Thiết kế chế tạo bộ điều khiển cung cấp LPG và dầu DO khi sử dụng hỗn hợp này làm nhiên liệu cho máy 4CH - YANMAR

i

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên SV: Phạm Văn Toản Lớp: 47KTTT Khóa 47
Ngành: Động lực tàu Mã ngành:
Tên đề tài: “Thiết kế chế tạo bộ điều khiển cung cấp LPG và dầu DO khi sử
dụng hỗn hợp này làm nhiên liệu cho máy 4CH-JANMAR”.
Số trang: 66 Số chương: 4 Số tài liệu tham khảo: 8

Hiện vật:….…………………………………………………………………………

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Kết luận:……………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………



Nha trang, ngày ……tháng……năm 2010
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1


Th.S. Đoàn Phước Thọ Th.S. Mai Sơn Hải

Điểm chung
Bằng số Bằng chữ


ii

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Họ và tên SV: Phạm Văn Toản Lớp: 47KTTT Khóa 47
Ngành: Động lực tàu Mã ngành:
Tên đề tài: “Thiết kế chế tạo bộ điều khiển cung cấp LPG và dầu DO khi sử
dụng hỗn hợp này làm nhiên liệu cho máy 4CH-JANMAR”.
Số trang: 66 Số chương: 4 Số tài liệu tham khảo: 8

Hiện vật:….…………………………………………………………………………

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Nha trang, ngày ……tháng……năm2010
CÁN BỘ PHẢN BIỆN
(Ký và ghi rõ họ tên)

Điểm chung
Bằng số Bằng chữ


iii

MỤC LỤC

Trang
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3
1.1. Lý do chọn đề tài 3
1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3
1.2.1. Đối tượng nghiên cứu 3
1.2.2. Phạm vi nghiên cứu 3
1.2.2.1. Về mặt lý thuyết 3
1.2.2.2. Về mặt thực nghiệm 4
1.3. Tình hình nghiên cứu và sử dụng khí hóa lỏng (LPG) 4
1.3.1. Trên thế giới 4
1.3.2. Ở Việt Nam 5
1.4. Đặc tính của nhiên liệu LPG 6
1.4.1. Thành phần hóa học 6
1.4.2. Lí tính 6
1.4.3. Chỉ số Octane 8
1.5. Động cơ thí nghiệm ( động cơ Diesel 4CH-JANMAR) 9
1.5.1. Các thông số kỹ thuật của động cơ 9
1.5.2 Đặc điểm làm việc của hệ thống nhiên liệu của động cơ 4CH 12

1.5.2.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu 12
1.5.2.2 Bộ điều tốc 13
1.5.2.2.1. Điều kiện để động cơ khởi động 13
1.5.2.2.2. Điều kiện động cơ làm việc ở chế dộ không tải 14
1.5.2.2.3. Điều kiện làm việc ở tốc độ quay lớn nhất 14
1.5.2.2.4. Điều kiện dừng động cơ 16
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN
CUNG CẤP LPG-DO CHO ĐỘNG CƠ 17
2.1. Giải pháp kỹ thuật để động cơ có thể sử dụng nhiên liệu nhiên liệu LPG 17
2.2. Phân tích một số hệ thống sử dụng LPG-DO sẵn có trên động cơ Diesel
hiện nay 19
2.2.1 Cung cấp gas trực tiếp nhờ xupap ga [6] 19

iv

2.2.1.1 Xupap gas có cơ cấu điều khiển kiểu cơ khí 19
2.2.1.2 Xupap gas điều khiển điện tử 20
2.2.2. Sử dụng bộ giảm áp hóa hơi và bộ hòa trộn 21
2.2.2.1 Sử dụng bộ hòa trộn điều khiển bằng cơ khí 21
2.2.2.2. Sử dụng bộ giảm áp hóa hơi và bộ hòa trộn điều khiển bằng điện
tử 24
2.2.3 Hệ thống cung cấp LPG với phương án tạo hỗn hợp kiểu phun nhiên
liệu 24
2.3. Phân tích, lựa chọn phương án cung cấp LPG phù hợp với điều kiện của bộ
môn động lực hiện nay 26
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP DO-LPG
CHO ĐỘNG CƠ 27
3.1. Các thiết bị trong hệ thống cung cấp LPG cho động cơ 27
3.1.1 Bình LPG 27
3.1.2. Bộ giảm áp hóa hơi (Pneumatic LPG Reducer) 28

3.1.3. Van tiết lưu 30
3.1.4. Bộ trộn LPG 31
3.2. Thiết kế bộ điều khiển điện tử cung cấp LPG-DO cho động cơ 33
3.2.1. Sơ đồ khối mạch điều khiển cung cấp LPG và dầu DO 33
3.2.2. Các thiết bị trong hệ thống điều khiển điện tử 33
3.2.2.1. Lựa chọn cơ cấu chấp hành 33
3.2.2.1.1 Phương án điều khiển LPG có sử dụng bộ giảm áp hóa hơi điều
khiển tay ga và van tiết lưu bằng motor bước 33
3.2.2.1.2 Phương án điều khiển LPG có sử dụng bộ giảm áp hóa hơi điều
khiển tay ga và van tiết lưu bằng động cơ servo 36
3.2.2.1.3. So sánh hai phương án trên và lựa chọn cơ cấu chấp hành 38
3.2.2.2. Cảm biến nhiệt độ 39
3.2.2.3 Cảm biến tốc độ 40
3.2.2.4. Van điện từ (solenoil vavle) 42
3.2.2.5. Bộ xử lý trung tâm 43
3.2.2.5.1 Tổng quan về vi điều khiển ATMEGA 16 44
3.2.2.3.2 Đặc điểm của ATMEGA 16 46
3.2.2.5.2. Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm 51

v

3.2.2.5.3. Lưu đồ thuật toán chương trình chính và giải thuật kiểm tra
phím nhấn 52
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 56
4.1.Mục đích 56
4.2.Trang thiết bị thí nghiệm 56
4.3. Sơ đồ bố trí thực nghiệm 56
4.4. Tiến hành thực nghiệm 58
4.4.1.Điều kiện tiến hành thí nghiệm 58
4.4.2. Quy trình tiến hành thực nghiệm 59

4.4.3. Kết quả chạy thử nghiệm 59
4.4.3.1 Bảng số liệu chạy thực nghiệm 59
4.4.3.2 Nhận xét 64
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO 69





1

LỜI NÓI ĐẦU

Chúng ta biết rằng hiện nay tất cả các nước trên thế giới, bao gồm các nước
phát triển cũng như các nước đáng phát triển đều rất quan tâm đến vấn đề ô nhiễm
môi trường và vấn đề cạn kiệt nguồn nhiên liệu dầu mỏ. Không khí trên thế giới
hiện nay bị ô nhiễm đến mức báo động mà trong đó khí thải của động cơ đốt trong
là các tác nhân chủ yếu gây nên ô nhiễm không khí. Ngoài ra khí thải từ động cơ
còn làm nhiệt độ khí quyển tăng lên và thay đổi môi trường sinh thái. Để giả quyết
tình trạng ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong gây ra ta có hai giải pháp. Giải
pháp thứ nhất là cải tạo động cơ để đốt nhiên liệu sạch hơn và hạn chế việc sử dụng
các động cơ đốt trong đến mức có thể. Gải pháp thứ hai là tìm kiếm nguồn nhiên
liệu mới sử dụng cho động cơ đốt trong.
Gần đây chúng ta đang có xu hướng chuyển sang sử dụng các loại nhiên liệu
mới thân thiện hơn với môi trường như dầu thực vật, dầu trajopha và khí hóa lỏng
LPG. Trong đó khí hóa lỏng LPG là một nguồn nhiên liệu khá dồi dào. Do đó nhiều
năm trở lại đây chúng ta đang có xu hướng chuyển sang nghiên cứu động cơ chạy
với nhiên liệu kép. Trên thế giới tuy đã có nhiều thành công nhưng ở Việt Nam
động cơ chạy nhiên liệu kép vẫn chưa phổ biến và cũng chưa được nghiên cứu rộng

rãi.
Hiện nay tôi đang thực hiện đề tài “Thiết kế chế tạo bộ điều khiển cung
cấp LPG và dầu DO khi sử dụng hỗn hợp này làm nhiên liệu cho máy 4CH-
JANMAR”. Đề tài của tôi gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Phân tích và lựa chọn phương án cung cấp DO-LPG cho động cơ.
Chương 3: Thiết kế hệ thống cung cấp DO-LPG cho động cơ.
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm.
Làm đề tài là một cơ hội cho tôi học hỏi và mở mang thêm nhiều kiến thức
mới. Với sự hướng dẫn tận tình của Th.S Mai Sơn Hải và Th.S Đoàn Phước Thọ tôi

2

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 đã giúp tôi hoàn
thành đề tài này.

Nha Trang, tháng 12 năm 2009
Sinh viên

Phạm Văn Toản

3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN

1.1. Lý do chọn đề tài
Trên thế giới hiện nay đang dần áp dụng công nghệ mới để làm giảm thiểu ô
nhiễm môi trường do động cơ đốt trong gây ra. Hiện nay có một số giải pháp đuợc

đưa ra. Giải pháp thứ nhất là cải tạo lại buồng đốt của động cơ để quá trình cháy
hoàn thiện hơn. Giải pháp thứ hai là sử dụng nguồn nhiên liệu mới. Hiện nay giải
pháp thứ hai đang được rất nhiều người quan tâm. Nguồn nhiên liệu mới ta nói đến
chính là dầu sinh học và khí hóa lỏng LPG.
Việc thử nghiệm nhiên liệu khí hóa lỏng LPG đối với chúng ta đang còn
nhiều khó khăn. Bây giờ chúng ta mới chỉ là bước đầu nghiên cứu nên vẫn còn
nhiều vấn đề tồn đọng chưa thể giải quyết triệt để được. Dựa trên cơ sở kết quả chạy
thử nghiệm LPG trên động cơ Diesel D12 tôi tiếp tục nghiên cứu bộ điều khiển
cung cấp LPG và dầu DO khi sử dụng hỗn hợp này làm nhiên liệu cho động cơ
Diesel 4CH-JANMAR.
1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.2.1. Đối tượng nghiên cứu
 Động cơ Diesel 4CH-JANMAR.
1.2.2. Phạm vi nghiên cứu
1.2.2.1. 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 4CH-JANMAR.

4

1.2.2.2. Về mặt thực nghiệm
 Chế tạo bộ điều khiển điện tử cung cấp nhiên liệu khí hóa lỏng (LPG) cho
động cơ Diesel 4CH-JANMAR.
 Chạy thử nghiệm động cơ.
 Đo đạc các thông số của động cơ chạy thực nghiệm.
 Phân tích đánh giá kết quả thu được.
1.3 . Tình hình nghiên cứu và sử dụng khí hóa lỏng (LPG)

1.3.1. Trên thế giới
LPG là sản phẩm trung gian giữa khí thiên nhiên và dầu thô, nhiên liệu khí
hóa lỏng có thể thu được từ công đoạn lọc dầu hoặc làm tinh khiết khí thiên nhiên.
Vì vậy, nguồn gốc khí hóa lỏng phụ thuộc vào xuất xứ nhiên liệu. Nói chung trên
thế giới có khoảng 40% LPG thu được từ quá trình lọc dầu thô.
Sử dụng nhiên liệu gaz nén CNG kết cấu cồng kềnh và việc ứng dụng cho
những dòng xe hiện đại gặp không ít khó khăn. Vì vậy ngày nay người ta đã dùng
khí hóa lỏng LPG (liquefied petroleum gas) làm nhiên liệu thay thế cho xăng và
diesel của tất cả các loại ô tô hiện đại. Nhiên liệu LPG đang phát triển rất nhanh,
Autogas LPG đã có hơn 4 triệu chiếc ở 38 nước trên thế giới, nhất là các nước đang
phát triển. Khí hóa lỏng LPG là sản phẩm phụ của nhà máy chế biến dầu mỏ và nhà
máy tách khí. Thành phần chủ yếu của LPG là Butal và Propal hỗn hợp theo tỷ lệ
nhất định và được chứa trong bình với áp suất dưới 20 kg/cm
2
. LPG có tỷ trọng từ
0,5 – 0,25, không màu, không mùi và không có tính độc. LPG chính là một sản
phẩm dầu mỏ được dùng rất phổ biến từ lâu trong các ngành kinh tế quốc dân như
là một nguyên liệu cho các ngành công nghiệp chế tạo hóa chất, chế tạo phân bón,
tổng hợp các chất mỹ phẩm.
Phần lớn lượng khí hóa lỏng thu được hiện nay được sử dụng làm nguồn chất
đốt để sinh nhiệt gia dụng hay công nghiệp. Lượng khí hóa lỏng làm nhiên liệu cho
ô tô đường trường hiện chỉ chiếm một tỉ lệ khiêm tốn: 1% ở Pháp, 3% ở Mỹ, 8% ở
Nhật Tuy nhiên ở một số nước có chính sách khuyến khích sử dụng LPG làm

5

nhiên liệu cho ô tô nhằm mục đích giảm ô nhiễm môi trường thì tỉ lệ này rất đáng
kể, chẳng hạn như Hà Lan, Ý (42%) Các số liệu trên chưa kể những động cơ trên
các ô tô chuyên dụng sử dụng LPG (chẳng hạn ô tô chạy trong sân bay, xe nâng
chuyển, máy móc nông nghiệp )

Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG ngày càng trở nên là loại nhiên liệu ưa chuộng để
chạy ô tô nói chung và xe buýt nói riêng do những đặc điểm nổi bật của nó về giảm
ô nhiễm môi trường và công nghệ chuyển đổi. Xe buýt dùng LPG có truyền thống
lâu đời nhất là ở thủ đô Vienna của Áo. Từ năm 1963 thành phố này đã sử dụng xe
buýt chạy bằng LPG và cho tới nay, Vienna có 500 xe buýt LPG trong đội xe vận
chuyển công cộng. Các thành phố khác ở Châu Âu cũng sử dụng nguồn năng lượng
này để chạy xe buýt như Đan Mạch (180 chiếc), Hà Lan (150 chiếc), Tây Ban Nha
(60 chiếc).
1.3.2. Ở Việt Nam
Khí thiên nhiên ở nước ta có trữ lượng lớn và chúng ta đang khai thác để
cung cấp năng lượng cho các nhà máy nhiệt điện và sản xuất phân đạm. Đường ống
dẫn khí thiên nhiên từ mỏ khí Nam Côn Sơn vào đất liền vừa hoàn thành và đưa vào
sử dụng đã mở đầu cho cuộc cách mạng năng lượng ở nước ta. Mặt khác, một khối
lượng lớn khí thiên nhiên thu được từ các mỏ dầu đã, đang và sắp khai thác hứa hẹn
một nguồn năng lượng sạch dồi dào để phát triển ngành kinh tế quốc dân trong đó
có ngành giao thông vận tải
Hiện nay, chúng ta có nhà máy sản xuất ga Dinh Cố và nhà máy lọc dầu
Dung Quất. Sản lượng khí đồng hành của nhà máy là nguồn cung cấp dồi dào nhiên
liệu LPG. Mặt khác, các nhà máy tinh luyện khí thiên nhiên cũng là nguồn cung cấp
loại nhiên liệu này nên khả năng độc lập nhiên liệu LPG của chúng ta cũng rất lớn.
Vấn đề cơ bản là chúng ta có thể chủ động về công nghệ chuyển đổi cũng như chế
tạo những phụ kiện cơ bản của hệ thống nhiên liệu LPG.
Ở nước ta, LPG là chất đốt chủ yếu của các hộ gia đình thành phố. Sử dụng
LPG làm nhiên liệu trong sản xuất thức ăn gia súc, chế biến, sấy nông sản, thực
phẩm. Ngoài ra trong công nghiệp hoá dầu chúng ta còn sử dụng LPG trong quá

6

trình tinh chế sản xuất dầu nhờn. Ngoài ra nó còn được ứng dụng là nguyên liệu hoá
học để tạo ra những monme để tổng hợp polime trung gian như: Polyetylen,

polyvinylclorua, polypropylen, để sản xuất MTBE là chất làm tăng chỉ số octan thay
thế cho hợp chất chì pha vào xăng.
Hiện nay ở nước ta đã chuyển đổi thành công xe gắn máy chạy nhiên liệu
LPG. Xe gắn máy sau khi lắp bộ chuyển đổi (chi phí khoảng 1,6 triệu) xe có thể
chạy song song hai nhiên liệu. Nhưng việc sử dụng còn chưa rộng rãi. Và tại công
ty cơ khí Ngô Gia Tự đã sản xuất bộ chuyển đổi nhiên liệu và bước đầu lắp đặt trên
khoảng 30 chiếc xe taxi G.
1.4. Đặc tính của nhiên liệu LPG
1.4.1. Thành phần hóa học
Theo tiêu chuẩn Châu Âu, nhiên liệu khí hóa lỏng phải có từ 19 đến 50%
hydrocabure C3 (propane và propylène). Ở Châu Á, thành phần nhiên liệu khí hóa
lỏng khá ổn định, chứa chủ yếu là hydrocarbure C4, chẳng hạn như ở Hàn Quốc chỉ
có butane là khí hóa lỏng được sử dụng chính thức. Ngược lại ở Mĩ thì chỉ có
hydrocarbure C3 được sử dụng. Cũng cần nhấn mạnh thêm rằng nhiên liệu khí hóa
lỏng chứa rất ít lưu huỳnh. Thường nó chỉ chứa từ 40 ÷ 60ppm, thấp hơn rất nhiều
so với tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu (200ppm). Do đó, động cơ dùng LPG phát
rất ít các chất ô nhiễm gốc lưu huỳnh và hiệu quả của bộ lọc xúc tác được cải thiện.
1.4.2. Lí tính
Ở nhiệt độ lớn hơn 0
o
C trong môi trường không khí bình thường với áp suất
bằng áp suất khí quyển, LPG bị biến đổi từ thể lỏng thành thể hơi theo tỉ lệ thể tích
1 lít LPG thể lỏng hoá thành khoảng 250 lít ở thể hơi.
Vận tốc bay hơi của LPG rất nhanh, dễ dàng khuyếch tán, hòa trộn với không
khí thành hỗn hợp cháy. Đây là tính chất rất quan trọng của LPG để nó làm nhiên
liệu thay thế cho động cơ đốt trong.
Tỉ trọng LPG nhẹ hơn so với nước là: Butane từ 0,55 – 0,58 lần, Propane từ
0,5 – 0,53 lần; Ở thể hơi (gas) trong môi trường không khí với áp suất bằng áp suất
khí quyển, gas nặng hơn so với không khí: Butane 2,07 lần; Propane 1,55 lần. Do

7

đó hơi LPG thoát ra ngoài sẽ bay là là trên mặt đất, tích tụ ở những nơi kín gió,
những nơi trũng, những hang hốc của kho chứa, bếp…
Màu sắc: LPG ở trạng thái nguyên chất không có mùi, nhưng dễ bị phát hiện
bằng khứu giác khi có rò rỉ do LPG được pha trộn thêm chất tạo mùi Mercaptan với
tỉ lệ nhất định để có mùi đặc trưng.
Nhiệt độ của LPG khi cháy rất cao từ 1900
o
C ÷1950
o
C, có khả năng đốt cháy
và nung nóng cháy hầu hết các chất.
Nhiên liệu khí hóa lỏng có nhiệt trị riêng theo khối lượng (PCIm) cao, cao
hơn cả xăng hay dầu diesel (bảng 1.4.1). Tuy nhiên do khối lượng riêng của nó
thấp, nhiệt trị riêng theo thể tích (PCI) thấp hơn nhiên liệu lỏng.
Bảng 1-1. Một số đặc tính kỹ thuật của LPG

STT

Đặc tính LPG LPG Phương pháp thử
min Đặc trưng

max
1 Tỷ trọng tại 15
o
C 0,55 0,55 0,575 ASTM D1657
2 Áp suất hơi ở 37,7
o
C(kPa) 420 460 1000 ASTM D2598

3 Thành phần(%khối lượng)
+ Ethane
+ Propane
+ Butane
+ Pentane và các chất khác


40
40


50
50

2
60
60
2

ASTM D2163
4 Ăn mòn lá đồng ở
37,8
o
C/giờ
1A 1A 1A ASTM D1838
5 Nước tự do(%khối lượng) 0 0 0
6 Sulphur sau khi tạo mùi 20 25 30 ISO 4260
7 Cặn còn lại sau khi hóa hơi
(%khối lượng)
0 0 0,05 ASTM D2158

8 H
2
S (%khối lượng) 0 0 0 ASTM D2420
9 Nhiệt lượng:
+kJ/kg
+kcal/m
3
(15
o
C, 760mmHg)

50000
26000


8

10 Nhiệt lượng tương đương:
+ Điện (Kw.h)
+ Dầu hỏa (lít)

14
1,5-2

11 Nhiệt độ cháy(
o
C):
+ Trong không khí
+ Trong oxi

1900
2900

12 Tỷ lệ hóa hơi: Lỏng-hơi 250 lần
13 Giới hạn cháy trong không
khí(% thể tích)
2-10



Bảng1-2. So sánh LPG và các loại nhiên liệu cổ điển
Thông số đặc trưng Eurosuper Diesel Propane
thương
mại
Butane
thương
mại
LPG
Khối 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

1.4.3. Chỉ số Octane
Nhiên liệu khí hóa lỏng được đặc trưng bởi chỉ số octane nghiên cứu (RON)
cao, có thể dễ dàng đạt đến 98. Bảng 1.4.3 giới thiệu RON của các loại khí khác
nhau. Chỉ số octane động cơ (MON) của LPG cũng cao hơn xăng.
Bảng 1-3. Chỉ số octane của một số chất
Chất RON MON
Propane
Propène
n-Butane
Isobutane
t-Butanol
n-pentance
>100
102
95
>100

(98)
100
100
85
92
99
80
83

9

1.5. Động cơ thí nghiệm ( động cơ Diesel 4CH-JANMAR)
1.5.1. Các thông số kỹ thuật của động cơ



Động cơ 4CH là động cơ của hãng Yanmar dùng cho các loại tàu thủy cỡ
nhỏ. Động cơ 4CH là loại động cơ Diesel có 4 xilanh thẳng hàng. Làm mát hai
vòng:
B
ộ góp khí nạp


Bơm cao áp
Bình l
ọc nhi
ên li
ệu

C

ần dừng động c
ơ

C
ần gạt ly hợp

C
ửa châm nh
ớt

Que thăm nh
ớt

Bơm tay

Que thăm nhớt
C
ần gạt

ly hợp
Đ
ộng c
ơ kh
ởi động

Bình l
ọc nhớt

Bơm nư
ớc biển

Máy phát đi
ện

B
ộ góp khí nạp

Hình 1-1: Sơ đồ động cơ 4CH


L
ỗ thông h
ơi


10

 Hệ kín: nước ngọt tuần hoàn kín làm mát cho động cơ.
 Hệ hở: nước ngoài tàu làm mát cho nước ngọt và dầu bôi trơn.
Động cơ 4CH là loại không tăng áp.

Bảng 1-4. Các thông số kỹ thuật của động cơ 4CH
Tên các thông số Đơn vị Giá trị
Kiểu động cơ 4CH
Kiểu buồng đốt Buồng cháy thống nhất
Số xilanh 4
Đường kính xilanh v
à
hành trình piston
mm(in) 105


125(4.13

4.92)
Dung lích xilanh l(cu.in) 4.330(264.21)
Công suất định mức HP/rpm 70/2300
Danh định

Nhẹ Trung bình Nặng Đầu ra lớn nhất
Hp/rpm 83/2600 85/2400 70/2300
Tỷ số nén 16.4
Thứ tự nổ 1-2-4-3-1
Trục khuỷu Ngược chiều kim đồng hồ Hướng quay
Trục chân vịt Cùng chiều kim đồng hồ
Vị trí công suất Phía bánh đà
Hệ thống khởi động Khởi động điện
Kiểu làm mát Làm mát hai vòng
Bơm nước ngọt Bơm ly tâm, bánh răng truy
ền
động
Bơm nước biển Cánh cao su, truyền động đai
Bộ trao đổi nhiệt Sinh hàn dạng ống
Van hằng nhiệt Dạng bi
Độ giãn nở của két Nhờ van áp lực





Hệ thống làm mát

Dung lượng bình l
àm mát
nước ngọt
16 lít
Kiểu hệ thống Bôi trơn áp lực

11

Bơm dầu Bơm bánh răng
Bộ lọc dầu Lõi lọc bằng giấy hai lớp
Làm mát dầu Sinh hàn dạng ống, làm mát b
ằng
nước biển
Van điều chỉnh áp lực dầu Dạng trụ, với vít điều chỉnh ngoài



Hệ thống bôi trơn
Dung tích dầu 12.5 lít
Bơm cao áp Kiểu bosch - bơm cụm
Bộ điều tốc Điều tốc ly tâm nhiều chế độ
B
ộ tự động điều chỉnh thời
gian
Kiểu ly tâm
Vòi phun Nhiều lỗ
Góc phun sớm 18
o
Áp suất phun kg/cm
2

(psi) 210-230(2986-3271)
Bơm tay Kiểu piston



Hệ thống nhiên liệu
Bộ lọc nhiên liệu Lọc bằng giấy (hai lớp)
Trọng lượng Kg(Ib) 647(1427)
mm(in) 1258(49.58)
Chiều rộng mm(in) 705(27.76)
Chiều dài

Kích thư
ớc bánh
răng đảo chiều
Chiều cao mm(in) 1006(39.61)


12

1.5.2 Đặc điểm làm việc của hệ thống nhiên liệu của động cơ 4CH
1.5.2.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu
Nguyên lý hoạt động


Nhiên liệu được cấp từ két nhiên liệu qua bầu lọc thô, từ đó qua bầu lọc tinh
đến bơm cao áp. Nhiên liệu được nén trên ống cao áp với áp suất 220 kg/cm
2
và
được phun tơi vào buồng đốt, với một lượng đủ và đúng thời điểm, ngay trên đỉnh

piston để hòa trộn với lượng không khí đang chuyển động xoáy và sau đó tự bốc
cháy.
Lực cung cấp từ bơm cao áp tới vòi phun được tự động điều chỉnh theo chế
độ làm việc của động cơ nhờ cơ cấu tự động điều chỉnh lượng cung cấp.
Nhiên liệu còn dư từ vòi phun sẽ được hồi về thùng chứa qua ống dầu hồi.
Hình 1-2. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ 4CH - JANMAR
ống cao áp
Đường
dầu
hồi
Vòi phun
Bơm cao áp
Bộ điều tốc
Bình lọc bổ sung
Bơm tay
Bình lọc
nhiên liệu
Két nhiên liệu Bầu lọc thô
Bầu lọc tinh

13

1.5.2.2 Bộ điều tốc



1.5.2.2.1. Điều kiện để động cơ khởi động
Khi cần điều khiển được kéo đến vị trí dừng tốc độ lớn nhất, nó sẽ di chuyển
hết hành trình. Khi đó cần áp lực sẽ được lò xo điều tốc kéo tới khi chạm vào vít
dừng đầy tải. Quả văng không dịch chuyển trong suốt khoảng thời gian đó và thanh

răng nhiên liệu bơm cao áp di chuyển nhờ khớp hãm di động do lực của lò xo khởi
động cung cấp. Khi động cơ khởi động, quả văng sinh ra lực ly tâm. Lực ly tâm này
thắng lực của lò xo khởi động và tay gạt trở về tới vị trí tiếp xúc với cần áp lực.
Hình 1-3. Cấu tạo bộ điều tốc

Vít dừng đầy tải

Lò xo không tải
Thay th
ế

Lò xo điều tốc

Quả văng

Trục cam

Lò xo khởi
động

Cần áp lực

Ống trượt

Khớp quay

Thanh dẫn hướng

Lò xo không tải

Tay gạt

Khớp hãm
di đ
ộng


14



1.5.2.2.2. Điều kiện động cơ làm việc ở chế dộ không tải



Khi động cơ khởi động, cần điều khiển trở về vị trí không tải, lò xo điều tốc
không hoạt động. Quả văng kéo ra theo hướng tâm kính ở tốc độ thấp, còn cần áp
lực kéo trở lại cho đến khi nó tiếp xúc với lò xo không tải thay thế. Ở vị trí này cần
Lò xo điều tốc
Tay gạt
Cần điều khiển
Quả văng
Thanh răng
Hình 1-5. Bộ điều tốc ở chế độ không tải

Hình 1-4. Bộ điều tốc ở chế độ khởi động

Tốc độ dừng lớn nhất
Cần áp lực
Vít dừng đầy tải

Cá hãm di động
Khớp quay
Cần áp lực
Lò xo không tải thay thế
Lò xo điều tốc

15

không tải được duy trì ở vị trí không tải với sự hỗ trợ của lò xo không tải thay thế.
Đây là nguyên nhân khi vòng quay giảm thì lực ly tâm giảm. Lò xo không tải đẩy
cần áp lực sang trái và quả văng được kéo vào trong, nó đẩy thanh răng nhiên liệu
theo hướng tăng nhiên liệu và duy trì ở chế độ không tải.
1.5.2.2.3. Điều kiện làm việc ở tốc độ quay lớn nhất



Khi cần điều khiển dịch chuyển từ vị trí không tải tới vị trí tải lớn nhất, áp
lực trong ống trượt tăng lên, cần áp lực được kéo căng tới khi chạm vào vít dừng
đầy tải và dịch chuyển tay gạt và ống trượt sang trái.
Cần dẫn hướng và khớp hãm di động được truyền tới thanh răng bởi liên kết
và duy trì ở vị trí đầy tải. Khi đó vòng quay tăng lên tới một vị trí nhất định, lực ly
tâm của quả văng và lực của lò xo điều tốc cân bằng với nhau, và quyết định đến
vòng quay đầy tải.
Hình 1-6. Bộ điều tốc ở tốc độ quay lớn nhất

Lò xo điều tốc
Tốc độ dừng lớn nhất

16

1.5.2.2.4. Điều kiện dừng động cơ
Kéo cần điều khiển tới vị trí dừng, thanh răng di chuyển tới vị trí ngừng cấp
nhiên liệu mà không phụ thuộc vào vị trí của cần điều khiển. Động cơ được dừng
lại.







Hình 1-7. Bộ điều tốc ở vị trí dừng động cơ

Thanh kéo dừng

17

CHƯƠNG 2
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN
CUNG CẤP LPG-DO CHO ĐỘNG CƠ

2.1. Giải pháp kỹ thuật để động cơ có thể sử dụng nhiên liệu nhiên liệu LPG
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 được nhiều ưu điểm hơn,
đặc biệt là hệ thống phun nhiên liệu ở dạng khí hóa lỏng ngay trước soupape nạp.
Hệ thống này có ưu điểm ngăn chặn sự bốc cháy của hỗn hợp trên đường nạp, hiệu
suất của động cơ được nâng cao và mức độ ô nhiễm giảm đi đáng kể.
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 tăng sự đồng nhất hoàn toàn của hỗn hợp gas –

không khí và tránh hiện tượng ướt thành đường nạp bởi nhiên liệu lỏng, hiện
thượng 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
hạn chế khả năng khống chế tỷ 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 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 bám trên
đường nạp không đáng kể gì so với động cơ xăng.

18

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.
Người ta sử dụng đánh lửa bằng cách phun nhiên liệu mồi. Mục đích là tận
dụng tối đa các bộ phận của hệ thống động cơ Diesel đang sử dụng và hạn chế tối
thiểu việc lắp đặt thêm nhiều cơ cấu và bộ phận khác làm thay đổi quá lớn về kết
cấu và tăng chi phí chuyển đổi trên động cơ cải tạo.
Lượng nhỏ nhiên liệu Diesel phun mồi được phun trước khi piston đến điểm
chết trên. Các hạt nhiên liệu Diesel này sẽ tự bốc cháy và tạo ra chừng ấy điểm
đánh lửa trong hỗn hợp nhiên liệu không khí để đốt cháy lượng LPG đưa vào. Hệ
thống đánh lửa này có năng lượng tỏa ra rất lớn và hầu như không phụ thuộc vào sự
phân bố hỗn hợp trong buồng cháy. Trong trường hợp đó sự tăng áp suất diễn ra
nhanh chóng hơn và hiệu suất động cơ được cải thiện đáng kể.

Lượng nhiên liệu phun mồi cần thiết bằng lượng nhiên liệu để duy trì chế độ
không tải của động cơ Diesel. Mục đích là để đốt cháy kiệt lượng nhiên liêu LPG
đưa vào và chuyển đổi dễ dàng sang dùng chỉ mình nhiên liệu Diesel khi động cơ
đang hoạt động với hỗn hợp Diesel-LPG. Nếu không có đủ lượng nhiên liệu Diesel
để duy trì chế độ không tải thì khi cắt nhiên liệu LPG thì động cơ sẽ bị chết máy.
*Ưu điểm của đánh lửa bằng cách phun nhiên liệu mồi:
 Độ tin cậy khi đánh lửa khá cao, hiệu quả đánh lửa kéo dài và có thể đánh
lửa ở bất kỳ độ đậm đặc nào của hỗn hợp với điều kiện mức độ rối của hỗn hợp
LPG-không khí đủ lớn.
 Dễ dàng chuyển về sử dụng nhiên liệu Diesel khi không dùng LPG.
 Hiệu suất động học cao.
*Nhược điểm của đánh lửa bằng cách phun nhiên liệu mồi:
Tỷ số nén cao làm hạn chế công suất cực đại theo tính chất của nhiên liệu khí
hóa lỏng. Khả năng chống kích nổ của LPG cao nhưng nếu tỷ số nén cao hơn mức
cho phép sẽ gây ra hiện tượng kích nổ và gây hư hỏng cho động cơ.

19

2.2. Phân tích một số hệ thống sử dụng LPG-DO sẵn có trên động cơ Diesel
hiện nay
Sơ đồ tổng thể hệ thống nhiên liệu LPG và diesel song song [8]
Cho đến nay phương án chung để cung cấp LPG trên động cơ người ta đều
sử dụng hệ thống cung cấp DO-LPG song song. Ta có sơ đồ tổng thể hệ thống nhiên
liệu LPG và diesel song song:


Hình 2-1. Sơ đồ hệ thống LPG và diesel song song có sử dụng
bộ phận điều khiển điện tử
Lượng nhiên liệu LPG và diesel được điều khiển bởi mô đun điều khiển sẽ
đưa tới hiệu quả cao về mặt hiệu suất nhiệt, đồng thời cung cấp lượng nhiên liệu

chính xác đúng thời điểm. Lượng LPG trước khi qua mô đun điều khiển phải qua
van an toàn để đảm bảo sự an toàn về sử dụng LPG.
Trên cơ sở xem xét một số hệ thống sử dụng LPG trên động cơ Diesel hiện
nay ta có một số phương án điều khiển như sau:
2.2.1 Cung cấp gas trực tiếp nhờ xupap ga [6]
2.2.1.1 Xupap gas có cơ cấu điều khiển kiểu cơ khí
Đối với động cơ gas công suất lớn, gas được cung cấp bởi một xupap đặc
biệt được đặt trước cửa nạp hay ngay trong xylanh. Xupap này có thể được điều
khiển bởi một cánh tay đòn hay bởi một xylanh thuỷ lực. Xupap gas được mở trễ

20

hơn một chút so với xupap nạp để tránh thất thoát gas ra đường xả trong giai đoạn
trùng điệp. Lượng gas nạp vào được điều chỉnh nhờ thời gian mở xupap gas hay độ
chênh áp giữa gas và không khí.

Hình 2-2. Cung cấp gas bằng xupap gas điều khiển cơ khí
2.2.1.2 Xupap gas điều khiển điện tử
Xupap gas này đặt ngay trước cửa nạp, điều khiển đóng mở nhờ hệ thống
điều khiển động cơ. Một cảm biến được đặt trong buồng cháy của động cơ, các
thông số trong buồng cháy được đưa về bộ điều khiển điện tử. Từ đó bộ điều khiển
phân tích quá trình cháy và điều khiển lượng dầu DO và LPG vào động cơ thích
hợp.


Hình 2-3. Xupap gas điều khiển điện tử