Cải hoán vòi phun LPG động cơ ô tô theo hướng giảm thiểu hiện tượng đóng băng trên đỉnh vòi phun

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015 THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC CẢI HOÁN VÒI PHUN LPG ĐỘNG CƠ Ô TÔ THEO HƯỚNG GIẢM THIỂU HIỆN TƯỢNG ĐÓNG BĂNG TRÊN ĐỈNH VÒI PHUN LPG INJECTORS REFORM OF AUTOMOTIVE ENGINES TOWARDS REDUCING ICING ON THE TOP OF INJECTOR Nguyễn Thanh Tuấn1 Ngày nhận bài: 24/4/2014; Ngày phản biện thông qua: 26/5/2014; Ngày duyệt đăng: 10/2/2015 TÓM TẮ T Bài báo trình bày khả năng sử dụng LPG như một nhiên liệu thay thế cho xăng ô tô. Vấn đề xảy ra là khi phun LPG dưới dạng lỏng do tính bay hơi của LPG với nhiệt độ rất thấp (khoảng -40 độ C) dẫn tới hiện tượng LPG sẽ đóng băng tại đỉnh và thân vòi phun. Giải pháp vấn đề này được đưa ra và đã thực hiện trong suốt thời gian qua trong chương trình nghiên cứu của Bộ môn Kĩ thuật giao thông - Khoa Máy trường Đại học Kĩ thuật Liberec - Cộng hòa Séc. Từ khóa: LPG injector, vòi phun, vòi phun ngắn, vòi phun dạng thân ABSTRACT This paper presents the possibility of using LPG as an alternative fuel for spark ignition engines of automobiles. The problem occurs when injection of LPG in liquid phase, LPG evaporates at low temperatures (about -40 degrees C) led to the phenomenon of LPG will freeze on the top and injector body. The solution of this problem is given, and have made during the past in the research program of the Department of Transport - Faculty of Mechanical Engineering - Technical University of Liberec - Czech Republic. Keywords: LPG, injector body, alternative fuel, freeze I. ĐẶT VẤN ĐỀ gần như được khắc phục khi sử dụng hệ thống Ô nhiễm môi trường do các phương tiện giao phun LPG dưới dạng lỏng [2]. Trong quá trình tạo thông gây ra đang là vấn đề lớn cần quan tâm giải hồn hợp giữa LPG lỏng và không khí trên đường quyết. Nguyên liệu sạch LPG với thành phần chủ ống nạp sự bay hơi mạnh mẽ của LPG trong ống vòi yếu là propane và butane được chiết xuất từ dầu khí phun làm giảm nhiệt độ của hỗn hợp nhiên liệu và có khả năng đốt cháy cao. Do vậy khi sử dụng nhiên làm tăng khả năng nạp đầy trong buồng đốt động cơ liệu LPG sẽ giảm khí thải, góp phần tích cực bảo vệ dẫn tới khả năng công suất động cơ tăng lên. Tuy môi trường. So với dòng xe cùng chủng loại, khi sử nhiên sự đóng băng trên đỉnh vòi phun là nguyên dụng nhiên liệu LPG sẽ tiết kiệm nhiên liệu gần 20% nhân khiến động cơ hoạt đông không đều và làm so với nhiên liệu xăng dầu [1], giá LPG cũng rẻ hơn gia tăng nồng độ hydrocarbon ở đầu ra khí xả động so với xăng và dầu, và một thuận lợi nữa là khi chạy cơ. Bài toán đặt ra là tìm giả i phá p ngăn chặn hoặc bằng LPG chúng ta không cần cải hoán, cải tạo hay giảm thiểu sự đóng băng ở đầu và thân vòi phun điều chỉnh động cơ và các bộ phận liên quan. góp phần làm động cơ hoạt động êm dịu hơn và làm Sự vận hành của động cơ lưỡng nhiên liệu LPG giảm ô nhiễm môi trường từ khí xả. hoặc xăng phụ thuộc vào tính chất hòa trộn nhiên II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU liệu giữa LPG và không khí, những phát sinh xảy ra thường là do sự thay đổi về chất lượng của LPG (do 1. Đối tượng nghiên cứu sự xuất hiện của các chất khó bay hơi hay các tạp Vòi phun LPG lỏ ng được nghiên cứu và đã sản chất khác không mong muốn. Những trở ngại này xuất thương mại. Một trong những nhà sản xuất lớn 1 TS. Nguyễn Thanh Tuấn: Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 73 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015 và có uy tín trong lĩnh vực này phải kể tới Công ty AVL Với mục đích nghiên cứu nhằm giảm thiểu đóng của Hà Lan. Thiết bị này đã được phổ biến ở Châu Âu băng trên đỉnh vòi phun nên trong thực nghiệm này với tính ưu việt về tính năng của động cơ và tính kinh tác giả lắp đặt vòi phun trên một ống nhựa cứng tế nếu so sánh với các sản phẩm cùng loại khác [3]. hình trụ trong suốt (để thuận tiện quan sát hiện Tuy nhiên sự đóng băng trên đỉnh vòi phun vẫn tượng ngay bằng mắt thường), ống trụ này được hiện hữu và là bài toán chung cần giải quyết. Trong nối với ống nạp động cơ qua thiết bị gá đỡ cố định. chương trình nghiên cứu nà y, tác giả đã sử dụng vòi Động cơ sử dụng trong nghiên cứu là động cơ phun của hãng AVL và đưa ra hai phương án kết cấu Dawoo - Avia, động cơ này hoạt động giống như mới hướng tới việc làm giảm sự truyền nhiệt từ ống dẫn ra bề mặt của phần cuối vòi phun và giảm đường một động cơ lưỡng nhiên liệu và trong nghiên cứu kính và chiều dài phần ố ng dẫ n vòi phun với mục này nó chỉ đóng vai trò đốt cháy phần LPG được đích là m tăng áp suất LPG. Việc tăng áp suất trong phun ra từ vòi phun. ống dẫn sẽ làm chậm quá trình bay hơi LPG và giữ Kết cấu các bộ phận của vòi phun LPG được cho nề n nhiệ t độ LPG không xuố ng quá thấ p. thể hiện trong hình 1. Hình 1. Kết cấu các bộ phận của vòi phun LPG Mụ c đí ch hướ ng tới khi thay đổi hình dạng phầ n LPG cao hơn áp suất hơi bão hòa tại nhiệt độ 00C cuố i vòi phun là là m tăng áp suất trong ống dẫn luôn thì hiện tượng đóng băng sẽ không thể hình thành. cao hơn áp suất mà tại đó LPG ở mức nhiệt độ trên Hai phương á n mới cả i tạ o phầ n cuố i vò i phun đượ c 00C. Giá trị áp suất phụ thuộc vào thành phần hỗn đưa ra với hì nh dạ ng và kích thướ c đượ c miêu tả hợp có trong LPG (propane và butane). Nếu áp suất tạ i hì nh 2. Vò i phun dạ ng ố ng nguyên thủ y - Vậ t liệ u: Thé p - Đườ ng kính ngoà i Ø 3mm. đườ ng kính trong Ø 1mm. - Chiề u dà i 41,5mm. Vò i phun dạ ng ố ng ngắ n cả i tạ o Vò i phun dạ ng trụ cả i tạ o - Vậ t liệ u: Thé p - Vậ t liệ u: Nhôm hợ p kim - Đườ ng kính ngoà i Ø 0.6mm. - Đườ ng kính ngoà i Ø 20 mm. đườ ng kính trong Ø 0.4mm. đườ ng kí nh trong Ø 0.6 mm. - Chiề u dà i ố ng 25.5mm - Chiề u dà i ố ng 22 mm Hình 2. Phầ n cuố i vòi phun LPG nguyên thủ y và hai phương á n cả i tạo 74 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015 2. Phương pháp nghiên cứu Chế độ thực nghiệm được tiến hành bằng cách Nghiên cứ u bằ ng thự c nghiệ m vớ i cá ch thứ c đo thay đổi giá trị của thời gian mở van vòi phun LPG trực tiếp nhiệt độ tại hai vị trí đỉnh và thân của phần (1,2,4,6,8,10,12,14,15 ms) và tốc độ động cơ (1000, cuối vòi phun. Hai vị trí này sẽ cho giá trị nhiệt độ ở 2000, 3000, 4000, 5000 vòng/phút). từng chế độ phun và tốc độ động cơ, từ đó có thể so sánh được với phần cuối vòi phun đã được chế tạo III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN và sử dụng trên thị trường. 1. Vòi phun LPG dạng ống nguyên thủy Cảm biến nhiệt độ phục vụ trong thí nghiệm là loại cảm biến kiểu K với dải đo nhiệt độ phù hợp Vòi phun LPG được làm bằng ống thép với trong nghiên cứu. Cảm biến này được nối với thiết đường kính trong là 1mm và đường kính ngoài là bị đo HBM có kết nối máy tính với phần mềm chuyên 3mm. Cảm biến nhiệt độ đặt tại ví trí cách đỉnh phía dụng để lưu và xuất dữ liệu trong khi tiến hành trên 5mm và cảm biến nhiệt độ thứ 2 gần đỉnh đầu thí nghiệm. ra vòi phun. Giá trị đo được thể hiện tại đồ thị hình 4. Hình 3. Cấu tạo vòi phun LPG dạ ng ố ng nguyên thủy và trạng thá i làm việc của nó Hình 4. Nhiệt độ thân và đỉnh vòi phun đo được khi thí nghiệm bằng cách thay đổi thời gian phun và tốc độ quay của động cơ Sự bay hơi của LPG được thể hiện từ đồ thị hình 4. Đường kính của ống dẫn lớn nên áp suất LPG trong ống rất thấp và tỉ lệ bay hơi LPG tăng lên. Tại thời điểm lượng LPG được phun ít (chế độ không tải) nhiệt lượng truyền từ môi trường đủ để giúp LPG hóa hơi. Với sự tăng lên của cả lượng nhiên liệu phun vào ống nạp và tốc độ động cơ LPG bay hơi mạnh hơn khiến nhiệt độ giảm xuống nền nhiệt đủ để hình thành băng tại đỉnh vòi phun. 2. Vòi phun dạng ống ngắn cả i tạo Một vòi phun ngắn hơn được làm bằng thé p với đường kính trong là 0.4 mm và đường kính ngoài là 0.6 mm. Cảm biến nhiệt độ 1 được đo gần đỉnh trên của vòi phun, cảm biến nhiệt độ 2 được đặt gần đỉnh ra vòi phun. Nhiệt độ thu được thể hiện tại đồ thị thuộc hình 6. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 75 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015 Hình 5. Cấu tạo vòi phun dạ ng ố ng ngắ n cả i tạo và trạng thá i làm việc (được thiết kế phục vụ nghiên cứu) Giá trị nhiệt độ thu được có sự tăng lên đáng kể, áp suất giảm không đáng kể khiến cho sự bay hơi của LPG trong ống dẫn vòi phun diễn ra với một phần rất nhỏ, phần còn lại của sự bay hơi này diễn ra trong ống nạp của động cơ. Hình 6. Kết quả thí nghiệm đo nhiệt độ thân và đỉnh vòi phun ngắn với sự thay đổi thời gian phun và tốc độ quay của động cơ 3. Vòi phun dạng trụ cả i tạo Một vòi phun dạng trụ được sản xuất bằng hợ p kim nhôm. Cảm biến nhiệt độ 1 được đo tại thân vòi phun (phần giữa), cảm biến nhiệt độ 2 được đặt gần đỉnh ra vòi phun. Nhiệt độ thu được thể hiện tại đồ thị thuộc hình 8. Hình 7. Cấu tạo vòi phun dạng trụ cải tạo và trạng thá i làm việc (được thiết kế phục vụ nghiên cứu) 76 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015 Hình 8. Kết quả thí nghiệm đo nhiệt độ thân và đỉnh vòi phun dạng thân với sự thay đổi thời gian phun và tốc độ quay của động cơ Nhiệt độ vòi phun dưới nhiệt độ xảy ra đóng tiến hành với vòi phun LPG nguyên thủy, ở đó đã băng tại chế độ phun với lượng nhiên liệu nhỏ và tốc bộc lộ những nhược điểm trong kết cấu khiến cho độ động cơ thấp. Với lượng nhiên liệu phun nhiều băng hình thành một cách trầm trọng, nguyên nhân hơn, áp suất LPG lớn, LPG bay hơi ít hơn khiến nền từ việc bay hơi rất mạnh của LPG trong ống dẫn vòi nhiệt độ trong ống dẫn vòi phun đủ cao hơn nhiệt độ phun. Với sự thay đổi kết cấu vòi phun mà cụ thể sẽ hình thành băng. Đối với loại vòi phun này băng ở đây là giảm diện tích tiết diện ống (giảm tiết lưu), chỉ xảy ra rất ít tại đỉnh vòi phun. áp suất LPG có sự tăng lên. Vì vậy nhiệt độ LPG cũng tăng lên, làm giảm nguy cơ đóng băng, điều IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Mục đích của nghiên cứu này là đi tìm giải pháp đó cũng đồng nghĩa với việc giảm thiểu sự ô nhiễm cho việc ngăn chặn quá trình đóng băng tại đỉnh và môi trường như đã phân tích ở trên. thân vòi phun LPG trong suốt quá trình phun nhiên Vòi phun mới đã sẵn sàng thay cho vòi phun liệu LPG lỏng vào ống nạp động cơ đốt trong ô tô. nguyên thủy nhưng cũng cần thêm sự tính toán tối Một vài loại vòi phun đã được thiết kế và lắp đặt trên ưu và những nghiên cứu thay đổi về tính năng của ống nạp động cơ. Kết quả thí nghiệm đầu tiên được động cơ đốt trong khi đưa vào sử dụng. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. LPG - nguyên liệu sạch. 2. Tiếng Anh 3. Ondřej Dráb, Stanislav Beroun, Martin Hošek: “Liquid LPG Injection - Modern Way Of Fuel Mixture Formation For Spark Ignition Engines”. Technical University of Liberec Czech Republic. 9th International Symposium Tatranské Matliare, June, 14-17, 2010 Slovak Republic. 4. Nguyen Thanh Tuan, 2013. Doctor dissertation. Technical University of Liberec, Czech Republic. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 77