nghiên cứu điều khiển hệ thống nhiên liệu cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép (lpg diesel)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG
NHIÊN LIỆU KÉP (LPG - DIESEL)
S

K

C

0

0

3

9
3

5
1

9
4

MÃ SỐ: T2011 - 23TĐ

S KC 0 0 3 3 1 5

Tp. Hồ Chí Minh, 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
--------o0o--------

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG
NHIÊN LIỆU KÉP (LPG - DIESEL)
Mã số: T2011 – 23TĐ

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Nguyễn Văn Long Giang
Thành viên tham gia: PGS.TS Đỗ Văn Dũng
ThS. Nguyễn Trọng Thức

TP. HỒ CHÍ MINH - 12/2011


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1 Lý do chọn đề tài:
Trong quá trình phát triển kinh tế, xã hội của thế giới nói chung và của Việt Nam
nói riêng, mạng lưới giao thông vận tải có vai trò vô cùng quan trọng trong việc vận
chuyển con người và hàng hóa. Dẫn đến số lượng xe tham gia lưu thông trên đường
ngày một tăng lên. Việc gia tăng của các loại xe cơ giới, ô tô và các loại máy sử dụng
nguồn nhiên liệu hoá thạch đã làm cho nguồn nhiên liệu này ngày càng cạn kiệt (theo
dự báo nguồn nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt trong khoảng 30 đến 50 năm tới). Nguy
hiểm hơn, các loại ô tô sử dụng nguồn nhiên liệu này đã làm ô nhiễm môi trường do
các khí độc hại như NOx, CO, CO2, HC… từ động cơ thải ra (đây chính là nguồn gây ô
nhiễm chính đối với môi trường sống hiện nay). Ngoài ra, các tiêu chuẩn về môi
trường đặt ra buộc các nhà sản xuất và nhập khẩu phải tuân theo. Tìm kiếm các nguồn
năng lượng thay thế, kiểm soát ô nhiễm môi trường ngày càng tốt hơn, bảo vệ sức
khỏe của con người… đang là nhiệm vụ đặt ra cho con người hiện nay.
So với trước kia, ô tô ngày nay đã sạch hơn rất nhiều. Các công nghệ mới được
ứng dụng trên xe: cải tiến buồng đốt, sử dụng công nghệ điều khiển phun xăng - đánh
lửa điện tử, gắn bộ xúc tác trên ống xả…đã giảm đi một lượng đáng kể khí thải độc
hại. Tuy nhiên, các giải pháp đó chỉ đáp ứng một phần trong việc kiểm soát khí thải và
vẫn cần nhiều nỗ lực hơn nữa từ phía các nhà nghiên cứu, sản xuất.
Gần đây, những công trình nghiên cứu sử dụng khí đồng hành dầu mỏ hóa lỏng
(LPG) cho các phương tiện giao thông trên thế giới cũng như tại Việt Nam đã có
những kết quả khả quan. LPG là loại nhiên liệu có nhiều ưu điểm: khi sử dụng LPG
trên xe chạy xăng đốt cháy cưỡng bức có thể giảm ô nhiễm khí thải mà vẫn duy trì
được công suất của động cơ, giá thành tương đối rẻ và dễ sử dụng…Còn khi sử dụng
hỗn hợp LPG + Diesel trên động cơ thì các chỉ tiêu về ô nhiễm môi trường và khả
năng mang tải của động cơ diesel được cải thiện, các chi phí chuyển đổi hệ thống
nhiên liệu của động cơ thấp, các kết cấu của động cơ không bị thay đổi nhiều…

Việt Nam có nhiều tiềm năng về các loại khí đốt. Các loại khí tồn tại trong các
mỏ khí và mỏ dầu tập trung nhiều ở Biển Đông với trữ lượng rất cao. Nếu chúng được
khai thác và sử dụng tốt sẽ mở ra một hướng giải quyết tốt cho vấn đề nhập khẩu xăng
dầu. Do đó đòi hỏi chúng ta phải đầu tư nhiều vào việc khai thác, sản xuất và sử dụng
1


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

tốt các loại khí này. Nếu làm được như thế là đã góp phần thúc đẩy sự phát triển của
ngành khai thác, sản xuất dầu khí và mang lại lợi ích kinh tế rất lớn cho đất nước.
Ưu điểm quá trình cháy của LPG khi dùng như là nhiên liệu thay thế thì rất rõ
ràng. Câu hỏi chính cần được trả lời là hiệu suất và sự vận hành như thế nào so với quá
trình cháy mà diesel có thể đạt được mà không làm hại đến mức tiêu thụ nhiên liệu ?
Việc ứng dụng LPG trên xe chạy Diesel gặp những khó khăn riêng do kết cấu động cơ
và bản chất quá trình cháy. Vì vậy, việc nghiên cứu, chế tạo và lắp đặt thành công hệ
thống cung cấp LPG cho động cơ diesel có ý nghĩa lớn trong việc giảm ô nhiễm khí
thải từ động cơ diesel.
Có nhiều phương án khác nhau được sử dụng để cải tạo hệ thống nhiên liệu
Diesel sang sử dụng LPG. Trên cơ sở phân tích những ưu và nhược điểm của các
phương án, phương án được chọn là:
- Động cơ diesel 3C – TE của Toyota.
- Sử dụng phun mồi diesel để khởi tạo quá trình cháy.
- Phun LPG trên đường ống nạp.
- Sử dụng vi điều khiển để kiểm soát quá trình phun LPG.
1.2 Mục đích của đề tài:
Đề tài có 3 mục đích chính:
- Thiết kế cải tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu liệu của động cơ Diesel cũ bằng

hệ thống mới có thể dùng nhiên liệu kép (LPG – Diesel).
- Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển điện tử hệ thống cung cấp LPG cho động cơ
Diesel Toyota 3C-TE.
- Lập trình cho mạch điều khiển Phun LPG theo tốc độ động cơ, vị trí bàn đạp ga
và điều chỉnh thời điểm phun dầu Diesel.
1.3 Phương pháp nghiên cứu:
Các phương pháp sau được sử dụng để thực hiện đề tài:
- Phương pháp tham khảo tài liệu: tham khảo các công trình nghiên cứu về việc
ứng dụng LPG, tính chất lý hóa của các loại nhiên liệu diesel và LPG...
- Phương pháp tính toán: tính toán các số liệu dựa vào nguyên lý động cơ đốt
trong và cấu tạo các cảm biến.
- Phương pháp lập trình vi điều khiển: thu thập số liệu, xử lý số liệu và xuất số
2


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

liệu cho các cơ cấu chấp hành.
- Phương pháp thực nghiệm: Thực nghiệm các vấn đề nghiên cứu trên động cơ
Toyota 3C-TE.
1.4 Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel Toyota
3C-TE. Thiết kế, chế tạo lại hệ thống cung cấp nhiên liệu cho phù hợp với việc sử
dụng kết hợp LPG và diesel.
1.5 Giới hạn của đề tài:
Nghiên cứu thiết kế điều khiển hệ thống cung cấp LPG cho động cơ Toyota 3CTE theo các chế độ hoạt động của động cơ, đồng thời điều chỉnh lưu lượng và thời
điểm phun Diesel để động cơ hoạt động ổn định, phát huy tối đa công suất và giảm các
khí thải độc hại cho môi trường.

1.6 Kế hoạch thực hiện:
- Ngày 20/03/2011 – 30/04/2011: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về động cơ và các
tính chất của LPG và Diesel.
- Ngày 01/05/2011 – 30/06/2011: Nghiên cứu về kỹ thuật thiết kế mạch điện tử và
lập trình vi điều khiển.
- Ngày 01/07/2011 – 30/09/2011: Thiết kế, thi công hệ thống cung cấp LPG, chế
tạo mạch và lập trình điều khiển hệ thống cung cấp LPG.
- Ngày 01/10/2011 – 15/11/2011: Thử nghiệm điều khiển hệ thống cung cấp LPG
cho động cơ và điều chỉnh trên động cơ.
- Ngày 16/11/2011 – 10/12/2011: Viết báo cáo kết quả nghiên cứu và chuẩn bị bảo
vệ.
1.7 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu trong và ngoài nước
“Sử dụng LPG trên xe gắn máy và xe buýt nhỏ”, Bùi Văn Ga, Trung tâm nghiên
cứu bảo vệ môi trường Đại học Đà Nẵng [2].
Công trình nghiên cứu công nghệ chuyển đổi xe gắn máy và xe buýt nhỏ chạy xăng
sang chạy bằng LPG đã được trình bày. Kết quả nghiên cứu cho thấy tính năng ưu việt
của phương tiện chạy LPG so với chạy xăng về tính kinh tế kỹ thuật cũng như về bảo
vệ môi trường.
“Cải tạo động cơ Mazda WL thành động cơ dual fuel sử dụng khí hóa lỏng”, Lê
Minh Xuân, Luận văn thạc sỹ Trường ĐH Đà Nẵng.
3


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

Đề tài dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để đánh giá kết quả
trên cơ sở nghiên cứu động cơ Mazda WL. Kết quả thực nghiệm cho thấy: tỷ lệ LPG
sử dụng trong hỗn hợp để động cơ Mazda WL hoạt động bình thường nhỏ hơn 20%.

Công suất giảm khoảng 5% - 10% và nồng độ bồ hóng giảm 15% - 20%.
“Research and install the LPG supply system to diesel engine VIKYNO RV 125”,
Do Van Dung, Le Thanh Phuc, Huynh Phuoc Son, Le Viet Hung APAC15, Hanoi [9].
Đề tài ứng dụng kỹ thuật nhiên liệu kép trên động cơ diesel có sẵn trên thị trường,
Vikyno RV125, kim phun lắp trên đường ống nạp. Kết quả nghiên cứu cho thấy động
cơ dual fuel, về cơ bản, đảm bảo các yêu cầu và tiết kiệm hơn động cơ diesel tương
ứng.
“Pilot – ignited natural gas combustion in diesel engines”, Peter Mtui, The
University of British Columbia [10].
Nghiên cứu quá trình cháy của khí thiên nhiên được mồi lửa bởi diesel. Kết quả
cho thấy quá trình cháy của diesel-gas có cùng khoảng thời gian chuẩn bị đánh lửa và
thời gian cháy so với động cơ diesel cơ sở. Quá trình cháy của diesel-gas êm hơn so
với động cơ diesel cơ sở.
“Simultaneous diesel and natural gas injection for dual-fuelling compressionignition engines”, Timothy Ross White, School of Mechanical and Manufacturing
Engineering, The University of New South Wales [11].
Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm và mô phỏng quá trình phun
nhiên liệu đồng thời vào trong buồng đốt bằng một kim phun kết hợp, từ đó tìm ra áp
suất phun tối ưu, kích thước lỗ kim phun và góc kim phun để chùm tia phun được phân
tán và hóa hơi tốt nhất.

4


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

Chương 2

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ

SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP (LPG – DIESEL)
2.1. Đặc tính của nhiên liệu Diesel và LPG
2.1.1. Nhiên liệu Diesel
Dầu Diesel là một loại nhiên liệu lỏng, sản phẩm tinh chế từ dầu mỏ có thành
phần chưng cất nằm giữa dầu hỏa (kesosene) và dầu bôi trơn (lubricating oil), có nhiệt
độ bốc hơi từ 1750C đến 3700C (đối với nhiên liệu diesel nặng: 3150C ÷ 425C còn gọi
là Mazut – Fuel oil). Dầu diesel được đặt tên theo nhà sáng chế Rudolf Diesel, và có
thể được dùng trong loại động cơ đốt trong diesel.
Các thông số kỹ thuật của dầu diesel được giới thiệu trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1: Các thông số kỹ thuật của dầu Diesel
Các tiêu chuẩn chất lượng của

Loại nhiên liệu diesel
DO

DO

0,5% S

1,0% S

≥ 50

≥ 45

- 50% được chưng cất ở

2800C

280 C

- 90% được chưng cất ở

370 C

nhiên liệu diesel
1. Trị số cetan

Phương pháp
thử
ASTM D 976

0

2. Thành phần chưng cất, t C
0

TCVN

370 C

0

2693 – 95

1,8 ÷5,0

1,8÷5,0

ASTM D 445

≤0,5

≤1,0

ASTM D 2622

≤ 0,01

≤ 0,01

TCVN

0

3. Độ nhớt động học ở 200C
(đơn vị cSt : centi Stock)
4. Hàm lượng S (%)
5. Độ tro (% kl)

2690 – 95
6. Độ kết cốc (%)

≤ 0,3

≤ 0,3

TCVN6
324 – 97

7. Hàm lượng nước, tạp chất cơ

≤0,05

≤0,05

học (% V)

2693 – 95
0

9. Ăn mòn mảnh đồng ở 50 C
trong 3 giờ

TCVN

0

N1

0

N1

TCVN
2694 – 95
5


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

0

10. Nhiệt độ đông đặc, t C

Mã số: T2011-23TĐ
≤5

≤5

TCVN
3753 – 95

11. Tỷ số A/F

14,4

14,4

-

2.1.2 Nhiên liệu LPG
LPG là chữ viết tắt của “Liquefied Petroleum Gas”, hoặc LP Gas là “khí dầu mỏ
hóa lỏng”. Đây là cách diễn tả chung của propane có công thức hóa học là C3H8 và
butane có công thức hóa học là C4H10, cả hai được tồn trữ riêng biệt hoặc chung với
nhau như một hỗn hợp.
2.1.2.1 Thành phần hóa học của LPG
Propane
Propane là một alkane thể khí có thể thu được trong quá trình tinh luyện dầu.
Propane không màu. Công thức hóa học của propane là CH3CH2CH3. Propane có thể
được hóa lỏng khi nén và làm lạnh. Propane có công thức cấu tạo như Hình 2.1.

Hình 2.1: Công thức hóa học của propane
Butane
Butane là một hydrocarbon có trong khí thiên nhiên và có thể thu được từ quá
trình tinh luyện dầu mỏ. Butane là một alkane thể khí, gồm có các hydro cacbon chứa
4 nguyên tử cacbon, chủ yếu là n- butane và iso-butane. Công thức hóa học của butane
là C4H10 và có công thức cấu tạo như Hình 2.2.

Hình 2.2: Công thức hóa học của butane

Mecaptan
Mecaptan là một chất được pha trộn vào LPG với tỉ lệ nhất định làm cho LPG
6


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

có mùi đặc trưng, để dễ phát hiện khi bị xì hoặc rò rỉ. Thường LPG là không màu,
không mùi.
2.1.2.2 Tính chất vật lý của LPG
LPG được mỏ gọi là khí dầu hóa lỏng vì các chất khí này có thể được hóa lỏng ở
nhiệt độ bình thường bằng cách gia tăng áp suất vừa phải, hoặc ở áp suất bình thường
bằng cách sử dụng kỹ thuật làm lạnh để làm giảm nhiệt độ.
Các thông số kỹ thuật của LPG so sánh với xăng và dầu Diesel được giới thiệu
trong bảng 2.2.
Bảng 2.2: Các thông số kỹ thuật của LPG so sánh với xăng (petrol) và dầu diesel
Đặc tính

Propane

Butane

Petrol

Diesel

1. Tỉ trọng ở 150C

0.508

0.584

0.73-0.78

0.81-0.85

2. Áp suất bay hơi ở 37,80C (bar)

12.1

2.6

0.5-0.9

0.003

3. Nhiệt độ sôi (0C)

-43

-0.5

30-225

150-560

4. Nhiệt độ tự cháy (0C)

482

405

257

210

5. RON

111

103

96-98

-

6. MON

101

93

85-87

-

7. Nhiệt trị thấp (MJ/kg)

46.1

45.46

44.03

42.4

8. Khối lượng riêng (kg/m3)

2.011

2.697

730

830

9. Tỉ số A/F

15.8

15.6

14.7

14.4

Trên thực tế người ta sản xuất propane và butane riêng biệt, sau đó trộn theo tỷ lệ
thích hợp. Việc chọn lựa tỷ lệ thích hợp dựa theo các yếu tố sau:
+ Nguồn cung cấp có thành phần như thế nào.
+ Propan là chất dễ bay hơi do vậy dễ bắt cháy hơn nhất là trong điều kiện khí
hậu lạnh vào mùa đông. Ví dụ ở châu Âu tỷ lệ thường dùng là 50:50 nhưng vào mùa
hè có thể giảm propane, tăng butane lên thành 40:60.
Ở Việt Nam, hiện nay vẫn chưa có propane và butane riêng biệt, LPG từ nhà máy
Dinh Cố hầu như là hỗn hợp 50:50.

7


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

2.2 Các phương pháp cải tạo động cơ diesel thành động cơ sử dụng LPG
Hiện nay có 3 cách để cải tạo động cơ diesel sang động cơ sử dụng LPG:
- Chuyển sang động cơ đánh lửa LPG bằng bugi.
- Phun LPG trực tiếp vào trong xy lanh, đốt cháy bằng bugi xông.
- Giữ lại hệ thống phun diesel và bổ sung LPG trên đường ống nạp (CDF).
2.2.1 Chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ LPG đánh lửa bằng bugi

Mô tả hệ thống:
Hệ thống nhiên liệu cũ sẽ được thay thế bằng một hệ thống đánh lửa cao áp. Như
vậy một động cơ diesel thực tế đã trở thành một động cơ SI (Spark Ignition – đánh lửa
bằng bugi). Việc chuyển đổi sử dụng phương pháp này có thể thực hiện với chi phí
tương đối thấp.

Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ diesel chuyển đổi
sang sử dụng LPG đốt cháy cưỡng bức
Nguyên lý hoạt động:
LPG từ bình chứa, qua van ngắt, bộ lọc rồi đến bộ điều áp. Tại bộ điều áp, áp suất
của LPG được giữ ổn định, áp suất đầu ra của bộ điều áp không phụ thuộc vào nhiệt độ
và áp suất đầu vào. LPG sau khi điều áp được đưa đến kim phun, qua bộ trộn khí rồi
đến xupáp nạp. Cuối quá trình nén tia lửa điện từ bugi sẽ đánh lửa LPG.

8


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

2.2.2 Chuyển đổi động cơ Diesel thành động cơ phun LPG trực tiếp
Mô tả hệ thống:
LPG từ bình chứa đến bộ điều áp, qua ống phân phối rồi đến kim phun. Các cảm
biến như là bộ đo gió, cảm biến cánh bướm ga, cảm biến lambda gởi tín hiệu về bộ
điều khiển để tính toán thời gian nhấc kim, cung cấp LPG vào trong xy lanh. Một hệ
thống van và đồng hồ báo được thiết kế để đảm bảo an toàn và hiển thị tình trạng của
hệ thống.
Sơ đồ tổng thể hệ thống điều khiển nhiên liệu được chỉ ra trên Hình 2.6.

Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu
động cơ Diesel chuyển đổi sang phun trực tiếp LPG
Nguyên lý hoạt động:
Động cơ phun LPG trực tiếp hoạt động dựa trên việc phun trễ một lượng nhiên
liệu áp suất cao vào trong buồng cháy động cơ đốt trong giống như động cơ diesel.
Cũng giống như động cơ diesel, LPG được phun vào cuối kỳ nén. LPG có nhiệt độ tự
bốc cháy lớn hơn diesel (10000C so với 5000C) vì vậy, sẽ không dễ dàng bốc cháy
trong một buồng đốt có nhiệt độ và áp suất giống như động cơ diesel thường. Để đốt
cháy LPG, một bề mặt tiếp xúc nhiệt độ cao, như bugi xông làm bằng gốm, được sử
9


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

dụng trong buồng đốt như Hình 2.6. Đầu bằng gốm có nhiệt độ 1200 – 13000C, được
cách nhiệt để đốt cháy nhiên liệu tốt hơn. Hệ thống nung nóng được kiểm soát để duy
trì nhiệt độ của đầu bugi xông ổn định, đốt cháy tối ưu. Kim phun với lượng nhiên liệu
được ấn định bằng độ rộng xung cung cấp LPG trực tiếp vào buồng đốt.
Ngoài ra còn có bộ xúc tác làm giảm tối đa lượng khí xả độc hại. Việc kết hợp
giữa LPG và hiệu suất hoạt động cao đã giảm đáng kể lượng NOx khi so sánh với động
cơ diesel và động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức tương ứng.
- Nồng độ chất thải dạng hạt (PM) trong khí thải gần như bằng 0.
- Giảm 20% lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (chủ yếu là CO2) so với động cơ
diesel tương ứng.
- Tăng 25% hiệu suất nhiên liệu so với động cơ khí thiên nhiên đốt cháy cưỡng
bức.
2.2.3 Chuyển đổi động cơ Diesel thành động cơ nhiên liệu kép Diesel-LPG

Hình 2.5: Sơ đồ một hệ thống nhiên liệu điển hình của động cơ dual fuel LPG -Diesel
Động cơ nhiên liệu kép dựa trên kỹ thuật của động cơ Diesel. Nhiên liệu cơ sở là
LPG nhưng chúng được thiết kế để hoạt động trong sự tương tác với diesel. Trong đó,
diesel đóng vai trò là tia lửa mồi sinh ra do nhiệt của quá trình nén chứ không phải do
bugi đánh lửa. Những động cơ này có thể chạy 100% diesel. Khi chạy cầm chừng,
những động cơ này có khuynh hướng chạy 100% diesel. Khi động cơ bắt đầu chuyển
10


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

sang chế độ đầy tải, LPG tăng lên thay thế dầu diesel lên đến 80% hay hơn. Điều đó có
ý nghĩa trong việc bảo vệ môi trường và những lý do kinh tế đặc biệt ở những nơi
không có đủ trạm cung cấp khí thiên nhiên. Việc chuyển đổi động cơ sang sử dụng
nhiên liệu kép cũng tương đối dễ dàng.
2.3 Các nghiên cứu về động cơ sử dụng nhiên liệu kép Diesel - LPG
2.3.1 Các phương pháp cung cấp LPG cho động cơ Diesel
2.3.1.1 Sử dụng kim phun LPG

Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống cung cấp LPG sử dụng kim phun
Ưu điểm:
- Kiểm soát được độ đậm đặc của hỗn hợp.
- Điều khiển dễ dàng lượng nhiên liệu phun.
- Đáp ứng kịp thời mọi chế độ tải.
- Ít gây tổn thất.
Nhược điểm:
- Dễ đóng băng làm tắc ống.
- Bơm nhiên liệu dễ bị ngưng hơi.

- Thiết bị điều khiển phức tạp.
11


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

2.3.1.2 Sử dụng họng VENTURY

Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống cung cấp LPG sử dụng họng VENTURY
Ưu điểm:
- Đơn giản và dễ chế tạo.
- Cho phép chuyển đổi nhiên liệu dễ dàng.
- Ít thay đổi kết cấu.
- Phù hợp để cải tạo cho xe đã qua sử dụng.
Nhược điểm:
- Đáp ứng tải chậm.
- Làm giảm lượng không khí nạp cho động cơ.
2.4. Một số kết quả thực nghiệm trên động cơ và trên xe sử dụng nhiên liệu kép
Diesel – LPG:
2.4.1 Thử nghiệm sử dụng LPG _ Diesel trên động cơ VYKYNO RV125
12


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

Bộ đo gió

dây nhiệt
Cảm biến
điện từ
Bơm cao áp
Kim phun
LPG

Motor bước
Bộ điều
khiển

Hình 2.8 Động cơ VIKYNO sau khi lắp đặt
các bộ phận điều khiển phun LPG

Hình 2.9 Sơ đồ bố trí các thiết bị

Hình 2.10 Đồ thị đặc tính của động cơ
RV125
- T: Moment xoắn, đạt cực đại bằng 4,04 kgf.m ở số vòng quay 1800 vòng/phút.
- Ne: Cơng suất tối đa, giá trị đạt cực đại là 12,5HP ở số vòng quay 2400
vòng/phút.
- Na: Cơng suất định mức, đạt được giá trị cực đại là 10,5HP ở số vòng quay
là 2200 vòng/phút.
- be: Suất tiêu hao nhiên liệu, đạt giá trị cực tiểu là 180g/HP.h, ở số vòng quay
1900 vòng/phút.
Trong đó một số thử nghiệm được tiến hành ở phòng Nghiên cứu và phát triển
Cơng ty VIKYNO: đo cơng suất định mức, cơng suất cực đại, tiêu hao nhiên liệu
diesel, nhiệt độ khí thải. Các thử nghiệm khác như độ mờ khói, thành phần khí thải,
tiêu phí nhiên liệu được tiến hành ở phòng thử nghiệm động cơ và ơ tơ, Khoa Cơ khí
Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Qua những thử

nghiệm trên, động cơ VIKYNO RV125 chạy nhiên liệu kép có các kết quả như sau:
13


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

- 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%.
Kết quả thực nghiệm trên động cơ VYKINO RV125 cho thấy các đặc tính về công
suất vẫn đảm bảo trong khi tiết kiệm chi phí nhiên liệu và ít ô nhiễm môi trường hơn
đã khẳng định tính ưu việt của việc chuyển đổi động cơ diesel dùng nhiên liệu kép.
2.4.2 Thử nghiệm sử dụng LPG – Diesel trên động cơ Ford Ranger WL

Hình 2.11: Sơ đồ bố trí thử nghiệm động cơ Ford Ranger trên
2.4.2.1 Kết quả thực nghiệm về công suất và moment

Hình 2.12: Sử dụng 100% diesel

Hình 2.13: Sử dụng nhiên liệu kép
Diesel + LPG
14


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

Căn cứ theo các đồ thị trên ta có bảng số liệu tổng hợp như sau:
Bảng 2.3: So sánh công suất và moment
Nhiên liệu

100% diesel

Diesel+LPG

Mmax (Nm)

135

128

% Giảm M

0

9,4

Pmax (kW)

35

32

% Giảm P

0

9,14

Kết quả thực nghiệm cho thấy moment xoắn cực đại khi sử dụng nhiên liệu kép
giảm 9,4%, công suất định mức giảm 9,14%.
2.4.2.2 Kết quả thực nghiệm kiểm tra khí thải của động cơ
Việc kiểm tra khí thải của động cơ được thí nghiệm trên thiết bị đo khí thải của
phòng thí nghiệm ô tô của Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM.
Thí nghiệm kiểm tra khí thải được thực hiện ở 3 chế động tốc độ khác nhau
(700v/p, 1800v/p, 3000v/p) với động cơ hoạt động với nhiên liệu Diesel và động cơ
hoạt động với nhiên liệu kép LPG – Diesel.
Kết quả thí nghiệm như sau:
Bảng 2.4: Kết quả đo nồng độ khí thải của động cơ.
n (v/p)

700

1800

3000

Độ mờ khói (%)
CO (%)
CO2 (%)
HC (ppm)
NOx (%)
Độ mờ khói (%)
CO (%)
CO2 (%)
HC (ppm)

NOx (%)
Độ mờ khói (%)
CO (%)
CO2 (%)
HC (ppm)
NOx (%)

Diesel
1
51
0.05
2.9
30
0.25
54
0.06
2.3
31
0.27
45
0.06
3.8
29
0.24

Diesel+LPG
2
51
0.04
2.7

32
0.26
55
0.06
2.4
29
0.27
45
0.06
3.6
30
0.26

1
48
0.03
2.3
43
0.19
45
0.07
2.2
39
0.25
42
0.07
3.3
37
0.22

2
47
0.04
2.3
47
0.19
45
0.07
2.2
38
0.25
42
0.06
3.3
36
0.22

15


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

2.4.2.3 Đánh giá các kết quả thử nghiệm
Để đánh giá các tính năng của động cơ nhiên liệu kép, một số thử nghiệm được
tiến hành: moment, công suất, khí thải, tiêu hao nhiên liệu. Các thử nghiệm được thực
hiện tại phòng thử nghiệm động cơ, trường Cao đẳng Sư phạm kỹ thuật Vĩnh Long và
Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM.
Qua những thử nghiệm trên, động cơ nhiên liệu kép có các kết quả: LPG có thể

thay thế diesel khoảng 32%, moment động cơ giảm 9,4%, công suất giảm 9.14%. Chi
phí nhiên liệu giảm 3,64%.
Về các chỉ tiêu về khí thải: Các chỉ số về CO, CO2, NOx đều giảm khi sử dụng
nhiên liệu kép LPG – Diesel. Độ mờ khói (Bù hóng) của quá trình cháy giảm nhiều ở
chế độ 1800v/p. Tuy nhiên lượng HC tăng lên do không đốt cháy hoàn toàn HC của
thành phần khí hóa lỏng LPG.
2.4.3 Thử nghiệm trên xe Mitsubishi 3.2L Diesel

Hình 2.14: Xe Mitsubishi 3.2L Diesel.
Thử nghiệm với thành phần tỉ lệ nhiên liệu diesel/LPG: 60%/40%
Thử nghiệm tiêu hao nhiên liệu.

Hình 2.15: Biểu đồ thử nghiệm tiêu hao nhiên liệu
16


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

Tiêu thụ nhiên liệu: tiết kiệm 7.9% trên động cơ dual fuel
- Diesel 100% = 11.05 Lít / 100 km
- Diesel/LPG = 10.17 Lít (kết hợp) / 100 km.
Thử nghiệm hiệu suất nhiệt

Hình 2.16: Biểu đồ thử nghiệm hiệu suất nhiệt
Hiệu suất nhiệt: tăng 16.3% trên động cơ sử dụng nhiên liệu dual fuel.
Thử nghiệm chi phí nhiên liệu.

Hình 2.17: Biểu đồ thử nghiệm chi phí nhiên liệu.

Chi phí nhiên liệu: giảm 26% (0.0253 $AUD trên km).
Thử nghiệm khí thải

17


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

Hình 2.18: Biều đồ thử nghiệm khí thải
CO2: Giảm 12.6%
Độ mờ khói: giảm 74.9%
NOx: giảm 18.1% trên động cơ dual fuel.
2.5 Ưu điểm của động cơ sử dụng Diesel – LPG (Dual fuel)
Nhìn chung, so với những động cơ diesel hiện nay, và một số động cơ sử dụng
loại nhiên liệu kép khác, động cơ sử dụng nhiên liệu kép (Diesel/ LPG) có những ưu
điểm sau :
• Có thể sử dụng cả LPG dạng lỏng và khí.
• Rẻ và thực tế, có thể thay thế cho diesel.
• Không yêu cầu phải làm lại động cơ nhiều.
• Khi cần vẫn có thể chạy 100% diesel.
• Thân thiện với môi trường. Giảm khí thải độc hại. Động cơ có thể đạt tới tiêu
chuẩn Euro 3, 4 và 5 mà không cần tới bộ tuần hoàn khí thải hay Catalytic.
• Đầy đủ tính năng ưu việt của động cơ diesel. Công suất động cơ tương đương
so với động cơ diesel cơ sở.
• Dầu bôi trơn sử dụng lâu hơn, tuổi thọ động cơ tăng.
• Mồi lửa bằng diesel hiệu quả hơn bugi vì có rất nhiều nguồn lửa được tạo ra.
Ít nhất một nguồn lửa được tạo ra ở mỗi lỗ kim phun (thông thường có năm hoặc sáu
lỗ) cho phép quá trình cháy xảy ra triệt để và nhanh chóng hơn. Làm tăng hiệu suất sử

dụng nhiên liệu. Hiệu suất cháy cao đạt từ 95 – 98% (hầu hết động cơ diesel chỉ đạt
khoảng 75 – 85%).

18


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

Chương 3

HỆ THỒNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ
ĐỘNG CƠ DIESEL 3C – TE
3.1 Giới thiệu chung
Động cơ 3C–TE là động cơ có 4 xy lanh thẳng hàng, nhiên liệu sử dụng là dầu
diesel. Động cơ sử dụng bơm cao áp loại VE-EDC (Electronic Diesel Control) loại
piston hướng trục, hộp ECU điều khiển hoạt động của bơm VE - EDC thông qua việc
điều khiển hai van điện từ là SPV (Spill Control Value) – Van điều khiển lưu lượng
phun và van TCV (Timing Control Value) – Van điều khiển thời điểm phun. Do đó
lượng nhiên liệu và thời điểm phun vào mỗi xy lanh động cơ được điều khiển chính
xác bởi hệ thống điều khiển điện tử (ECU).

Hình 3.1: Động cơ

Bơm
VE3C-TE
EDC

Hình 3.2: Bơm VE-EDC loại

piston hướng trục

Hình 3.1: Động cơ Toyota 3C – TE & Bơm cao áp VE - EDC
3.2

Hệ thống nhiên liệu bơm cao áp điều khiển điện tử (EDC – Electronic Diesel
Control)

Sự khác biệt cơ bản giữa hê thống EDC và diesel thông thường là sự xuất hiện
của ECU. Thông qua các cảm biến, ECU biết được tình trạng hoạt động của động cơ
và quyết định thời điểm và lưu lượng nhiên liệu phun vào động cơ.

19


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

Hình 3.2. Sơ đồ hệ thống EDC
3.2.1 GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ THỐNG EDC
3.2.1.1 Hệ thống Unit Injection (UI):
Trong hệ thống UI bơm cao áp và vòi phun tạo thành một khối, mỗi bơm cao áp
được lắp riêng cho một xylanh động cơ và được dẫn động trực tiếp hoặc gián tiếp
thông qua con đội hay cò mổ. So sánh với bơm thẳng hàng và bơm phân phối, loại này
có áp suất phun cao hơn (trên 2050 bar). Các thông số của hệ thống nhiên liệu được
tính toán bởi ECU, việc phun nhiên liệu được điều khiển bằng cách đóng mở các van
điện từ.

1. Cam dẫn động

2. Piston
3. Van cao áp điện từ
4. Vòi phun

Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống UI
20


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: B2011-23TĐ

3.2.1.2 Hệ thống Unit Pump (UP):
Hệ thống UP về nguyên lý hoạt động tương tự hệ thống UI chỉ khác ở chỗ có
thêm đoạn ống cao áp ngắn nối từ bơm cao áp đến vòi phun. Bơm được dẫn động bởi
trục cam động cơ, vòi phun được lắp trên buồng đốt động cơ. Mỗi bộ bơm UP cho mỗi
xylanh động cơ gồm có bơm cao áp, ống dẫn cao áp và kim phun. Lượng nhiên liệu
phun và thời điểm phun của hệ thống UP cũng được điều khiển bởi van cao áp điện từ.
1. Đầu kim phun
2. Kim phun
3. Ống cao áp
4. Van cao áp điện từ
5. Piston
6. Cam dẫn động

Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý hệ thống UP
3.2.2 HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU DIESEL VỚI BƠM CAO ÁP ĐIỆN
3.2.2.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu diesel VE-EDC:
Hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển điện tử dùng bơm cao áp phân phối kiểu
VE (VE-EDC) tương tự như ở hệ thống diesel điều khiển cơ khí, nhiên liệu cao áp

được tạo ra từ bơm và được đưa đến từng kim phun nhờ ống cao áp nhưng việc điều
khiển thời điểm và lưu lượng phun được ECU quyết định thông qua việc điều khiển
hai van điện từ là TCV – timing control valve điều khiển thời điểm phun và SPV –
spill valve điều khiển lượng phun.

Hình 3.5. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu VE – EDC.
21


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: B2011-23TĐ

Hình 3.6. Vị trí các bộ phận của hệ thống trên ô tô
3.2.2.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bơm VE-EDC:
1. Bơm tiếp vận:
- Cấu tạo:

Hình 3.7 Cấu tạo bơm tiếp vận.
22


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: B2011-23TĐ

- Nguyên tắc hoạt động:
Bơm này thuộc loại bơm cánh gạt có bốn cánh và một rotor. Khi trục dẫn động
quay làm roto quay, các cánh gạt dưới tác dụng của lực ly tâm ép sát vào vách buồng
áp suất và ép nhiên liệu tới thân bơm. Khi bơm cấp liệu quay sẽ hút nhiên liệu từ thùng

chứa, qua bộ lọc nhiên liệu đi vào trong thân bơm với một áp suất được giới hạn bởi
van điều khiển.
2. Cảm biến tốc độ:

Hình 3.8. Tín hiệu phát ra của cảm biến
Cảm biến này được lắp trên bơm cao áp bao gồm một roto ép dính với trục dẫn
động và một cảm biến (là một cuộn dây). Khi roto quay các xung tín hiệu đươc tạo ra
trong cảm biến dưới dạng các xung điện áp hình sin và được gởi về ECU. Điện trở
cuộn dây ở 200C khoảng 205-255.

3. Đĩa cam và vành lăn:

Hình 3.9. Đĩa cam và vành lăn.

Đĩa cam được nối với piston bơm và được dẫn động bởi trục dẫn động. Khi
rotor quay các vấu cam trên đĩa cam tỳ lên con lăn làm cho piston bơm chuyển động
vừa quay vừa tịnh tiến tạo áp suất cao cho nhiên liệu, số vấu cam bằng với số xy lanh
động cơ.
23