Thiết kế chế tạo bộ điều khiển điện tử hệ thống phun nhiên liệu LPG cho động cơ yanmar 3SM sử dụng hệ thống nhiên liệu kép

i


MỤC LỤC

Trang
MỤC LỤC i
DANH MỤC BẢNG iii
DANH MỤC HÌNH iv
DANH MỤC BIỂU ĐỒ vi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2
1.1. Đối tượng phạm vi nghiện cứu 4
1.1.1. Đối tượng nghiên cứu 4
1.1.2. Phạm vi nhiên cứu 4
1.1.2.1. Về mặt lý thuyết 2
1.1.2.2. Về mặt thực nghiệm 2
1.1.3. Mục Tiêu Nghiên Cứu: 2
1.2. Tình hình nghiên cứu, sử dụng LPG 2
1.3. Định nghĩa LPG, các đặc tính và ưu điểm của LPG 8
1.3.1. Định nghĩa LPG 8
1.3.2. Các đặc tính của LPG 9
1.3.4. Đánh giá khả năng sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng động cơ Diesel 10
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN PHUN LPG CHO
ĐỘNG CƠ. 11
2.1. Khái Quát Chung Về Hệ Thống Sử Dụng Nhiên Liệu Kép:LPG- DO 11
2.2. Giới thiệu về động cơ YANMAR 3SM 12
2.2.1. Khái quát chung động cơ Yanmar 3sm 12
2.2.2. Các bộ phận và hệ thống cơ bản của động cơ Yanmar 3SM 15
2.2.3. Bộ điều tốc động cơ Yanmar 3SM 15
2.2.4. Khái quát chung về hệ thống nhiên liệu của động cơ Yanmar 3sm 17

2.2.4.1. Nhiệm vụ và yêu cầu của hệ thống nhiên liệu động cơ: 17
2.2.4.2. Một số bộ phận chính của hệ thống nhiên liệu 20
2.3. Hệ Thống Cung Cấp LPG Trên Động Cơ Yanmar 3sm 23

ii


2.3.1.Phân tích và lựa chọn phương án điều khiển phun LPG thích hợp với bộ môn động
lực hiện nay và động cơ thí nghiệm. 24
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN PHUN LPG 29
3.1. Các thiết bị trong hệ thống cung cấp LPG cho động cơ 30
3.1.1. Bình chứa LPG 30
3.1.2. Bẫy lửa 30
3.1.3. Van điều áp 31
3.1.4. Van một chiều 32
3.1.5. Cảm biến nhiệt độ 32
3.1.6. Cảm biến thời điểm đóng mở của xupáp nạp 34
3.2. Bộ điều khiển điện tử điều khiển phun LPG cho động cơ 38
3.2.1. Sơ đồ khối mạch điều khiển cung cấp LPG và dầu DO 38
3.2.2. Bộ xử lý trung tâm( ECU ) 38
3.2.3. Tổng quan về vi điều khiển ATMEGA 16 39
3.2.3.1. Đặc điểm của ATMEGA 16 42
3.2.3.2. Lưu đồ thuật toán chương trình chính 46
3.2.3.3. Thiết kế chế tạo hộp điều khiển 48
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 54
4.1. Mục đích 54
4.2. Trang thiết bị thí nghiệm 54
4.3. Sơ đồ bố trí thực nghiệm 54
4.4. Tiến hành thực nghiệm 59
4.4.1. Điều kiện tiến hành thí nghiệm 59

4.4.2. Quy trình tiến hành thực nghiệm 59
4.4.3. Kết quả chạy thử nghiệm 60
4.4.4. Nhận xét 63
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 65
KẾT LUẬN 65
ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO 66


iii


DANH MỤC BẢNG

Bảng 2-1. So sánh LPG và các loại nhiên liệu cổ điển 9
Bảng 2-2. Thông số kỹ thuật của động cơ Diesel Yanmar 3SM 45HP 14
Bảng 2-3. Các chi tiết hệ thống nhiên liệu động cơ YANMAR 3SM 18
Bảng 2.4 Các chi tiết bơm cao áp 21
Bảng 4-1. Số liệu chạy thực nghiệm chạy không tải đo chi phí nhiên liệu 60
Bảng 4-2. Số liệu chạy thực nghiệm chạy không tải sự ảnh hưởng của LPG đến tốc
độ động cơ 61
Bảng 4-3. số liệu chay thực nghiệm đo khí xả động cơ tại tốc đô n=590 (v/p) 62




iv


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Xe Volvo S80 dùng động cơ 2 nhiên liệu xăng & LPG (thị trường Anh) 4
Hình 1.2 Taxi sử dung nhiên liệu LPG của công ty Petrolimex 5
Hình 1.3 Động cơ VIKYNO sau khi lắp đặt các bộ phận điều khiển phun LPG 6
Hình 1.4 sơ đồ cung cấp ga có sử dụng bộ giảm hóa hơi 8
Hình 2.1. Động cơ Yanmar 3SM 45HP 12
Hình 2.2 Động cơ YANMAR 3SM tại phòng động cơ 13
Hình 2.3 Hệ thống nhiên liệu động cơ 18
Hình 2.4. Bơm cao áp đơn 21
Hình 2.5 Vòi phun kiểu chốt 23
Hình 2.6 Hệ thống nhiên liệu LPG và diesel song song 24
Hình 2.7 Bộ hòa trộn lắp trên họng nạp 25
Hình 2.8 Hệ thống phun nhiên liệu LPG vào đường nạp 26
Hình 3.1 Sơ đồ cung cấp LPG cho động cơ 29
Hình 3.2 Cấu tạo của Thermocouples 33
Hình 3.3 Cặp nhiệt điện 34
Hình 3.4 Lắp đặt các cảm biến trên động cơ 34
Hình 3.5 Cảm biến thời điểm đóng mở xuppap nạp. 35
Hình 3.6 vị trí cảm biến thực tế. 36
Hình 3.7 Cảm biến tiệm cận điện từ 36
Hình 3.8 Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện từ 37
Hình 3.9 Sơ đồ kiến trúc AVR 41
Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý của ATMEGA 16 43
Hình 3.11 Sơ đồ chân của vi điều khiển ATMEGA 16 45
Hình 3.12 Hộp điều khiển 49
Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển trung tâm 50
Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lí mạch công suất 51
Hình 4.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 54

v

Hình 4.2 Sơ sồ bố trí trang thiết bị thực nghiệm 55
Hình 4.3 ECU điều khiển 56
Hình 4.4 Các vị trí lắp đặt cảm biến 56
Hình 4.5 Các thiết bị khác 57
Hình 4.6 Các thiết bị phục phụ quá trình đo lấy số liệu 57


vi


DANH MỤC BIỂU ĐỒ

Biển đồ 4-1. Ảnh hưởng của thời gian phun LPG đến chi phí tiêu hao nhiên liệu 61
Biểu đồ 4-2. Sự biến thiên tốc độ động cơ theo sự thay đổi T
f
62
Biểu đồ 4-3. ảnh hưởng của LPG đến hàm lượng CO và CxHy trong khí xả động
cơ tại n=590v/p 63

1


LỜI NÓI ĐẦU
Ô nhiễm môi trường đang là mối quan tâm trên toàn thế giới. Một trong
những nguồn gây ô nhiễm lớn là khí xả động cơ đốt trong nói chung và động cơ
diesel nói riêng. Trong khí xả động cơ diesel có nhiều thành phần độc hại như các
khí NO
x

, CO, CO
2
, SO
2
, H
2
S … Các chất này chiếm một tỷ lệ khá lớn trong khí xả
và ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người và môi trường sinh thái.
Để kiểm soát vấn đề ô nhiễm môi trường do khí xả động cơ diesel, từ trước
tới nay người ta thường có hai hướng xử lý: thứ nhất, tác động vào quá trình cháy
trong xi lanh động cơ để giảm các chất độc hại trong khí xả; thứ hai, xử lý khí xả
trước khi thải ra ngoài môi trường. Tuy nhiên việc áp dụng hai giải pháp này vẫn
chưa thể giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm, hơn nữa chúng cũng bị hạn chế bởi
nhiều yếu tố.
Một trong những nguyên nhân khiến động cơ diesel trở thành nguồn gây ô
nhiễm là do nhiên liệu sử dụng có nhiều thành phần tạp chất. Như vậy, nếu nhiên
liệu sử dụng cho động cơ diesel là “nhiên liệu sạch” thì vấn đề ô nhiễm khí xả sẽ
được giải quyết.
Hiện nay tôi đang thực hiện đề tài: “Thiết kế chế tạo bộ điều khiển điện tử
hệ thống phun nhiên liệu LPG cho động cơ Yanmar 3SM sử dụng hệ thống
nhiên liệu kép”. . Đề tài của tôi gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Phân tích lựa chọn phương án phun cho động cơ
Chương 3: Thiết kế chế tạo bộ điều khiển phun LPG.
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm.
Trong suốt thời gian qua, với sự hướng dẫn tận tình của Th.S Mai Sơn Hải và
Th.S Đoàn Phước Thọ tôi đã hoàn thành đề tài của mình. Tôi xin chân thành cảm
ơn Th.S Mai Sơn Hải, Th.S Đoàn Phước Thọ cùng các thầy trong bộ môn động lực
và các bạn đó giúp tôi hoàn thành đề tài này.
Nha Trang, tháng 7 năm 2012

Sinh viên
Bùi Minh Hậu

2



CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Đối tượng phạm vi nghiện cứu
1.1.1. Đối tượng nghiên cứu
Động cơ Diesel Yanmar 3SM
1.1.2. Phạm vi nhiên cứu
1.1.2.1. Về mặt lý thuyết
 Tìm hiểu về đặc tính của khí hóa lỏng (LPG).
 Các giải pháp kỹ thuật để động cơ có thể sử dụng nhiên liệu nhiên liệu
LPG.
 Tìm hiểu phương án điều khiển cung cấp nhiên liệu khí hóa lỏng cho
động cơ.
 Thiết kế chế tạo bộ điều khiển điện tử cung cấp dầu DO và khí hóa lỏng
(LPG) cho động cơ Diesel Yanmar 3sm
1.1.2.2. Về mặt thực nghiệm
 Chế tạo bộ điều khiển điện tử cung cấp nhiên liệu khí hóa lỏng (LPG)
cho động cơ Diesel Yanmar 3sm
 Chạy thử nghiệm động cơ.
 Phân tích đánh giá kết quả thu được.
1.1.3. Mục Tiêu Nghiên Cứu:
“Thiết kế chế tạo bộ điều khiển điện tử hệ thống phun nhiên liệu LPG
(Liquid Petroleum LPG). Cho động cơ Diesel Yanmar 3sm sử dụng hệ thống
nhiên liệu kép”.
1.2. Tình hình nghiên cứu, sử dụng LPG

Khí dầu mỏ hoá lỏng là hỗn hợp chủ yếu của Propane (công thức hóa học:
C3H8) và Butane (công thức hóa học: C4H10) có nguồn gốc từ dầu mỏ, tên tiếng
Anh: Liquefied Petroleum Gas (viết tắt là LPG); tại nhiệt độ, áp suất bình thường
Khí dầu mỏ hóa lỏng ở thể khí và khi được nén đến một áp suất, nhiệt độ nhất định
Khí dầu mỏ hóa lỏng chuyển sang thể lỏng. Khí dầu mỏ hóa lỏng là loại nhiên liệu

3


thông dụng về tính đa năng có thể vận chuyển như chất lỏng nhưng lại được đốt
cháy ở thể khí. Lượng khí độc và tạp chất được sản sinh ra trong quá trình cháy rất
thấp đã làm cho Khí dầu mỏ hóa lỏng trở thành một trong những nguồn nhiên liệu
dùng làm chất đốt, nhiên liệu động cơ, nguyên liệu phục vụ sản xuất, dân sinh thân
thiện với môi trường.
Trong những năm gần đây, khí hóa lỏng đang được nghiên cứu và sử dụng
rộng rãi trong các ngành công nghệ sản suất động cơ. Vì những ưu điểm của LPG
như giá thành rẻ, ít độc hại do có chứa ít tạp chất và lưu huỳnh, vận tốc bay hơi
của LPG rất nhanh dễ dàng khuyếch tán, hòa trộn với không khí thành hỗn hợp
cháy, nhiệt độ của LPG khi cháy rất cao từ 19000C tới19500C, nhiệt trị riêng theo
khối lượng (PCIm) cao do đó LPG hứa hẹn sẽ trở thành một loại nhiên liệu của
tương lai thay thế cho nhiên liệu truyền thống.
Hiện trên thế giới có trên 12 triệu xe sử dụng LPG tập trung tại 38 nước,
chủ yếu tại các nước đang phát triển do sức ép về vấn đề môi trường. Sự phát triển
ô tô dùng LPG phụ thuộc vào chủ trương của mỗi quốc gia, đặc biệt là phụ thuộc
vào chính sách bảo vệ môi trường. Sự khuyến khích sử dụng ôtô LPG thể hiện qua
chính sách thuế ưu đãi của mỗi quốc gia đối với loại nhiên liệu này. Một số quốc
gia có sự tăng trưởng thị trường autogas nhanh nhất như sau:
+ Hàn Quốc
Là quốc gia có số lượng ôtô sử dụng khí gas lớn nhất thế giới hiện nay. Giá
LPG chạy xe chỉ bằng 1/3 giá xăng nên được dùng rất rộng rãi cho taxi, buýt và xe

tải. Năm 2007 đạt số lượng xe dùng LPG là hơn 4 triệu.
+ Thỗ Nhĩ Kỳ
Năm 1999 có 500.000 taxi chạy LPG (chiếm 92% tổng số). Năm 2007 là 2,1
triệu xe. Là một trong những nước có lượng ôtô chạy sử dụng LPG lớn nhất thế
giới. Giá LPG chạy xe chỉ bằng 34% so với các nhiên liệu khác. Việc chuyển đổi
xe sang dùng LPG diễn ra ồ ạt không kiểm soát được. Hiện nay có khoảng 25% số
lượng ôtô ở Thổ Nhĩ Kỳ được chạy bằng LPG.


4



+ Italia
Là một trong những quốc gia có mức tiêu thụ LPG cho autogas lớn nhất ở
Châu Âu với lượng tiêu dùng hàng năm đạt 1,3 triệu tấn. Hiện nay có khoảng 1,2
triệu ôtô và hơn 700.000 phương tiện khác sử dụng LPG. Tuy chỉ mới chiếm 4%
tổng số xe nhưng đang phát triển rất nhanh do được chính phủ hỗ trợ bằng các
biện pháp như:
Hạn chế xe xăng dầu tại nơi ô nhiễm.
Hỗ trợ 377USD/xe cho việc chuyển đổi sang dùng LPG.
+ Anh
Thị trường xe dùng LPG hiện tại ở Anh có khoảng 25.000 xe. Theo dự báo
của chính phủ đến cuối năm 2005 sẽ có khoảng 250.000 xe. Chính phủ có quỹ hỗ
trợ cho chuyển đổi xe sang dùng LPG, thuế ưu đãi cho LPG dùng chạy xe, hỗ trợ
mở rộng các trạm bơm LPG cho xe.

Hình 1.1 Xe Volvo S80 dùng động cơ 2 nhiên liệu xăng & LPG (thị trường Anh)
+ Các quốc gia khác
Tại Hồng Kông, Trung Quốc, Malaysia, Đài Loan,… đều có số lượng xe

dùng LPG tăng rất nhanh. Chính phủ các nước này đều có chính sách khuyến
khích sử dụng LPG cho xe hơi như: thuế ưu đãi cho LPG dùng chạy xe, hỗ trợ phí
chuyển đổi xe, hỗ trợ mở rộng hệ thống nạp LPG cho xe.

5



+ Việt Nam
Việc sử dụng khí hóa lỏng dành cho các phương tiện giao thông còn đang
trong giai đoạn nghiên cứu và chưa được ứng dụng rộng rãi do giá thành lắp đặt
thiết bị chuyển đổi tương đối cao và việc xây dựng các trạm cung cấp nhiên liệu
còn hạn chế. Bên cạnh đó nhà nước chưa có chính sách khuyến khích, hỗ trợ cho
các phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu khí nên việc chuyển đổi còn hạn
chế, hầu như chỉ có một số hãng taxi chuyển sang dùng nhiên liệu khí, cụ thể như
sau:
Năm 1997, tại Thành Phố Hồ Chí Minh, Sài Gòn Petro liên kết cùng một số
đơn vị cho chạy 20 đầu xe tải và xây dựng trạm nạp LPG cho ôtô.
Ngày 19-12-2004, Công ty Taxi Gas Sài Gòn Petrolimex – Taxi Xanh đã đưa
90 xe taxi Mitsubishi Jolie chạy bằng gas vào hoạt động trên địa bàn TP.HCM với
phương châm “Vì một môi trường mãi xanh”.

Hình 1.2 Taxi sử dung nhiên liệu LPG của công ty Petrolimex
Công ty Universal Petroleum (UP) đã triển khai trong năm 2002 đội xe 7–12
chỗ chạy liên tỉnh tại TP. Hồ Chí Minh và đặt 2 trạm cấp LPG tại TP.HCM và Cần
Thơ.

6

Công ty cơ khí Ngô Gia Tự Hà Nội đã có đề tài chuyển đổi xe dùng xăng
sang dùng LPG và hiện đã thành lập đội taxi gas 4 chỗ với 30 chiếc (giai đoạn 2 là
80 chiếc).
Năm 2008 công ty Cổ Phần Vận Tải Dầu Khí Đông Dương là một thành viên
nằm trong hệ thống Tập Đoàn Dầu Khí Việt Nam. Đã đầu tư dàn xe Hyundai
Elantra để thành lập đoàn xe Taxi Dầu Khí, sử dụng nhiên liệu sạch (LPG) thân
thiện với môi trường, tiết kiệm nhiên liệu, giải quyết vấn đề về giá xăng dầu hiện
nay.
Đầu tháng 1/2009, TP.HCM sẽ có 2 chiếc xe buýt được đưa vào chạy thử
nghiệm bằng khí thiên nhiên (CNG-Compressed Natural Gas), thay cho dầu diesel
giúp TP HCM giảm gánh nặng trợ giá, không gây ô nhiễm…. Khi thử nghiệm
thành công, thì đến cuối năm 2011 TP HCM sẽ đưa vào sử dụng khoảng 800 xe
buýt chạy bằng nhiên liệu CNG.
Ngoài ra còn một số dự án về chuyển đổi xe sang dùng LPG của Đại Học
Bách khoa Đà Nẵng cũng như chuyển đổi sang dùng LPG cho Airport taxi của UP
và thị trường đang ngày một sôi động hơn.
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
TP HCM tác giả Lê Việt Hùng Đỗ Văn
Dũng, Lê Thanh Phúc nghiên cứu thiết kế,
chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu khí
dầu mỏ hoá lỏng (lpg) cho động cơ diesel
VIKYNO
Qua thử nghiệm, động cơ VIKYNO
RV125 chạy nhiên liệu kép có các kết quả:
công suất cực đại đạt 93,6%, đạt được
100% công suất định mức, thành phần bồ
hóng và NOx trong khí thải giảm đáng kể,
lượng LPG thay thế 52,57% diesel, tiêu phí
nhiên liệu giảm 21,32%.

Hình 1.3 Động cơ VIKYNO sau khi lắp
đặt các bộ phận điều khiển phun LPG




7


Số bằng sáng chế 5940; ngày cấp: 17/10/2006 tại Việt Nam; tác giả và chủ sở
hữu: Bùi Văn Ga, địa chỉ: Trung tâm Nghiên cứu Bảo vệ Môi trường - Đại học Đà
Nẵng, 41 Lê Duẩn - Đà Nẵng.
Sáng chế đề cập đến bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu LPG/xăng cho xe gắn
máy gồm bình nhiên liệu “hai trong một”; van không tải với vòi phun không tải
lắp sau họng bộ chế hòa khí cung cấp một lượng ga cố định để xe chạy cầm
chừng; van công suất với vòi phun chính lắp tại họng bộ chế hòa khí đảm bảo cho
động cơ làm việc với thành phần hỗn hợp phù hợp khi mang tải. Hệ thống cung
cấp nhiên liệu xăng nguyên thủy của xe không thay đổi. Với bộ phụ kiện này, xe
gắn máy có thể chạy hoặc bằng xăng như trước khi chuyển đổi, hoặc chạy bằng
LPG với thành phần hỗn hợp được điều chỉnh tối ưu theo các chế độ vận hành của
động cơ.
Kết cấu của hệ thống gọn nhẹ, có thể lắp được trên tất cả các loại xe gắn máy
4 kỳ (xe chân số và xe tay ga) có dung tích xi lanh từ 50cc đến 150cc. Xe gắn máy
chạy bằng LPG với bộ phụ kiện này có thể làm giảm mức độ phát thải CO, HC,
NOx từ 60 - 80% so với khi chạy bằng xăng. Mức tiêu hao nhiên liệu trung bình
của xe khoảng 90-120km/kg LPG khi chạy với tốc độ trung bình 55km/h.
Tại trường đại học Nha Trang, vấn đề nghiên cứu và thử nghiệm LPG cho
động cơ cũng rất được quan tâm, vấn đề này đã và đang có nhiều đề tài nhiên cứu
để đưa chạy thử nghiệm trên động cơ, tiêu biểu như đề tài của Thạc sĩ Mai Sơn
Hải bộ môn Động lực khoa Kỹ Thuật Tàu Thủy với vấn đề nghiên cứu “bước đầu

nghiên cứu sử dụng khí hóa lỏng –LPG trên động cơ diesel cỡ nhỏ ”








8


Sơ đồ bố trí thí nghiệm

Hình 1.4 sơ đồ cung cấp ga có sử dụng bộ giảm hóa hơi
Kết quả thu được lượng
CO
2
độ đục khí xả giảm, lượng HC, CO có nhưng
không đáng kể so với khi sử dụng nhiên liệu diesel.
1.3. Định nghĩa LPG, các đặc tính và ưu điểm của LPG
1.3.1. Định nghĩa LPG
LPG là từ viết tắt của Liquefied Petroleum Gas, là hỗn hợp hydrocarbon nhẹ,
ở thể khí. LPG tồn tại trong thiên nhiên ở các giếng dầu hoặc giếng gas và cũng có
thể sản xuất ở các nhà máy lọc dầu. Thành phần chính của LPG là Propane
(C3H8) và Butane (C4H10), không màu, không mùi, không vị và không có độc tố.
LPG là loại nhiên liệu thông dụng về tính đa năng và thân thiện với môi
trường. Nó có thể dễ dàng được chuyển đổi sang thể lỏng bằng việc tăng áp suất
thích hợp hoặc giảm nhiệt độ để dễ tồn trữ và vận chuyển được. Nó có thể chuyển
động như chất lỏng như lại được đốt cháy ở thể khí. Việc sản sinh ra chất NOx,

khí độc và tạp chất trong quá trình cháy thấp một cách khác thường đã làm cho
LPG trở thành một trong những nguồn nhiên liệu thân thiện nhất với môi trường
trên thế giới.
LPG lỏng chứa rất nhiều năng lượng trong một không gian nhỏ và nó có thể hóa
hơi được nên cháy rất tốt. Mỗi kg gas cung cấp khoảng 12.000 kcal năng lượng.

9



Bảng 2-1. So sánh LPG và các loại nhiên liệu cổ điển
Thông số đặc trưng Eurosuper Diesel
Propane
thương
mại
Butane
thương
mại
LPG
Kh
ối lượng riêng
(kg/dm3)

0,725-
0.780
0,820-
0,860
0,51 0,58 0,51-0,58
Nhiệt trị thấp PCI
- theo khối lượng (MJ/kg)

- theo thể tích (MJ/dm3)

42,7
32,0

42,6
35,8

46,0
23,5

45,6
26,4

45,8
25,0

1.3.2. Các đặc tính của LPG
LPG là chất: không màu, không mùi. (Người ta thường làm cho LPG có mùi
bằng cách cho chất tạo mùi vào trước khi cung cấp cho người tiêu dùng để dễ dàng
phát hiện ra khi có sự rò rỉ gas), dễ cháy, nặng hơn không khí. Trọng lượng bằng
khoảng một nửa trọng lượng nước, không chứa chất độc nhưng có thể gây ngạt
thở. LPG giãn nở khi xì ra ngoài và 1 lít LPG lỏng sẽ tạo ra khoảng 250 lít khí.
1.3.3. Các ưu điểm của LPG
Vì có tương đối ít thành phần hơn nên dễ đạt được đúng tỷ lệ pha trộn nhiên
liệu, cho phép sản phẩm cháy hoàn toàn. Việc này đã làm cho LPG có các đặc tính
của một nguồn nhiên liệu đốt sạch.Cả Propane và Butane đều dễ hóa lỏng và có

10

thể chứa được trong các bình áp lực. Những đặc tính này làm cho loại nhiên liệu
này dễ vận chuyển, và vì thế có thể chuyên chở trong các bình hay bồn gas đến
người tiêu dùng cuối cùng.
LPG là loại nhiên liệu thay thế rất tốt cho dầu diezel trong các động cơ Diezel.
Trong một động cơ được điều chỉnh hợp lý, đặc tính cháy sạch giúp giảm lượng
chất thải thoát ra, kéo dài tuổi thọ cho động cơ.
Như một chất thay thế cho chất nổ đẩy aerosol và chất làm đông, LPG được
chọn để thay cho fluorocarbon vốn được biết đến như một nhân tố làm thủng tầng
ozone.
Với các đặc tính là nguồn nhiên liệu sạch và dễ vận chuyển, LPG cung cấp
một nguồn năng lượng thay thế cho các nhiên liệu truyền thống như: củi, than, và
các chất hữu cơ khác. Việc này cung cấp giải pháp hạn chế việc phá rừng và giảm
được bụi trong không khí gây ra bởi việc đốt các nhiên liệu truyền thống.
1.3.4. Đánh giá khả năng sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng động cơ Diesel
Hiện nay, sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng cho giao thông vận tải được các
tổ chức đăng kiểm trên thế khuyến nghị, các hãng chế tạo động cơ, chủ tàu quan
tâm trong khung cảnh các tiêu chuẩn về phát thải ngày càng khắt khe, nhiên liệu
xăng dầu ngày càng khan hiếm và giá cả leo thang. Vấn đề áp dụng nhiên liệu khí
hỏa lỏng cho động cơ diesel tàu thủy còn mới mẻ, nhưng thực tiễn cho thấy hoàn
toàn có triển vọng, có thể giải quyết hữu hiệu vấn đề tiêu chuẩn phát thải ô nhiễm
cho phép đối với đội tàu Việt Nam trong thực trạng hiện nay mà các phương pháp
giảm thiểu khác đã đạt giới hạn.
Trên cơ sở nghiên cứu đặc điểm quá trình công tác của động cơ diesel, cho
thấy hoàn toàn có thể sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng làm nhiên liệu cho động cơ
diesel với một số thay đổi nhỏ về hệ thống cung cấp nhiên liệu và biện pháp tổ
chức quá trình cháy.

11


CHƯƠNG 2
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN PHUN LPG
CHO ĐỘNG CƠ.
2.1. Khái Quát Chung Về Hệ Thống Sử Dụng Nhiên Liệu Kép:LPG- DO
Động cơ Diesel được kiểm soát theo tốc độ và tải dựa vào việc điều khiển
lượng nhiên liệu cung cấp vào trong buồng đốt. Một bộ phận quan trọng của động
cơ là bộ điều tốc. Bộ điều tốc tăng lượng nhiên liệu cung cấp khi động cơ tốc độ
thấp và giảm nhiên liệu khi tốc độ cao, nhờ đó giúp động cơ chạy ổn định, tránh
trường hợp vượt tốc.
Khi cho LPG vào buồng cháy, nó trở thành một phần nhiên liệu cung cấp cho
quá trình sinh công, làm cho tốc độ động cơ tăng lên. Khi đó, bộ điều tốc sẽ giảm
lượng diesel, giảm đến khi lượng diesel mồi còn lại không đủ đốt cháy LPG, động
cơ tắt máy. Chờ cho tốc độ động cơ giảm xuống, lượng diesel tăng lại, tiếp tục quá
trình cháy và sinh công. Vì vậy, nếu không bỏ bộ điều tốc, động cơ sẽ hoạt động
không ổn định, không kiểm soát được lượng diesel cung cấp. Giải pháp được đưa
ra là can thiệp vào bộ điều tốc bằng cách tăng cường độ cừng của lò xo điều tốc tới
mức loại bỏ hẳn sự can thiệp của bộ điều tốc trong quá trình hoạt động của máy.
Ý tưởng cho thuật toán điều khiển động cơ nhiên liệu kép (dual fuel) xuất
phát từ mục đích giảm nhiên liệu diesel xuống đến mức có thể được. Động cơ
diesel Yanmar 3sm là một động cơ diesel công suất nhỏ. Chỉ cần một lượng nhiên
liệu nhỏ để chạy nó, phần còn lại do LPG đảm nhiệm.
Lượng LPG cung cấp cho động cơ được quyết định bởi thời gian đóng mở
của van điện từ. Thời gian này do bộ điều khiển tính toán dựa vào tín hiệu tốc độ
động cơ từ các cảm biến gửi về. Thành phần diesel và LPG cung cấp phải được
tính toán dựa trên cơ sở đặc tính của dầu diesel, LPG và phản ứng đốt cháy nhiên
liệu trong buồng đốt.

Tóm lại, việc thiết kế hệ thống cung cấp LPG cho động cơ diesel bao gồm:
lắp đặt, khảo sát đặc tính cảm biến tốc độ cảm biến nhiệt độ, cảm biến lượng LPG,

12


xây dựng thuật toán điều khiển, thiết kế bộ điều khiển với phần tử trung tâm là vi
điều khiển ATMELPG 16, lập trình bằng ngôn ngữ C cho vi điều khiển
2.2. Giới thiệu về động cơ YANMAR 3SM
2.2.1. Khái quát chung động cơ Yanmar 3sm
Động cơ Yanmar 3SM tại xưởng thực tập bộ môn động lực tàu thủy là động
cơ Diesel do hãng Yanmar của Nhật sản xuất. Được sản xuất và sử dụng chủ yếu ở
cuối thập niên 60 đầu thập niên 70. Hiện nay còn rất ít nơi còn sử dụng động cơ
này. Với công suất 45HP chỉ có khu vực miền Trung còn một số ngư dân sử dụng
động cơ này, ở những khu vực mà nghề đánh bắt cá phát triển mạnh với những đội
tàu lớn như Thành Phố Hồ Chí Minh, Vũng Tàu, và khu vực miền Tây Nam Bộ
hầu như không còn sử dụng động cơ này nữa.

Hình 2.1. Động cơ Yanmar 3SM 45HP



13




Hình 2.2 Động cơ YANMAR 3SM tại phòng động cơ

14


Bảng 2-2. Thông số kỹ thuật của động cơ Diesel Yanmar 3SM 45HP
STT Thông số kỹ thuật Động cơ Diesel Yanmar 3SM 45HP
1 Kiểu động cơ Yanmar 3SMGGE
2 Loại động cơ Diesel 4 kỳ
3 Công suất định mức 45 [HP]
4 Tốc độ piston 8,8 [m/s]
5 Số vòng quay định mức 2200 [vòng/phút]
6 Đường kính xylanh 105 [mm]
7 Tỷ số nén 19
8 Áp lực phun 160 [kg/cm
2
]
9 Kiểu xupap treo
10 Khe hở nhiệt 0,15 [mm]

11 Kiểu buồng đốt Thống nhất
12 Số xylanh 3 xylanh thẳng hàng
13 Số xupap mỗi xylanh 2
14 Góc phun sớm 9-12
15 Thứ tự nổ các xylanh 1 – 3 – 2
16 Trọng lượng khô 530 [kg]
17 Kích thước (dài x rộng x
cao)
1114 x 690 x 867,5 [mm]
17 Phương pháp làm mát 1 vòng bằng nước biển
18 Tỉ số truyền hộp số 1 : 3,24
19 Số vòng quay chân vịt 680 [vòng/phút]
20 Hệ thống khởi động Điện hoặc tay
21 Hệ thống bôi trơn Bôi trơn áp lực với bơm bánh răng
22 Hệ thống làm mát Nước làm mát 1 vòng với bơm piston
23 Điện áp ắc quy 24 [V]
24 Chân vịt kèm theo máy D/H

32/20 [inch]

15


2.2.2. Các bộ phận và hệ thống cơ bản của động cơ Yanmar 3SM
Trên động cơ Yanmar 3SM có các bô phận và hệ thống cơ bản sau:
 Bộ khung động cơ.
 Hệ thống truyền lực.
 Hệ thống trao đổi khí.
 Hệ thống nhiên liệu.
 Hệ thống bôi trơn.

 Hệ thống làm mát.
 Hệ thống khởi động.
2.2.3. Bộ điều tốc động cơ Yanmar 3SM
Bộ điều tốc cơ khí hoạt động dựa trên nguyên lý của lực ly tâm, trong ngành
động cơ đốt trong nó được sử dụng nhiều nhất. Nhờ thiết kế chắc chắn, đơn
giản,dễ dàng điều chỉnh và chi phí sản xuất thấp. Bộ điều tốc này luôn được cải
tiến và hoàn thiện nên ngày nay vẫn được sử dụng rộng rãi trong các động cơ
diezel.
Tính đặc thù của bộ điều tốc cơ khí là trực tiếp điều khiển bởi động cơ diesel
trong khi đó tất cả các loại điều tốc khác phải phụ thuộc vào một nguồn năng
lượng khác như (thủy lực, khí nén hoặc điện) để có thể làm việc.
Bộ điều tốc cơ khí ngày nay vẫn được sử dụng trên động cơ diesel với vô số
ứng dụng trong xây dựng, nông nghiệp, lâm nghiêp. Bộ điều tốc cơ khí sử dụng
các phần tử cơ khí cơ bản tác động trực tiếp vào thanh răng nhiên liệu để điều
khiển tốc độ động cơ. Bộ điều tốc này có cấu tạo đơn giản chỉ gồm các phần tử:
quả văng, lò xo tốc độ, các thanh liên kết và ổ đỡ.

16



Cấu tạo của bộ điều tốc động cơ yanmar 3sm gồm có 2 quả văng được gắn
vào hai nhánh của mâm xoay trên trục cam bơm cao áp và được cố định bằng chốt
định vị. Trục di động truyền chuyển động của các quả văng đến thanh răng nhiên
liệu nhờ khớp nối. Cần gia tốc kết nối với kẹp trượt để điều khiển thanh răng.
Nguyên tắc vận hành: Bộ điều tốc cơ khí vận hành theo nguyên lý sau:
Khi vận tốc động cơ tăng lực ly tâm mạnh làm 2 quả văng bị bung ra kéo cần
điều khiển cơ cấu kết nối để kéo thanh răng về phía giảm nhiên liệu.
Khi vận tốc động cơ giảm lúc này lực ly tâm yếu lò xo điều tốc bị 2 quả văng
ép vào bên trong làm cơ cấu kết nối kéo thanh răng về phía giảm nhiên liệu.

Nhược điểm của bộ điều tốc này là khi số vòng quay của động cơ càng nhỏ
thì độ không đồng đều càng lớn. Đối với bộ điều tốc cơ khí đòi hỏi quả văng có
khối lượng lớn nhưng lại hạn chế về kích thước, thông thường phải sử dụng các
quả văng có hình dạng phức tạp. Các phần tử cảm ứng cơ giới gây phản ứng trực
tiếp đối với mọi thay đổi của số vòng quay. Dưới tác dụng của lực ly tâm chỉ có
thể vận động khi chế độ tốc độ của động cơ đạt tới một giá trị nhất định. Nếu cắt

17


phụ tải bên ngoài động cơ có khuynh hướng làm tăng số vòng quay, nếu tăng tải
bên ngoài số vòng quay của động cơ sẽ giảm. Ngoài ra, bộ điều tốc trên điều khiển
gián tiếp qua lực đàn hồi của lò xo nên có nhược điểm là tồn tại vùng không nhạy.
Trong bộ điều tốc cơ khí luôn tồn tại lực ma sát nên ảnh hưởng đến chất lượng
điều khiển.
2.2 .4. Khái quát chung về hệ thống nhiên liệu của động cơ Yanmar 3sm
2.2.4.1. Nhiệm vụ và yêu cầu của hệ thống nhiên liệu động cơ:
- Nhiệm vụ:
+ Lọc sạch nhiên liệu rồi phun vào buồng đốt theo những yêu cầu phù hợp
với đặc điểm cấu tạo và tính năng kỹ thuật của động cơ.
- Yêu cầu:
+ Cung cấp vào buồng đốt những khối lượng dầu xác định, phù hợp với chế
độ làm việc của động cơ và có thể điều chỉnh được, lượng nhiên liệu chu trình
cung cấp cho các xylanh phải đồng đều.
+ Thời điểm và thời gian cung cấp cần phải chính xác (nhất là thời điểm bắt
đầu) và có thể điều chỉnh được.
+ Dầu phun vào buồng đốt phải ở dạng các hạt nhỏ, đồng đều và phân bố đều
trong không gian buồng đốt.
+ Số lượng dầu cung cấp theo thời gian cung cấp – quy luật cung cấp phải
tạo ra sự cấp nhiệt tốt nhất cho chu trình làm việc của động cơ (chất lượng phun

tốt, quy luật phù hợp).

18



Hình 2.3 Hệ thống nhiên liệu động cơ
Bảng 2-3. Các chi tiết hệ thống nhiên liệu động cơ YANMAR 3SM
STT

TÊN CHI TIẾT STT

TÊN CHI TIẾT
1 Bơm dầu 50 Vít xả khí
2 Đệm kín 51 Nút M16
3 Bulông M10x40 52 Bulông M10x100
4 Đệm đàn hồi 10 53 Bulông M10x148
5 Bánh răng truyền động cho bơm
dầu
54 ống dẫn dầu (từ lọc đến bơm)
6 Chốt 5x16 55 Đệm kín
7 Đệm 56 Bulông M8x25
8 Đai ốc M14 57 Đệm đàn hồi 8
9 Bình làm mát dầu 58 ống dẫn dầu (từ xilanh đến lọc)

19


10 Đệm kín cho bình làm mát dầu
(A)

59 Đệm kín
11 Đệm kín cho bình làm mát dầu (B)

60 Đệm kín
12 Bulông M10x25 61 Bulông M10x25
13 Bulông M10x50 62 Bulông M10x36
14 ống làm mát dầu 63 Bulông M8x20
15 Đệm kín của tấm đệm ống làm
mát (A)
64 ống dẫn dầu (từ lọc đến làm mát)
16 Nắp bình làm mát dầu 65 Đệm kín
17 Đệm kín của tấm đệm ống làm
mát (B)
66 Bulông M8x20
18 Bulông M10x45 67 Bulông M8x32
19 Bulông M10x36 68 ống dẫn dầu (từ làm mát đến
xilanh)
20 Nút PS 3/8 69 Đệm kín
21 Đệm kín 17 70 Bulông M8x20
22 Nắp của bình làm mát dầu (A) 71 Bulông M8x36
23 Vòng chữ “0” G75 72 Bulông M8x32
24 Bulông M10x45 73 ống dẫn dầu (từ xilanh đến đầu
xilanh)
25 Kẽm chống ăn mòn 74 Đệm kín
26 Đệm của kẽm chống ăn mòn 75 Đai ốc của ống nối xoay 6
27 Nút của kẽm chống ăn mòn 76 Đệm kín 12
28 Đệm của nút 77 ống dẫn dầu (từ xilanh đến áp kế)
29 Van điều chỉnh 78 ống dẫn dầu (từ xilanh đến lọc)
30 Đệm kín của thân van điều chỉnh 79 Nối 8
31 Bulông M10x22 80 Đai ốc của ống nối xoay 8

32 Van điều chỉnh 81 Đệm kín 14