty van
4 - Nhiên liệu đi vào 5 - Nhiên liệu đi ra
Các kiểu bộ trộn nhiên liệu LPG - không khí kiểu khuyếch tán
Chức năng chính của bộ trộn là tạo ra tỷ lệ nhiên liệu LPG và không khí thích hợp đưa vào buồng đốt động cơ . Lưu lượng khí nạp là một trong những thông số rất quan trọng khi lắp đặt bộ trộn. Bộ trộn được lắp đặt ngay tại cổ góp nạp. Đường gas sau bộ giảm áp – hoá hơi ở trạng thái hơi có áp suất gần bằng áp suất khí quyển đi tới bộ trộn để hoà trộn nhiên liệu LPG - không khí tạo thành hỗn hợp nhiên liệu cung cấp cho động cơ. Chính vì vậy tuỳ thuộc vào mỗi loai động cơ mà bộ trộn có hình dạng, kích thước, tiết diện các lỗ thoát khí khác nhau. Bộ trộn có cấu tạo rất đa dạng và phong phú để tương thích với nhiều loại xe khác nhau.
Bộ trộn dạng kim phun: loại này có cấu tạo đơn giản, khi lắp đặt kim phun vào họng khuyếch tán chỉ cần khoan một lỗ trên thành họng khuyếch tán. Kim phun được tính toán, lựa chọn sau đó tạo ren để lắp, kim phun lắp ngay tại họng khuyếch tán có tốc độ không khí đi qua lớn và sự hoà trộn hỗn hợp diễn ra rất hiệu quả.