Nghiên cứu, chế tạo hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu trên động cơ common – rail sử dụng nhiên liệu kép CNG – Diesel

Nội dung text: Nghiên cứu, chế tạo hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu trên động cơ common – rail sử dụng nhiên liệu kép CNG – Diesel

1. NGHIÊN CỨU – CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP NHIÊN LIỆU TRÊN ĐỘNG CƠ COMMON – RAIL SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP CNG - DIESEL RESEARCH AND INSTALL THE DUAL FUEL CNG – DIESEL SUPPLY CONTROL SYSTEM ON COMMON – RAIL ENGINE PGS.TS Đỗ Văn Dũng, ThS. Huỳnh Phước Sơn, KS. Thái Huy Phát. Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh TÓM TẮT Khí thiên nhiên nén (CNG) được đánh giá là nguồn nhiên liệu sạch và có trữ lượng lớn, được sử dụng thay thế cho các nhiên liệu truyền thống (xăng và dầu diesel) trên các động cơ đốt trong. Trong đó, hướng nghiên cứu sử dụng nhiên liệu kép trên các động cơ được xem là có tính khả thi nhằm tiết kiệm chi phí và phù hợp với hạ tầng cung cấp khí CNG. Tuy nhiên, khí CNG khi cháy trong các động cơ nén cháy có tỷ số nén cao, dễ gây ra hiện tượng kích nổ, dẫn đến giảm khả năng sử dụng khí CNG. Sử dụng hệ thống cung cấp hỗn hợp nhiên liệu kép CNG – Diesel được điều khiển bằng điện tử, bao gồm hệ thống CRDI (common rail diesel injection) điều khiển phun dầu diesel để tạo tia lửa mồi và hệ thống phun khí CNG trên đường ống nạp, thay đổi được thời gian, áp suất phun, tỷ lệ hỗn hợp CNG – Diesel theo các chế độ hoạt động của động cơ nên có khả năng khắc phục được hiện tượng kích nổ, tăng tối đa tỷ lệ CNG/diesel. Kết quả thử nghiệm trên động cơ VIKYNO RV125-2, bước đầu cho thấy động cơ hoạt động ổn định ở các tốc độ khác nhau. Kết quả này là cơ sở cho việc tổ chức điều khiển cung cấp CNG cho động cơ nén cháy. Từ khóa: khí thiên nhiên nén (CNG); CRDI; VIKYNO RV 125-2; cảm biến áp suất nhiên liệu; Electronic control unit (ECU); hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG – Diesel. ABSTRACT Compressed Natural Gas (CNG) is considered as a source of clean fuel and have large reservation to use as alternative fuels for internal combustion engines. In particular, the research interest for using dual-fuel in engines is considered to be feasible, cost savings and suitable for CNG gas supply infrastructure. However, when CNG gas is burned in compression ignition engines with high compression ratio, it is easy to cause detonation phenomenon therefore reduce ability to use CNG. The CNG – Diesel mixed system is electronic controlled, including CRDI with injection for initial ignition and the CNG injection system into the intake manifold, with various injection timing and ignition pressure to prevent of detonation, increase the maximum rate of CNG/diesel. Test results on VIKYNO RV125-2 engine, showed that the engine work stably at different speeds. This result is the fundamental for the funther reseach to control supply CNG for compression ignition engines. Key words: Compressed Natural Gas (CNG); CRDI; VIKYNO RV 125-2; HP3 fuel pump; fuel pressure sensor; ECU; dual fuel control system CNG – Diesel.
2. 1. Đặt vấn đề Đề tài này nghiên cứu thay thế hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu cơ khí truyền thống bằng hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG – Diesel trên động cơ VIKYNO RV125-2 nhằm mục đích nghiên cứu phương pháp điều khiển phun mồi diesel tạo tia lửa đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu trong động cơ dual fuel CNG – Diesel. Các nội dung nghiên cứu bao gồm: - Nghiên cứu, cải tạo và lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG – Diesel với các Hình 1: Sơ đồ thiết kế hệ thống cung cấp nhiên cảm biến là tín hiệu đầu vào, bộ phận cung liệu kép sử dụng trên động cơ VIKYNO RV 125-2. cấp nhiên liệu phun diesel mồi gồm bơm cao Giữ nguyên kết cấu động cơ, sau khi tháo áp, ống phân phối nhiên liệu (common rail) và bỏ hệ thống cung cấp nhiên liệu cũ (bơm cao kim phun điện tử [1], bộ phận cung cấp khí áp, bộ điều tốc cơ khí, kim phun), một hệ CNG trên đường ống nạp gồm bình chứa khí thống cung cấp nhiên liệu CRDI [1] và hệ CNG, van giảm áp, kim phun CNG, các cảm thống cung cấp khí CNG được thiết kế và lắp biến đầu vào được lắp lên động cơ VIKYNO đặt mới theo bản vẽ thiết kế (hình 1). RV 125-2, thay cho hệ thống cung cấp nhiên Một hệ thống truyền động đai được thiết liệu truyền thống. kế để dẫn động bơm cao áp HP3 từ trục tay - Chế tạo và lập trình bộ điều khiển (ECU) quay của động cơ, tỷ số truyền tốc độ từ trục cung cấp nhiên liệu kép CNG – Diesel. khuỷu động cơ là 2:1 (hình 2). - Thực nghiệm, đánh giá hoạt động của động cơ qua một số kết quả thực nghiệm. 2. Kết quả nghiên cứu 2.1. Thiết kế, lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG – Diesel lên động cơ VIKYNO RV 125-2 Động cơ VIKYNO RV 125-2 là động cơ diesel tĩnh tại 01 xy lanh, cỡ nhỏ, có các Hình 2: Sơ đồ hệ thống dẫn động bơm HP3. thông số kỹ thuật cơ bản [2]: Bảng 1: Đặc tính kỹ thuật của động cơ 1- Bánh răng lớn trục trung gian Z1= 82 , 2- Vikyno RV 125-2 Bánh răng nhỏ trục trung gian Z2=52, 3- Đường kính x hành trình 94 x 90 Bánh răng trục dẫn động bơm Z3=52, 4- Puly píttông (mm) trục dẫn động bơm cao áp, 5- Dây đai, 6- Thể tích xy lanh (cm3) 624 Công suất định mức (mã 10.5/2200 Puly bơm cao áp HP3, 7- Bánh răng trục lực/vòng/phút) 12.5/2400 khuỷu Z4=41. Công suất tối đa Một cảm biến điện từ xác định vị trí và tốc Mômen cực đại 4.04/1800 (kgm/rpm) độ trục khuỷu (tín hiệu Ne) được gắn trên thân Tỉ số nén 18 động cơ thông qua bánh răng chủ động dẫn Suất tiêu thụ nhiên liệu 185 động bơm cao áp từ trục tay quay. Cụm ống (gam/mã lực/giờ) phân phối và cảm biến áp suất nhiên liệu Áp suất mở vòi phun 220 (kg/cm2) được gắn trên thân động cơ, kim phun điện tử được gắn tại vị trí kim phun cũ, vị trí của đầu
3. kim phun trong buồng đốt giống như vị trí của kim phun cũ. Cảm biến nhiệt độ nước được gắn trên nắp máy (tại vị trí vít xả nước). Hệ thống cung cấp khí CNG gồm một khung gá đỡ bình chứa khí CNG, van giảm áp giúp duy trì áp suất đưa đến kim phun ga là 2 bar, một cảm biến áp suất và nhiệt độ khí ga CNG đặt trên đường ống dẫn khí ga, kim phun khí ga được lắp đặt trên đường ống nạp. Ngoài ra còn có các cảm biến hỗ trợ cho ECU Hình 4: Sơ đồ khối điều khiển van SCV, kim điều khiển các chế độ hoạt động của động cơ phun diesel, kim phun khí ga CNG trên động thực nghiệm như: cảm biến vị trí bàn đạp ga, cơ thực nghiệm VIKYNO RV 125-2. cảm biến kích nổ, cảm biến lưu lượng không ECU được thiết kế để tổng hợp các tín hiệu khí nạp. Hình 3 chỉ ra cách bố trí một số chi đầu vào, tính toán, xuất các tín hiệu đầu ra tiết chính trên mô hình động cơ thực nghiệm. điều khiển van điều khiển lưu lượng SCV (suction control valve) và các kim phun. Phần trung tâm của ECU là chip ATMEGA32 của Atmel, được lập trình bằng ngôn ngữ Assembler. Các tín hiệu đầu vào từ các cảm biến được đưa đến vi điều khiển qua các bộ ADC và bộ đếm Counter [3]. Từ đó, chip ATMEGA32 tính toán để cho ra những tín hiệu cần thiết điều khiển van lưu lượng SCV và các kim phun thích hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ. Hình 3: Mô hình tổng thể lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG – Diesel trên Lập trình giản đồ thời gian phun nhiên động cơ thực nghiệm VIKYNO – RV 125-2 liệu: 2.2. Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển (ECU) điều khiển kim phun diesel, kim phun CNG và van SCV Hoạt động của hệ thống CRDI và hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG – Diesel trên động cơ thực nghiệm hoạt động dựa trên các tín hiệu đầu vào: tín hiệu cảm biến vị trí trục khuỷu (crankshaft position sensor), cảm biến vị trí bàn đạp ga (Accelerator pedal position sensor) VPA, cảm biến nhiệt độ nước (THW), cảm biến lưu lượng không khí nạp (MAF), cảm biến áp suất (CPS), nhiệt độ (CTS) khí Hình 5: Giản đồ thời điểm phun nhiên liệu CNG, được đưa đến ECU, ECU xử lý và kép CNG - Diesel đưa ra tín hiệu điều khiển đến van điều khiển Trong đó: lưu lượng, kim phun diesel và kim phun khí - Td: thời gian để bắt đầu phun dầu diesel ga CNG. trước tử điểm thượng sau khi có tín hiệu xung kích.
4. - Tpd: thời gian nhấc kim phun Diesel. Giải thuật điều khiển chung cho ECU - Tk: thời gian giữa hai xung kích của động cơ. - Tpc: thời gian phun CNG. - Tc: thời gian để bắt đầu phun CNG trước tử điểm thượng sau khi có tín hiệu xung kích. 2.3 Lập trình điều khiển Cả hai hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel và CNG được điều khiển chung bởi bộ điều khiển trung tâm (ECU). Dựa vào các tín hiệu đầu vào, ECU điều khiển hoạt động của các điều khiển lưu lượng SCV, kim phun diesel và kim phun CNG. Phần trung tâm của ECU là chip ATMEGA32 của Atmel, được lập trình bằng ngôn ngữ Assembler. Thực nghiệm tổ chức hoạt động cung cấp hỗn hợp nhiên liệu kép được tiến hành theo quan điểm cung cấp tối thiểu lượng nhiên liệu diesel phun mồi cần thiết đủ cháy được để tạo ra tia lửa đốt cháy hỗn hợp hòa khí CNG trong buồng đốt. Hình 6: Giải thuật điều khiển chung cho Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống ECU cung cấp nhiên liệu kép CNG – Diesel của 3. Thực nghiệm và thảo luận một chu trình (hình 6) được khởi động từ việc 3.1 Thử nghiệm cho động cơ hoạt động với ECU cập nhật các thông số đầu vào. Tín hiệu chế độ chạy hoàn toàn 100% nhiên liệu Ne là cơ sở chính để xác định các thời điểm diesel với hệ thống common-rail phun dầu phun nhiên liệu diesel và CNG. Các tín hiệu điện tử còn lại như VTA, ECT, KNK, FPS, được Động cơ thử nghiệm hoạt động kéo thiết bị dụng để điều khiển, hiệu chỉnh thời điểm tạo tải bằng thủy lực như hình 3 với giá trị phun, thời gian mở của các kim phun nhiên moment cản đặt vào động cơ là 25N.m. Lần liệu. lượt cho động cơ hoạt động ở các dãi tốc độ từ 1200 vòng/phút đến 2200 vòng/phút, ta hiệu chỉnh thời gian cho hộp ECU điều khiển kim phun Diesel với thời gian phun phù hợp để tốc độ động cơ duy trì tương ứng với dãi tốc độ đang đo. Tiến hành đo lượng dầu diesel phun, nồng độ HC và CO trong khí xả bằng máy đo khí thải HORIBA của động cơ tương ứng với từng dãi tốc độ thực hiện. Kết quả thử nghiệm được bày trên bảng 2.
5. Bảng 2: Thông số thực nghiệm (HC, CO, động cơ từ 1200 vòng/phút đến 2200 lượng phun dầu) khi cho động cơ hoạt động vòng/phút, ta hiệu chỉnh lượng thời gian nhấc với 100% dầu Diesel kim CNG, lượng phun diesel là nhỏ nhất, thu thập được các số liệu về lượng dầu diesel Lượng thể phun (theo số vạch tương ứng trên ống tích dầu ne HC CO Ghi Diesel nghiệm) và thời gian điều khiển kim phun (vòng/phút) ppmvol %vol chú phun CNG (giá trị lấy từ chương trình lập trình cho ml/phút ECU). Thời gian lấy số liệu từng trường hợp là 1 phút. Đồng thời đo đạc và thu thập giá trị 1200 12 0.033 7.2 nồng độ HC và CO trong thử nghiệm. Kết quả 1400 13 0.033 11.6 Thời thu được chỉ ra ở bảng 3.2 gian 1600 10.5 0.035 17.7 lấy 3.3 Thảo luận kết quả mẫu: 1800 9.5 0.045 18.5 3.3.1 Đánh giá về lượng nhiên liệu dầu 1 2000 10.5 0.10 26 phút diesel phun trong thử nghiệm ml/phút 2200 9 0.12 36 3.2 Thử nghiệm cho động cơ hoạt động với chế độ nhiên liệu kép CNG – Diesel và dùng nhiên liệu diesel làm tia lửa mồi để đốt cháy hỗn hợp hòa khí Bảng 3: Thông số thực nghiệm (HC, CO, n ( vòng/phút) lượng phun dầu, thời gian nhấc kim CNG) khi cho động cơ hoạt động với chế độ nhiên liệu Hình 7: Lượng dầu diesel phun vào trong 2 kép CNG/Diesel và dùng nhiên liệu diesel làm trường hợp thử nghiệm 100% Diesel và CNG tia lửa mồi để đốt cháy hỗn hợp hòa khí - Diesel) Thời Lượng thể gian Lượng nhiên liệu dầu diesel phun vào ở chế tích dầu ne HC nhấc độ động cơ hoạt động sử dụng nhiên liệu kép CO (vòng/ ppm Diesel kim Ghi chú CNG - Diesel giảm đáng kể so với trường hợp %vol phun phút) vol phun động cơ chạy hoàn toàn 100% diesel, và ở tốc ml/phút CNG độ cao khoảng chênh lệch là lớn nhất. Điều (ms) này được giải thích do ở chế độ chạy bằng 1200 440 0.16 4.4 3.8 nhiên liệu kép CNG - Diesel, dầu diesel chỉ phun vào làm tia lửa mồi để đốt cháy hỗn hợp 1400 467 0.20 5 5.0 khí CNG và không khí, nên lượng phun vào 1600 483 0.24 5.8 5.9 Thời buồng đốt là nhỏ nhất, chỉ đủ duy trì sự cháy. gian lấy Qua đó cho ta thấy được khả năng tiết kiệm 1800 261 0.12 4.8 6.8 mẫu: lượng nhiên liệu dầu diesel phun trong chế độ 2000 71 0.09 8.0 7.6 1 phút sử dụng nhiên liệu kép CNG – Diesel có hiệu quả cao. 2200 20 0.03 8.2 8.1 Cho động cơ hoạt động kéo thiết bị tạo tải bằng thủy lực như hình 3 với giá trị moment cản tính được 25N.m, thay đổi lần lượt tốc độ
6. 3.3.2 Đánh giá về mức độ phát thải nồng độ cao, lượng diesel phun mồi nhỏ nhất, hỗn hợp HC và CO trong thử nghiệm khí ga CNG và không khí cháy sạch hơn, nhiệt độ buồng cháy cao hơn nên nồng độ CO giảm. 4. Kết luận Đây là bước khởi đầu trong việc ứng dụng hệ thống nhiên liệu kép CNG – Diesel trên động cơ diesel 1 xylanh, trong đó hệ thống CRDI nhằm phun mồi tạo tia lửa đốt cháy hỗn hợp khí CNG trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG – Diesel. Các kết quả thực nghiệm bước đầu cho thấy hướng nghiên cứu sử dụng nhiên liệu kép CNG – Diesel trên động cơ nén cháy có tỷ số nén cao là có tính khả thi, cần được đầu tư nghiên cứu và hoàn thiện, đặc biệt là kỹ thuật điều khiển nhằm Hình 8: Mức độ phát thải nồng độ HC và CO giải quyết bài toán về năng lượng và giảm trong 2 trường hợp thử nghiệm thiểu ô nhiễm môi trường. (100% diesel và CNG + diesel) TÀI LIỆU THAM KHẢO Nồng độ HC trong trường hợp động cơ hoạt [1] Trần Thanh Hải Tùng, Đỗ Văn Dũng, động với chế độ nhiên liệu kép CNG - Diesel Huỳnh Phước Sơn, Nguyễn Văn Long Giang, Phan Nguyễn Quí Tâm (2013). "Nghiên cứu, cao hơn so với khi chạy 100% diesel, nồng độ lắp đặt hệ thống nhiên liệu CRDI (Common này cao nhất trong thử nghiệm ở tốc độ 1600 Rail Diesel Injection) trên động cơ Vikyno vòng/phút sau đó giảm theo hướng tốc độ RV125-2". Tạp chí Khoa học và Công nghệ tăng. Vì ở tốc độ cao, lượng không khí vào (Đại học Đà Nẵng) Số 1(62).2013, bài số 21, càng nhiều, nên khả năng cháy của hỗn hợp trang 120. bên trong buồng đốt diễn ra tốt hơn dẫn đến [2] Công ty TNHH MTV Động cơ và máy lượng HC cũng giảm theo. nông nghiệp Miền Nam (VIKYNO & VINAPPRO) . Nồng độ CO trong khí thải ở trường hợp khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG - Diesel [3] Ngô Diên Tập, Kỹ thuật vi điều khiển với ban đầu cao hơn so với chế độ động cơ chạy AVR. Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật Hà 100% diesel, nhưng giảm dần theo hướng Nội 2003. tăng tốc độ động cơ, trong khi ở chế độ chạy hoàn toàn bằng 100% diesel thì nồng độ CO lại tăng. Điều này được giải thích ở tốc độ