Thiết Kế Lắp Đặt Hệ Thống Nhiên Liệu XăngLPG Trên Động Cơ 1TRFE (kèm bản vẽ)

Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE
1. Mục đích ý nghĩa đề tài
1.1. Mục đích.
- Thấy rõ được vai trò quan trọng trong việc cung cấp nhiên liệu cho động cơ.
- Tìm hiểu, nắm vững cấu tạo và nguyên lý làm việc của từng chi tiết, cụm chi
tiết và của hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng và LPG cho động cơ để từ đó thấy
được ưu nhược điểm của từng hệ thống.
- Thấy được tầm quan trọng trong việc thiết kế lắp đặt và thay thế một số chi tiết
trong hệ thống cung cấp LPG cho động cơ.
- Nắm vững các thao tác trong quá trình lắp đặt, kiểm tra hiệu chỉnh cũng như
chế tạo thay thế các chi tiết của hệ thống cung cấp LPG cho động cơ.
1.2. Ý nghĩa.
- Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu xăng - LPG động cơ 1TR-FE lắp trên xe
Innova của hãng Toyota nhằm mục đích giảm mức độ phát khí thải từ động cơ ra
môi trường góp phần thực hiện các công ước quốc tế về môi trường mà Việt Nam
đã cam kết tham gia.
- Đa dạng hóa nguồn năng lượng cho giao thông vận tải, giảm bớt sự lệ thuộc
vào nguồn nguyên liệu lỏng truyền thống.
- Nhiên liệu khí hóa lỏng LPG là nhiên liệu sạch, sử dụng nhiên liệu LPG còn
giảm chi phí cho người sử dụng.
2. Giới thiệu về nhiên liệu khí hóa lỏng
2.1. Nhiên liệu khí hóa lỏng LPG.
2.1.1. Thành phần hóa học
- Khí hóa lỏng LPG là sản phẩm thu được từ quá trình chưng cất dầu và tinh
luyện khí thiên nhiên. Thành phần chủ yếu là C 3H8 (Propan) và C4H10 (Butan) được
nén theo tỷ lệ phần trăm Propan trên phần trăm Butan.
- Ở nhiệt độ và áp suất khí quyển LPG ở dạng khí. Để thuận tiện về tồn chứa và
vận chuyển LPG được hóa lỏng. Trong thực tế thành phần hỗn hợp các chất có
trong khí hóa lỏng LPG không thống nhất. Tùy theo tiêu chuẩn của các nước, khu
vực mà tỷ lệ thành phần trong LPG khác nhau, có tỷ lệ giữa Propan và Butan là
50/50 hay 30/70. Ở Châu Á, thành phần nhiên liệu khí hóa lỏng khá ổn định, chứa

chủ yếu là Hydrocacbon C4, chẳng hạn như ở Hàn Quốc chỉ có Butan là khí hóa
lỏng được sử dụng phổ biến. Ngược lại ở Mỹ thì chỉ có Hydrocacbon C 3 được sử
dụng.

1


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE

Bảng 2-1 Thành phần khí hoá lỏng sử dụng phổ biến ở Pháp và Mỹ

Tên chất
Methane
Ethane
Propylen
Propane
Iso- Butane
n- Butane
Iso-Butane+but-ène
(E)-but-2-ène
(Z)-but-2-ène
Butane-1,3-diene
Iso-penten
n-penten

Thành phần (%)
Mỹ
Pháp
0,6
0

6,6
0,4
1,1
9,1
91,3
31,8
0,3
19,6
0,03
28,3
0
6,1
0
2,7
0
1,8
0
0
0
0,06
0
0,03

- Đặc biệt trong thành phần khí hoá lỏng LPG chứa rất ít lưu huỳnh. Thường chỉ
chứa (40 ÷ 60)ppm, thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn, cho phép của cộng đồng Châu
Âu (200ppm) một tiêu chuẩn khắt khe nhất về các chất phụ gia có trong nhiên liệu.
Do đó, động cơ dùng LPG phát ra rất ít các chất ô nhiễm gốc lưu huỳnh và hiệu quả
của bộ lọc xúc tác được cải thiện.
2.1.2. Các tính chất của LPG
Do thành phần chủ yếu của LPG là Propane và Butane nên tính chất của LPG là

tính chất của Propane và Butane.
LPG có đặc tính sau:
- Là một chất lỏng không màu (trong suốt).
- Là một chất lỏng không mùi, không vị, tuy nhiên trong thực tế trong quá trình
chế biến được pha thêm Ethyt Mecaptan có mùi đặc trưng để dễ phát hiện rò rỉ.
Nồng độ mùi phải đủ để nhận ra trước khi chúng tạo thành hỗn hợp nổ.
- Bản thân Gas không độc, không gây ô nhiễm môi trường, không ảnh hưởng
đến thực phẩm và sức khoẻ con người, tuy nhiên không nên hít vào với số lượng lớn
vì có thể gây ngạt thở hay say do thiếu Ôxy.

2


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE
- Gas nặng hơn không khí (1,5 ÷ 2) lần, nhẹ hơn nước 0,5 lần vì vậy nếu thoát ra
ngoài hơi Gas sẽ lan truyền ở mặt đất và tập trung ở những phần thấp nhất, như
rãnh, hố Gas,...tuy nhiên nó sẽ tản mất ngay khi có gió.
- Khí hóa lỏng LPG được tồn chứa trong các loại bể chịu áp lực khác nhau,
chúng tồn tại ở trạng thái bão hoà. Gas lỏng ở dưới, hơi Gas ở phía trên theo quy
định an toàn các loại bể chứa Gas chỉ được phép nhập (80 ÷ 85)% thể tích, phần còn
lại đảm bảo cho sự giản nở vì nhiệt của Gas lỏng.
- Đặc trưng lớn của LPG khác với các loại khí khác là chúng tồn tại ở dạng bảo
hoà nên với thành phần không đổi (70% Butan -30% Propan). Áp suất bảo hoà
trong bể chứa cũng như trong hệ thống không phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài.
Thông thường Gas Petrolimex có áp suất 4,5 kg/cm 2 ÷ 7,8kg/cm2 ở nhiệt độ (15 ÷
30)0C.
- LPG có tỷ lệ giãn nở lớn: một đơn vị thể tích Gas lỏng bay hơi tạo ra 250 đơn
vị thể tích hơi Gas do vậy LPG rất thuận tiện và kinh tế khi vận chuyển và tồn chứa
ở dạng lỏng.
- LPG còn là nhiên liệu sạch: Hàm lượng lưu huỳnh thấp (< 0,02%), khi cháy

chỉ tạo ra CO2 (Dioxyt carbone) và hơi nước, không tạo muội, không tạo khói, đặt
biệt không sinh ra khí SO2 , H2S, CO ...
- LPG hoá lỏng có nhiệt trị riêng theo khối lượng cao, cao hơn cả xăng hay dầu
Diesel (Bảng 2-2). Tuy nhiên do khối lượng riêng của nó thấp, nhiệt trị riêng theo
thể tích thấp hơn nhiên liệu lỏng khác .
Bảng 2-2 So sánh LPG và các loại nhiên liệu cổ điển
Thông số đặc
trưng
Khối
lượng
riêng
(kg/dm3)
Nhiệt trị
thấp:
- Theo
khối
lượng
(MJ/kg)
- Theo thể
tích
(MJ/dm3)

Eurosper

Diesel

Propane
thương mại

Butane

thương mại

LPG

0,725 ÷ 0,7
80

0,820 ÷ 0,860

0,510

0,580

0,510 ÷ 0,580

42,7

42,6

46,0

45,6

45,8

32,0

35,8

23,5

26,4

25,0

2.1.3. Chỉ số Octan
3


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE
- Nhiên liệu khí hoá lỏng được đặc trưng bởi chỉ số octan nghiên cứu (RON) cao,
có thể đạt tới 98. Bảng 2.3. giới thiệu RON của các loại khí khác nhau. Chỉ số octan
động cơ (MON) của LPG cũng cao hơn xăng.
Bảng 2-3 Chỉ số Octan của một số chất
Chất
Propane
Propène
n-Butane
Isobutane
But-1-ène
But-2-ène

RON
>100
102
95
>100
(98)
100

ÔMON
100
85
92
99
80
83

2.2. So sánh nhiên liệu LPG so với nhiên liệu Xăng.
- Nguồn cung cấp:
LPG là sản phẩm của quá trình khai thác và chưng cất dầu mỏ. Trên thế giới có
khoảng 40% LPG thu được từ quá trình lọc dầu thô. Sản phẩm LPG trên thế giới
năm 1995 là 130 triệu tấn, chiếm tổng năng lượng tiêu thụ dưới các dạng khác nhau.
Người ta dự kiến trong những năm đầu của thế kỷ 21, tổng sản lượng LPG trên thế
giới sẽ đạt 200 triệu tấn /năm. Ngoài ra, LPG cũng được sản xuất từ khí thiên nhiên,
do đó LPG được xem là nhiên liệu có nguồn gốc dự trữ thay thế lớn hơn các loại
nhiên liệu truyền thống đặc biệt là nhiên liệu xăng.
Phần lớn hiện nay chúng ta nhập LPG từ nước ngoài. Lượng khí hoá lỏng dùng
làm nhiên liệu cho ôtô đường trường hiện chỉ chiếm một tỷ lệ khiêm tốn: 1% Pháp,
3% Mỹ, 8% Nhật. Tuy nhiên, ở một số nước có chính sách khuyến khích sử dụng
LPG làm nhiên liệu cho ôtô nhằm giảm ô nhiễm môi trường như Hà lan, Ý ,... Số
liệu trên chưa kể những động cơ trên các ôtô chuyên dụng sử dụng LPG ( Chẳng
hạn ôtô chạy trong sân bay, xe nâng chuyển, máy móc nông nghiệp ... ).

4


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE

Hình 2-1 Tỷ lệ tiêu thụ LPG ở một số nước tiêu biểu

Sự phát triển ôtô dùng LPG phụ thuộc vào mỗi quốc gia đặc biệt là phụ thuộc và
chính sách bảo vệ môi trường. Sự khuyến khích ôtô sử dụng LPG thể hiện qua
chính sách thuế ưu đãi của mỗi quốc gia đối với loại nhiên liệu này.
- Đặc tính kỹ thuật:
Bảng 2-4 So sánh đặc tính của LPG và các loại nhiên liệu khác
Đặc tính

Đơn vị

Màu, mùi

Xăng

Diesel

CNG

LPG

Có

Có

Không

Không

Tỉ trọng

Kg/m3

750

860

550

555

Nhiệt trị thấp

MJ/kg

42,9

42,6

50

46

Hệ số A/F

14,4

14,5

17,26

15,5

Chỉ số Octan

85 ÷ 98

115

110 ÷ 120

Theo kết quả bảng 2-4 ta thấy nhiệt trị của LPG cao hơn xăng và hơn hẳn so với
các loại nhiên liệu truyền thống khác. LPG có chỉ số Octan cao hơn nhưng lượng
không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy một đơn vị thể tích LPG cao hơn xăng.
LPG dễ nổ hơn xăng nhưng tốc độ cháy chậm hơn xăng. Do vậy khi động cơ làm
việc ở tốc độ cao động cơ sẽ bị mất công suất từ (5 ÷ 8)%. Điều này khắc phục bằng
5


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE
cách chỉnh lại thời điểm đánh lửa (3 ÷ 5)0, và vì LPG có giá rẻ hơn nên thực tế người
ta có thể chấp nhận được. Mặt khác nó có tính ưu việt là không gian tồn chứa nhỏ
gọn, làm cho việc vận chuyển được thuận lợi và kinh tế hơn. Chính vì những ưu
điểm vượt trội của LPG so với xăng nên LPG đã và sẽ là loại khí đốt được ứng
dụng rộng rãi trên thế giới.
- Tính kinh tế của nhiên liệu.
Suất tiêu hao nhiên liệu tính theo thể tích và theo khối lượng nhiên liệu của động
cơ LPG so với động cơ xăng như sau: thực tế nếu so sánh năng lượng tiêu hao trên
100km hành trình thì nhiên liệu LPG thấp hơn động cơ xăng khoảng vài phần trăm.
Mặt khác, nếu LPG giàu Propan(C3H8) với chỉ số Octan của nó rất cao do đó có thể
tăng chỉ số nén động cơ nên suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm.
- Vấn đề ô nhiễm:

Động cơ sử dụng LPG phát sinh ít ô nhiễm. Đây là đặc điểm đáng chú ý trong
bối cảnh mà ảnh hưởng của giao thông vận tải đến môi trường sống ngày càng trở
nên nghiêm trọng.
+ Các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ LPG:
Sự phát sinh ô nhiễm trong khí xả động cơ LPG giảm đi rất đáng kể so với động
cơ xăng .

Hình 2-2 So sánh mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ dùng xăng và LPG
- Vấn đề an toàn: Trong hệ thống nhiên liệu LPG có rất nhiều thiết bị an toàn cả
về mặt cơ khí lẫn điện tử để đảm bảo an toàn trong khi động cơ hoạt động lẫn
không hoạt động và khi xảy ra tai nạn. Các van an toàn tự động đóng, ngắt hệ thống

6


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE
nhiên liệu LPG và hệ thống này hoàn toàn bị khoá kín với môi trường không khí
bên ngoài.
- Vấn đề tuổi thọ động cơ:
Do LPG có đặc tính kỹ thuật như tính chống kích nổ cao, không có chì, sản
phẩm cháy không có muội than, không có hiện tượng đóng màng nên động cơ làm
việc với nhiên liệu LPG ít gây kích nổ hơn động cơ xăng. Do không có các hạt chì
hoặc các hạt muội than đọng lại trong thành vách xylanh, cửa xupap nạp, thải nên
không gây mài mòn xylanh, piston, secmăng, xupap, đế xupap. Một vấn đề quan
trọng là động cơ xăng hay có hiện tượng hơi xăng hình thành trong buồng cháy có
tác dụng rửa sạch các màng dầu bôi trơn và có khuynh hướng lọt xuống cacte làm
dầu bôi trơn giảm khả năng bôi trơn, trong khi LPG không có hiện tượng này. Điều
này cũng làm tiêu hao dầu nhờn bôi trơn.
Chính vì những lý do này nên LPG cho phép kéo dài tuổi thọ động cơ hơn nhiên
liệu xăng khi sử dụng động cơ ở cùng một chế độ hoạt động.

3. Giới thiệu động cơ 1TR-FE
3.1. Giới thiệu chung về động cơ 1TR-FE.
Xe Toyota Innova là loại xe du lịch 8 chỗ ngồi. Xe được trang bị động cơ đời
mới 1TR-FE, khung gầm xe cứng cáp cho hiệu quả lái xe ổn định. Khả năng giảm
xóc và chống rung tốt tạo cảm giác thoải mái và êm dịu cho mọi hành khách trong
xe trên mọi nẻo đường.
Toyota Innova có 2 loại: Innova G và Innova J
Bảng 3-1
Loại xe
Innova G
Innova J
Động cơ
2.0 lít (1TR-FE)
2.0 lít (1TR-FE)
Hộp số
5 số tay
5 số tay
Số chỗ ngồi 8 chỗ
8 chỗ
Các thông số kỹ thuật của xe Innova:
Bảng 3-2 Trọng lượng và kích thước xe
Loại xe
Trọng lượng toàn tải
Trọng lượng không tải
Dài x rộng x cao toàn bộ
Chiều dài cơ sở
Chiều rộng cơ sở
Khoảng sáng gầm xe

Innova G

Innova J
2170 kg
2170 kg
1530 kg
1515 kg
4555mm x 1770mm x 1745mm
2750 mm
2750 mm
1510 mm
1510 mm
176 mm
176 mm

7


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE
Bảng 3-3 Động cơ
Loại động cơ
Kiểu
Dung tích công tác
Đường kính xy lanh D
Hành trình piston S
Tỉ số nén
Công suất tối đa
Mô men xoắn tối đa
Hệ thống phun nhiên liệu
Tiêu chuẩn khí xả
Cơ cấu phối khí
Thời

Nạp
Mở
Đóng
điểm
Mở
phối
Đóng
khí
Độ nhớt /cấp độ của dầu bôi trơn

1TR-FE
4 xilanh thẳng hàng, 16 van, cam kép
DOHC có VVT-I, dẫn động xích.
1998 cm3
86 mm
86 mm
9,8
134Hp/5600 rpm
182/4000 (N.m/rpm)
L-EFI
Euro Step 2
16 xupap dẫn động bằng xích,có VVT-i
520~00 BTDC
120~640 ABDC
440 BTDC
80 ABDC
5W-30/API SL, SJ, EC or ILSAC

Bảng 3-4 Khung xe
Loại

Treo trước
Treo sau
Phanh trước
Phanh sau
Bán kính quay vòng tối thiểu
Dung tích bình xăng
Vỏ và mâm xe

Innova G
Innova J
Độc lập với lò xo cuộn, đòn kép và
thanh cân bằng
4 điểm liên kết, lò xo cuộn và tay đòn
bên
Đĩa thông gió
Tang trống
5,4 m
55 lit
205/65R15 Mâm
195/70R14 Thép,
đúc
chụp kín

3.2. Đặc điểm tổng quát động cơ 1TR-FE.
Động cơ 1TR-FE lắp trên xe Innova của hãng Toyota là loại động cơ xăng
thế hệ mới, 4 xy lanh thẳng hàng, dung tích xylanh 2,0 [lít] trục cam kép DOHC 16
8


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE

xupap dẫn động bằng xích thông qua con đội thuỷ lực với hệ thống van nạp biến
thiên thông minh VVT-i. Hệ thống đánh lửa trực tiếp điều khiển bằng điện tử và hệ
thống nhiên liệu phun trực tiếp điều khiển bởi ECU.
3.2.1. Động cơ

Hình 3-1 Cách bố trí xupap, trục cam trên động cơ
1: Con đội thủy lực; 2: Trục cam; 3:Xupap; 4: Vòi phun
Động cơ 1TR-FE là động cơ 4 xy lanh thẳng hàng có hệ thống cam kép
(DOHC) gồm bốn xupap cho mỗi xylanh hai xupap nạp và hai xupap thải đặt lệch
nhau một góc 22,850.
Do có con đội thủy lực nên luôn duy trì khe hở xupap bằng “0” nhờ áp lực
của dầu và lực của lò xo.
+ Nắp quy lát được đúc bằng hợp kim nhôm nhẹ, các trục cam đều được
phân bố trên đầu quy lát.
+ Thân máy cũng giống các động cơ cổ điển nhưng hoàn thiện hơn. Lốc máy
được chế tạo bằng thép đúc có dạng gân tăng cứng nhằm giảm rung động và tiếng
ồn.
+ Piston: được làm bằng hợp kim nhôm có kết cấu đặc biệt đỉnh piston vát
hình nón cụt. Rãnh piston trên cùng có tráng lớp ôxit axit, phần đuôi piston có
tráng nhựa.

9


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE
+ Sécmăng: có 3 Sécmăng loại có ứng suất thấp secmăng khí số 1 được xử lý
PVD*, secmăng khí số 2 được mạ crôm và Sécmăng dầu.

Hình 3-2 Cấu tạo piston, secmăng
1:Piston; 2:Secmăng khí số 1; 3:Secmăng khí số 2; 4:Secmăng dầu

Khe hở cho phép của các secmăng cho dưới bảng:
Bảng 3-5
Secmăng
Điều kiện tiêu chuẩn
số 1
0,22 đến 0,34mm
số 2
0,45 đến 0,57mm
dầu
0,1 đến 0,4mm
+ Thanh truyền: được đúc bằng thép hợp kim có đường kính đầu to: φ52,989
đến φ53,002mm.

Hình 3-3 Kết cấu thanh truyền
1: Thân thanh truyền; 2: Bu lông thanh truyền; 3: Nắp đầu to
+ Trục khuỷu: có kết cấu khá đặc biệt, bên trong có đường dầu đi bôi trơn
các bạc lót và cổ trục. Đường kính cổ trục tiêu chuẩn: φ59,981 đến φ59,994mm,
đường kính các cổ biên tiêu chuẩn: φ52,989 đến φ53,002mm.

10


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE

Hình 3-4 Kết cấu trục khuỷu
1: Rãnh then lắp đĩa xích; 2: Chốt khuỷu; 3: Lỗ dầu; 4: Má khuỷu; 5: Cổ trục chính
3.2.2. Cơ cấu phối khí
Cơ cấu phối khí bao gồm: cò mổ loại con lăn, cơ cấu điều chỉnh khe hở xu
páp thủy lực và hệ thống VVT-i, trục cam kép DOHC 16 xupap dẫn động bằng
xích.

+ Cò mổ: Cò mổ loại con lăn dùng 1 vòng bi kim giúp giảm ma sát, do đó cải
thiện được tính kinh tế nhiên liệu.

Hình 3-5 Kết cấu cò mổ
1: Ổ bi kim; 2: Cò mổ
+ Cơ cấu điều chỉnh khe hở thủy lực: Duy trì khe hở xupáp luôn bằng “0”
nhờ áp lực của dầu và lực lò xo.

11


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE

Hình 3-6 Kết cấu con đội thủy lực
1: Piston đẩy; 2: Buồng áp suất thấp; 3: Đường dầu; 4: Lò xo;
5: Buồng dầu áp suất cao; 6: Lò xo van bi; 7: Van bi
– Cam quay sẽ nén bộ piston đẩy và dầu trong buồng áp suất cao.
– Khi đó cò mổ sẽ ép tới xu páp bằng cách dùng bộ điều chỉnh khe hở thủy
lực làm điểm tựa.
– Lò xo đẩy piston đẩy đi lên, van 1 chiều sẽ mở ra và dầu sẽ điền đầy vào từ
buồng áp suất thấp.
– Do piston được đẩy lên, và khe hở xu páp sẽ được duy trì không đổi bằng
không.
3.2.3. Hệ thống nhiên liệu
Hệ thống nhiên liệu động cơ 1TR-FE đóng vai trò rất quan trọng, nó không
đơn thuần là hệ thống phun nhiên liệu, nhưng nó hợp thành một hệ thống đó là hệ
thống điều khiển điện tử (ECU), hệ thống đánh lửa điện tử, điều khiển tốc độ động
cơ, tạo ra sự tương trợ lẫn nhau, kim phun hoạt động như các kim phun của các xe
đời mới. Khả năng điều khiển tốt, công suất động cơ tăng, giảm tiêu hao nhiên liệu.
Lượng không khí nạp được lọc sạch khi đi qua lọc không khí và được đo bởi

cảm biến lưu lượng không khí. Tỷ lệ hoà trộn được ECU tính toán và hoà trộn theo
tỷ lệ phù hợp nhất. Có cảm biến ôxy ở đường ống xả để cảm nhận lượng ôxy dư,
điều khiển lượng phun nhiên liệu vào tốt hơn.

12


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE

9
10

7
6

8

12
13

11
14

15

16
5

17

22
19

18

20

ECU

21
4

3
1

2

Hình 3-7 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ 1TR-FE
1: Bình Xăng; 2: Bơm xăng điện; 3: Cụm ống của đồng hồ đo xăng và bơm; 4: Lọc
Xăng; 5: Bộ lọc than hoạt tính; 6: Lọc không khí; 7: Cảm biến lưu lượng khí nạp;
8: Van điện từ; 9: Môtơ bước; 10: Bướm ga; 11: Cảm biến vị trí bướm ga; 12: Ống
góp nạp; 13: Cảm biến vị trí bàn đạp ga; 14: Bộ ổn định áp suất; 15: Cảm biến vị trí
trục cam; 16: Bộ giảm chấn áp suất nhiên liệu; 17: Ống phân phối nhiên liệu; 18:
Vòi phun; 19: Cảm biến kích nổ; 20: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát; 21: Cảm
biến vị trí trục khuỷu; 22: Cảm biến ôxy
3.2.4. Hệ thống kiểm soát khí xả
Hệ thống kiểm soát khí xả giúp hạn chế lượng khí thải có hại cho con người
và môi trường.
Các khí thải có hại: Nhiên liệu bay hơi từ thùng nhiên liệu, khí lọt qua khe
giữa piston và thành xy lanh và khí xả. Vì các khí này có chứa những chất độc như:

CO (cacbon oxit), HC (Hiđrô cacbon) và NOx (Nitơ ôxit).
CO (cacbon oxit).

13


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE
 CO được sinh ra khi lượng ôxy đưa vào buồng đốt không đủ (cháy không
hoàn toàn).
2C +O2 = 2CO
 Khi CO được hít vào trong cơ thể, nó hòa tan vào máu và làm hạn chế khả
năng tải ôxy của máu. Hít vào một lượng lớn CO có thể dẫn đến tử vong.
HC (Hiđrô cacbon).
 HC được sinh ra trong quá trình đốt cháy không hoàn toàn, cũng như CO.
Ngoài ra HC còn sinh ra trong các trường hợp sau:
+ Khi nhiệt độ ở khu vực dập lửa thấp, chưa đạt tới nhiệt độ bốc cháy.
+ Khí nạp thổi qua trong thời gian lặp của xupap. Hỗn hợp không khí
nhiên liệu càng giàu càng sinh ra nhiều HC. Hỗn hợp càng nghèo càng ít sinh
ra HC. Lượng HC sinh ra càng trở nên lớn hơn khi hỗn hợp không khí nhiên
liệu quá nghèo, vì nó không cháy được.
 Khi HC được hít vào cơ thể nó trở thành tác nhân gây ung thư. Nó cũng
gây ra hiện tượng sương khói quang hóa.
NOx (Nitơ ôxit).
 NOx được sinh ra do nitơ và ôxy trong hỗn hợp không khí nhiên liệu, khi
nhiệt độ của buồng đốt tăng cao trên 1800 oC. Nhiệt độ của buồng đốt càng cao,
lượng NOx sản sinh ra càng nhiều.
 Khi hỗn hợp không khí nhiên liệu nghèo, NO x sinh ra nhiều hơn vì tỷ lệ
ôxy trong hỗn hợp không khí nhiên liệu cao hơn. Như vậy, lượng NO x sinh ra tùy
theo hai yếu tố: nhiệt độ cháy và hàm lượng ôxy.
N2 + O2 = 2NO(NO2,N2…NOx)

 Khi NOx được hít vào cơ thể, nó gây kích thích mũi và họng. Nó cũng gây
ra hiện tượng sương khói quang hóa.

Hình 3-8 Đồ thị biến thiên nồng độ các chất ô nhiễm
theo hệ số dư lượng không khí
14


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE
Để giảm các chất khí có hại từ khí xả: Trước hết ta dùng bộ trung hòa khí xả
(TWC) làm cho các chất độc hại CO (cacbon oxit), HC (Hiđrô cacbon) và NO x
(Nitơ ôxit) phản ứng với các chất vô hại (H 2O, CO2, N2) khi luồng khí xả đi qua, với
các chất xúc tác platin, pladini, iridi, rodi. Để khí xả ra ngoài môi trường không độc
hại đối với sức khỏe con người.
TWC hoạt động tốt nhất với tỷ lệ hỗn hợp không khí nhiên liệu gần lý
thuyết. Vì vậy cần có hệ thống thông tin phản hồi về tỷ lệ hỗn hợp không khí nhiên
liệu để giữ cho tỷ lệ này gần như tỷ lệ lý thuyết. Hệ thống thông tin phản hồi về hỗn
hợp không khí nhiên liệu theo dõi lượng ôxy trong khí xả bằng cách sử dụng cảm
biến ôxy gắn trong đường ống xả. Khi đó lượng nhiên liệu được ECU của động cơ
điều chỉnh để kiểm soát tỷ lệ hỗn hợp không khí nhiên liệu, giúp cho TWC làm việc
có hiệu quả.
Đối với nhiên liệu bay hơi từ thùng nhiên liệu: Nhiên liệu này được hấp thụ
bỡi bộ lọc than hoạt tính. Sau đó khi động cơ hoạt động, nhiên liệu trong bộ lọc than
hoạt tính và không khí được dẫn vào đường ống nạp để đốt cháy.
3.2.5. Hệ thống xả
Khí xả được thải ra ngoài môi trường qua ống xả.
Hệ thống xả gồm: Ống góp xả và ống xả nối với nhau bằng khớp cầu. Trên
ống xả có các bộ trung hòa khí xả để làm cho các chất độc hại CO (cacbon oxit),
HC (Hiđrô cacbon) và NOx (Nitơ ôxit) phản ứng với các chất vô hại (H 2O, CO2, N2)
khi luồng khí xả đi qua, với các chất xúc tác platin, pladini, iridi, rodi. Để khí xả ra

ngoài môi trường không độc hại đối với sức khỏe con người.

Hình 3-9 Sơ đồ hệ thống xả động cơ 1TR-FE
1: Bộ trung hòa khí xả; 2: Bộ tiêu âm
3.2.6. Hệ thống làm mát
Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức, nhiệt độ van hằng nhiệt mở là 80 0C,
dung tích bình chứa 7,8lít.
Quạt của hệ thống làm mát được điều khiển bằng khớp chất lỏng ba giai
đoạn.
Van hằng nhiệt có van đi tắt được đặt ở phía đầu ra của két nước.
15


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE

Hình 3-10 Hệ thống làm mát động cơ 1TR-FE
1: Két nước; 2:Van hằng nhiệt; 3: Đường nước đến cổ họng gió; 4: Đường nước về
3.2.7. Hệ thống bôi trơn
Hệ thống bôi trơn kiểu cưỡng bức dùng để đưa dầu bôi trơn và làm mát các
bề mặt ma sát của các chi tiết chuyển động của động cơ.
Hệ thống bôi trơn gồm: Bơm dầu, bầu lọc dầu, cácte dầu, các đường ống...
dầu sẽ từ cácte được hút bằng bơm dầu, qua lọc dầu, vào các đường dầu dọc thân
máy vào trục khuỷu, lên trục cam, từ trục khuỷu vào các bạc biên, theo các lỗ phun
lên thành xylanh, từ trục cam vào các bạc trục cam, rồi theo các đường dẫn dầu tự
chảy về cácte.
3.2.8. Hệ thống đánh lửa
Hệ thống đánh lửa được điều khiển bằng điện tử ECU đánh lửa trực tiếp.
Mỗi xylanh có một bugi loại đầu dài và một cuộn dây đánh lửa được điều khiển
bằng mạch bán dẫn dùng transitor. Hệ thống đánh lửa điện tử luôn luôn gắn liền với
hệ thống phun nhiên liệu, nó điều khiển tia lửa, góc đánh lửa luôn phù hợp với góc

phun của nhiên liệu nhờ các cảm biến để thực hiện quá trình đốt cháy tốt hơn và
nhiên liệu được cháy hoàn toàn, ít tốn nhiên liệu, tăng công suất động cơ, chất thải
ít độc hại.

16


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE

Hình 3-11 Sơ đồ hệ thống đánh lửa động cơ 1TR-FE
1: Cầu chì dòng cao; 2: Khóa điện; 3: Cầu chì; 4: Cuộn đánh lửa số 1; 5:
Cuộn đánh lửa số 2; 6: Cuộn đánh lửa số 3; 7: Cuộn đánh lửa số 4; 8: Bọc chống
nhiễu; 9: Cảm biến vị trí trục khuỷu; 10: Cảm biến vị trí trục cam; 11: Bộ lọc ồn
ECU căn cứ vào tín hiệu nhận được từ cảm biến vị trí trục khuỷu và căn cứ
vào góc đánh lửa cơ sở đã ghi sẵn trong bộ nhớ cũng như trong các thông số hiệu
chỉnh để xác định góc đánh lửa sớm cho động cơ. Việc tạo ra các tín hiệu dạng xung
để cung cấp dòng điện cho cuộn dây đánh lửa được lập trình sẵn để các cuộn dây
cung cấp dòng điện trong thời gian định mức trước với giá trị tính toán để đảm bảo
cho:
Từ thông sinh ra trong các cuộn dây đạt giá trị lớn nhất, đảm bảo cuộn dây
đủ năng lượng để đánh lửa.
Điều khiển sự phát ra và chấm dứt tia lửa được ECU tính toán sau khi các dữ
liệu được nhập vào bởi:
+ Tốc độ động cơ.
17


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE
+ Cảm biến vị trí trục khuỷu.
+ Cảm biến vị trí trục cam.

+ Cảm biến nhiệt độ động cơ.
+ Cảm biến vị trí bướm ga.
+ Cảm biến vị trí bàn đạp ga.
+ Cảm biến kích nổ.
3.2.9. Hệ thống khởi động
Hệ thống khởi động bằng điện với phương pháp điều khiển gián tiếp bằng
rơle điện từ .
Để tránh khả năng không kịp tách bánh răng ra khi động cơ đã nổ, người ta
làm kiểu truyền động một chiều bằng khớp truyền động hành trình tự do loại cơ cấu
cóc.

Hình 3-12 Kết cấu máy khởi động
1: Bánh răng máy khởi động; 2: Cuộn giữ; 3: Cuộn đẩy; 4: Vành tiếp điểm;
5: Ắc quy
Khi người lái đóng khóa điện, dòng điện sẽ đi vào cuộn đẩy mà lõi thép của nó
được nối với cần gạt. Cuộn dây có điện trở thành nam châm hút lõi thép sang phải,
đồng thời làm quay cần gạt dịch chuyển bánh răng truyền động vào ăn khớp với
bánh đà. Khi bánh răng của khớp truyền động đã vào ăn khớp với bánh đà, thì vành
tiếp điểm cũng nối các tiếp điểm, đưa dòng điện vào các cuộn dây của máy khởi
động. Máy khởi động quay, kéo trục khuỷu của động cơ quay theo. Khi động cơ đã
nổ thì người lái nhả khóa điện, các chi tiết trở về trạng thái ban đầu dưới tác dụng
của lò xo hồi vị.
3.2.10. Hệ thống nạp
Hệ thống nạp dùng một bộ điều áp để điều chỉnh điện mà nó tạo ra bỡi sự
quay của cuộn dây rôto và nạp điện vào ắc quy.

18


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE

Hình 3-13 Sơ đồ hệ thống nạp động cơ 1TR-FE
1: Máy phát ; 2: Bộ tiết chế; 3,7: Cầu chì; 4: Đèn báo nạp; 5: Khóa điện;
6,8,9: Cầu chì dòng cao; 10: Cuộn Stato; 11: Cuộn dây Rôto
4. Tính toán nhiệt
4.1. Tính toán nhiệt khi động dùng xăng.
4.1.1. Các số liệu ban đầu
Bảng 4-1 Thông số ban đầu
Tên thông số

Ký hiệu

Thứ
nguyên
Kw

Công suất có ích
Ne
Tỷ số nén
ε
Số vòng quay
n
Vòng/ phút
Đường kính xi lanh
D
mm
Hành trình piston
S
mm
Số xi lanh

i
Số kỳ
τ
Góc mở sớm xupáp nạp
Độ
ϕ1
Góc đóng muộn xupáp nạp
Độ
ϕ2
Góc mở sớm xupáp thải
Độ
ϕ3
Góc đóng muộn xupáp thải
Độ
ϕ4
4.1.2. Các thông số chọn
Bảng 4-2 Thông số chọn

Giá trị
98,624
9,8
5600
86
86
4
4
0
52 ~00
120~640
440

80

19


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE
Tên thông số

Ký hiệu

Thứ nguyên

Giá trị

Áp suất khí nạp

Pk

MN/m2

0,1

Nhiệt độ khí nạp

Tk

K

298

Hệ số dư lượng không khí

α

Áp suất cuối kỳ nạp

Pa

MN/m2

0,085

Áp suất khí sót

Pr

MN/m2

0,11

Nhiệt độ khí sót

Tr

K

1000

Độ sấy nóng khí nạp mới

∆T

K

20

Chỉ số đoạn nhiệt

m

1,5

Hệ số lợi dụng nhiệt tại z

ξz

0,85

Hệ số lợi dụng nhiệt tại b

ξb

0,95

Tỷ số tăng áp

λ

3,82

Hệ số nạp thêm

λ1

1,02

Hệ số quét buồng cháy

λ2

1

Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt

λt

1,17

Hệ số điền đầy đồ thị

ϕđ

0,98

1

4.1.3. Tính toán các chu trình công tác
4.1.3.1. Tính toán quá trình nạp
-

Hệ số khí sót γ r :
γr =

λ2 .( Tk + ∆T ) pr
. .
Tr
pa

=

-

1
1

[4.1]

 p m
ε .λ1 − λt .λ2 . r 
 pa 

1.( 298 + 20 ) 0,11
.
.
1000
0,085

1
 0,11 
9,8.1,02 − 1,17.1.


 0,085 

1
1, 5

= 0,0478

Hệ số nạpη v :
1


 pr  m 
1
Tk
pa 
ηv =
.
.
ε .λ1 − λt .λ2 . 
ε − 1 Tk + ∆T pk 
 pa  



[4.2]

1



1
1
298
0,085 
0
,
11

 ,5 
ηv =
.
.
. 9,8.1,02 − 1,17.1.
= 0,779

9,8 − 1 (298 + 20) 0.1 
 0.085  



-

Nhiệt độ cuối qúa trình nạp Ta[oK]:
20


Thit k lp t h thng nhiờn liu Xng - LPG ng c 1TR-FE
p
(
Tk + T ) + t . r .Tr . a

Ta =
pr
1+ r

m 1
m

[4.3]

0,085
Ta = ( 298 + 20 ) + 1,17.0,0478.1000. 0,11
1 + 0,0478

-

1, 51
1, 5

= 352,4829[oK]

Lng khụng khớ lý thuyt cn thit t chỏy 1 kg nhiờn liu M 0 :
M0 =

1 C H Onl
( +

)
0,21 12 4
32

[4.4]

Trong ú:
Nhiờn liờu

Thnh phn trong 1 kg nhiờn liu [kg]
C
H
O

Xng

0,855

0,145

0

Khi lng
phõn t ànl
110 - 120

Nhit tr
thp QH
43,995

Vy:
Mo =
-

1 0,885 0,145 0
.
+
+ =0, 5119 [kmol khụng khớ/kg nhiờn liu].
0,21 12
4
32

Tờnh sọỳ mol khờ naỷp mồùi M1 [kmol khụng khớ/kg nhiờn liu]:
M 1 = .M 0 (ng c phun xng)

[4.5]

M 1 = .M 0 = 1.0,5119 = 0,5119[kmol khụng khớ/kg nhiờn liu]

4.1.3.2. Tớnh toỏn quỏ trỡnh nộn
-

-

T nhit mol ng tớch trung bỡnh ca khụng khớ m Cvkk [KJ/Kmol.K]. :
m C vkk = a v +

bv
TK [KJ/Kmol.K].
2

m C vkk = a v +

bv

0,00419
TK = 19,806 +
.298 =20,4303[KJ/Kmol.K].
2
2

[4.6]

T nhit mol ng tớch trung bỡnh ca sn phm chỏy m Cv :
m C v = a v +

bv
Tr [KJ/Kmol.K].
2

[4.7]

Trong ú:
a"v = 19,867 +

1,634
1,634
= a"v = 19,867 +
= 21,501

1

184,36 5

b"v = 427,38 +

.10 = 0,0061
1

m Cv = 21,501 +

0,0061
.1000 = 24,5579[KJ/Kmol.K]
2

21


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE
-

Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp cháy mC′v [KJ/Kmol.K].
m C v′ = a v′ +

bv′
Ta [KJ/Kmol.K].
2

[4.8]

Trong đó:
av' =

av + av'' .γ r 19,806 + 21,501.0,0478
=
= 19,883

1+ γ r
1 + 0,0478

bv' =

bv + bv'' .γ r 0,00419 + 0,0061.0,0478
=
= 0,0043
1+ γ r
1 + 0,0478

Vậy :
m C v′ = a v′ +

-

0,0043
bv′
. 352,4829 =20,6373[KJ/Kmol.K].
Ta =19,883+
2
2

Chỉ số nén đa biến trung bình n1:

Chọn n1 trước sau đó thế vào phương trình sau. Khi sai số hai vế nhỏ hơn
0,001 thì lấy giá trị n1 đã chọn.
8,314

n1 = 1 +

'
v

(

)

b
.Ta . ε n1 −1 + 1
2
8,314
1+
0
,
0043
n1 = 19,883 +
.352,4829. 9,8n1 −1 + 1
2
a v' +

(

[4.9]

)

Chọn được n1 = 1,371
-

Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc:
Tc = T0. ε n −1
1

[4.10]

Tc= 298.9,81,371 -1 = 822,021[oK].
-

Áp suất cuối quá trình nén Pc:
Pc = pa. ε n [MN/m2].
1

[4.11]

Pc = 0,085. 9, 81,371 = 1,9426 [MN/m2].
4.1.3.3. Tính toán quá trình cháy
-

Tính ∆M:
Động cơ xăng khi α≥ 1 thì

-

∆M =

H O
1
+
−

4 32 µ nl

∆M =

0,145 0
1
+
−
= 0,0279
4
32 120

[4.12]

Tính số mol sản phẩm cháy M2 [kmol/kg nhiên liệu]:

22


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE
M 2 = M1 + ∆M

[4.13]

M 2 = 0,5119 + 0,0279 = 0,5398[kmol/kg nhiên liệu]

-

-

-

-

-

Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết β 0 .
β0 =

M2
M1

β0 =

M2
0,5398
=
=1,0545
M1
0,5119

[4.14]

Hệ số biến đổi phân tử thực tế β .
β=

βo + γ r
1+ γ r

β=

1,0545 + 0,0478
=1,052
1 + 0,0478

[4.15]

Hệ số biến đổi phân tử β z tại z.
βz =1+

βo −1 ξ z
.
1 + γ r ξb

βz = 1+

1,0545 − 1 0,85
.
=1,0466
1 + 0,0478 0,95

[4.16]

Tính hệ số toả nhiệt xz tại z:
xz =

ξz
ξb

xz =

ξ z 0,85
=
=0,8947
ξ b 0,95

[4.17]

Tổn thất nhiệt do cháy không hòan toàn ∆QH:
∆QH = 120000(1-α)M0

[4.18]

Do động cơ phun xăng α = 1 nên ∆QH = 0
-

Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình môi chất m Cvz′′ tại z.

m C vz′′ = a vz′′ + bvz′′ T z

[4.19]

Trong đó:

γ 
 + a v′ .M 1 (1 − x z )
a v′′.M 2  x z +
β o 

a vz′′ =


γ 
M 2  x z + r  + M 1 (1 − x z )
βo 


23


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE
0,0478 

21,501.0,5398. 0,8947 +
 + 19,883.0,5119.(1 − 0,8947 )
1,0545 

avz′′ =
=21,346
0,0478 

0,5398. 0,8947 +
 + 0,5119(1 − 0,8947 )
1,0545 


γ 
bv′′.M 2  x z +  + bv′ .M 1 (1 − x z )
βo 

bvz′′ =


γ 
M 2  x z + r  + M 1 (1 − x z )
βo 

0,0478 

0,0043.0,5398. 0,8947 +
 + 0,0043.0,5119(1 − 0,8947 )
1,0545 

bvz′′ =
=0,00594
0,0478 

(
)
0,5398. 0,8947 +
+
0
,
5119
1
−
0
,
8947

1,0545 


-

Nhiệt độ cực đại của chu trình Tz [oK].
Nhiệt độ cực đại tính theo phương trình cháy:
ξ z .( QH − ∆QH )
+ m C vc′ .Tc = β z .m .C ' ' vz .Tz
M 1 .(1 + γ r )

[4.20]

Đưa về dạng phương trình bậc hai: ATz2 + BTz + C = 0
Động cơ
Động cơ đánh lửa
cưỡng bức

A
β z .bvz′′
2

B
β z .avz′′

C
ξ z (QH − ∆QH )
b'
−
− (a 'v + v .Tc ).Tc
M 1.(1 + γ r )
2

β z .bvz′′
= 1,0465.0,0031 = 0,0031
2
B = β z .avz′′ = 1,0465. 21,3699= 22,3397

A=

C= −

0,85(43995 − 0)
0,0043
− (19,883 +
.822,021).822,021 = -87508,4025
0,5119.(1 + 0,0478)
2

2
Vậy phương trình bậc hai: 0,0031Tz + 22,3397Tz − 87508,4025 = 0

Giải phương trình ta có:
Tz = 28146,69 [oK].
p z = pc .

Áp suất cực đại chu trình Pz [MN/m2]..
Tz
β z [MN/m2].
Tc

Pz = 1,9426.

[4.21]

2814,69
.1,0466 = 6,9615[MN/m2].
822,021

24


Thiết kế lắp đặt hệ thống nhiên liệu Xăng - LPG động cơ 1TR-FE
Với λ =

Tz
2814,69
βz =
.1,0466 =3,5826
Tc
822,021

4.1.3.4. Quá trình giãn nở
-

Tỷ số giãn nở sớm ρ:
ρ=1

-

[4.22]

Tỷ số giãn nở sau δ:
δ = ε =9,8

-

[4.23]

Kiểm nghiệm lại trị số n2:
Chọn trước n2, tính lặp n2 theo công thức:
n2 − 1 =

8,314
( ξb − ξ z ).(QH − ∆QH ) + a′′ + bz′′ .( T + T )
vz
z
b
M 1 (1 + γ r ).β .( Tz − Tb ) )
2

Trong đó: Tb =

Tz

δ n2 −1

[4.24]

[oK].

Chọn n2 =1,2 thế vào phương trình [4.24] ta có sai số hai vế <0,001.

Vậy chọn n2=1,2
-

Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở Tb [oK].
Tb =

Tz

[oK].
δ n2 −1
2814,69
Tb =
=1805,665[oK].
9,81, 2−1
-

Áp suất cuối quá trình giãn nở Pb [MN/m2].
pb =

Pb=
-

pz
δ n2

[4.26]

6,9615
=0,456[MN/m2].
9,81, 2

Kiểm nghiệm lại nhiệt độ khí sót Trtính [oK].
P
Trt = Tb  r
 Pb





m −1
m

[oK].

Trtính = 1805,665 0,11 
 0,456 

Sai số:

[4.25]

[4.27]
1, 5−1
1, 5

= 1124,276[oK].

Trtính − Trchon 1124,276 − 1000
=

= 11,1% < 15%
Trtính
1124,276

25