Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 73

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 TBài 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

ABSTRACTThis 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

1 TS. Nguyễn Thanh Tuấn: Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang

I. ĐẶT VẤN ĐỀÔ nhiễm môi trường do các phương tiện giao

thông gây ra đang là vấn đề lớn cần quan tâm giải quyết. Nguyên liệu sạch LPG với thành phần chủ yếu là propane và butane được chiết xuất từ dầu khí có khả năng đốt cháy cao. Do vậy khi sử dụng nhiên liệu LPG sẽ giảm khí thải, góp phần tích cực bảo vệ môi trường. So với dòng xe cùng chủng loại, khi sử dụng nhiên liệu LPG sẽ tiết kiệm nhiên liệu gần 20% so với nhiên liệu xăng dầu [1], giá LPG cũng rẻ hơn so với xăng và dầu, và một thuận lợi nữa là khi chạy bằng LPG chúng ta không cần cải hoán, cải tạo hay điều chỉnh động cơ và các bộ phận liên quan.

Sự vận hành của động cơ lưỡng nhiên liệu LPG hoặc xăng phụ thuộc vào tính chất hòa trộn nhiên liệu giữa LPG và không khí, những phát sinh xảy ra thường là do sự thay đổi về chất lượng của LPG (do sự xuất hiện của các chất khó bay hơi hay các tạp chất khác không mong muốn. Những trở ngại này

gần như được khắc phục khi sử dụng hệ thống phun LPG dưới dạng lỏng [2]. Trong quá trình tạo hồn hợp giữa LPG lỏng và không khí trên đường ống nạp sự bay hơi mạnh mẽ của LPG trong ống vòi phun làm giảm nhiệt độ của hỗn hợp nhiên liệu và làm tăng khả năng nạp đầy trong buồng đốt động cơ dẫn tới khả năng công suất động cơ tăng lên. Tuy nhiên sự đóng băng trên đỉnh vòi phun là nguyên nhân khiến động cơ hoạt đông không đều và làm gia tăng nồng độ hydrocarbon ở đầu ra khí xả động cơ. Bài toán đặt ra là tì m giả i phá p ngăn chặn hoặc giảm thiểu sự đóng băng ở đầu và thân vòi phun góp phần làm động cơ hoạt động êm dịu hơn và làm giảm ô nhiễm môi trường từ khí xả.

II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1. Đối tượng nghiên cứuVòi phun LPG lỏ ng được nghiên cứu và đã sản

xuất thương mại. Một trong những nhà sản xuất lớn

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015

74 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

và có uy tín trong lĩnh vực này phải kể tới Công ty AVL của Hà Lan. Thiết bị này đã được phổ biến ở Châu Âu với tính ưu việt về tính năng của động cơ và tính kinh tế nếu so sánh với các sản phẩm cùng loại khác [3]. Tuy nhiên sự đóng băng trên đỉnh vòi phun vẫn hiện hữu và là bài toán chung cần giải quyết. Trong chương trình nghiên cứu nà y, tác giả đã sử dụng vòi phun của hãng AVL và đưa ra hai phương án kết cấu mới hướng tới việc làm giảm sự truyền nhiệt từ ống dẫn ra bề mặt của phần cuối vòi phun và giảm đường kính và chiều dài phần ố ng dẫ n vòi phun với mục đích là m tăng áp suất LPG. Việc tăng áp suất trong ống dẫn sẽ làm chậm quá trình bay hơi LPG và giữ cho nề n nhiệ t độ LPG không xuố ng quá thấ p.

Với mục đích nghiên cứu nhằm giảm thiểu đóng băng trên đỉnh vòi phun nên trong thực nghiệm này tác giả lắp đặt vòi phun trên một ống nhựa cứng hình trụ trong suốt (để thuận tiện quan sát hiện tượng ngay bằng mắt thường), ống trụ này được nối với ống nạp động cơ qua thiết bị gá đỡ cố định. Động cơ sử dụng trong nghiên cứu là động cơ Dawoo - Avia, động cơ này hoạt động giống như một động cơ lưỡng nhiên liệu và trong nghiên cứu này nó chỉ đóng vai trò đốt cháy phần LPG được phun ra từ vòi phun.

Kết cấu các bộ phận của vòi phun LPG được thể hiện trong hình 1.

Hình 1. Kết cấu các bộ phận của vòi phun LPG

Mụ c đí ch hướ ng tớ i khi thay đổi hình dạng phầ n cuố i vòi phun là là m tăng áp suất trong ống dẫn luôn cao hơn áp suất mà tạ i đó LPG ở mức nhiệt độ trên 00C. Giá trị áp suất phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp có trong LPG (propane và butane). Nếu áp suất

LPG cao hơn áp suất hơi bão hòa tại nhiệt độ 00C thì hiện tượng đóng băng sẽ không thể hình thành. Hai phương á n mớ i cả i tạ o phầ n cuố i vò i phun đượ c đưa ra vớ i hì nh dạ ng và kí ch thướ c đượ c miêu tả tạ i hì nh 2.

Vò i phun dạ ng ố ng nguyên thủ y- Vậ t liệ u: Thé p- Đườ ng kí nh ngoà i Ø 3mm. đườ ng kí nh

trong Ø 1mm.- Chiề u dà i 41,5mm.

Vò i phun dạ ng ố ng ngắ n cả i tạ o- Vậ t liệ u: Thé p- Đườ ng kí nh ngoà i Ø 0.6mm.

đườ ng kí nh trong Ø 0.4mm.- Chiề u dà i ố ng 25.5mm

Vò i phun dạ ng trụ cả i tạ o- Vậ t liệ u: Nhôm hợ p kim- Đườ ng kí nh ngoà i Ø 20 mm.

đườ ng kí nh trong Ø 0.6 mm.- Chiề u dà i ố ng 22 mm

Hì nh 2. Phầ n cuố i vò i phun LPG nguyên thủ y và hai phương á n cả i tạ o

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 75

2. Phương pháp nghiên cứuNghiên cứ u bằ ng thự c nghiệ m vớ i cá ch thứ c đo

trực tiếp nhiệt độ tại hai vị trí đỉnh và thân của phần cuối vòi phun. Hai vị trí này sẽ cho giá trị nhiệt độ ở 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 và sử dụng trên thị trường.

Cảm biến nhiệt độ phục vụ trong thí nghiệm là loại cảm biến kiểu K với dải đo nhiệt độ phù hợp trong nghiên cứu. Cảm biến này được nối với thiết bị đo HBM có kết nối máy tính với phần mềm chuyên dụng để lưu và xuất dữ liệu trong khi tiến hành thí nghiệm.

Chế độ thực nghiệm được tiến hành bằng cách thay đổi giá trị của thời gian mở van vòi phun LPG (1,2,4,6,8,10,12,14,15 ms) và tốc độ động cơ (1000, 2000, 3000, 4000, 5000 vòng/phút).

III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

1. Vòi phun LPG dạ ng ố ng nguyên thủyVòi phun LPG được làm bằng ống thép với

đường kính trong là 1mm và đường kính ngoài là 3mm. Cảm biến nhiệt độ đặt tại ví trí cách đỉnh phía trên 5mm và cảm biến nhiệt độ thứ 2 gần đỉnh đầu 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 trạ ng thá i là m việ c củ a 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 lớ n nên áp suất LPG trong ống rấ t thấ p 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 dạ ng ố ng ngắ n cả i tạ oMột 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.

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015

76 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Hình 5. Cấu tạo vòi phun dạ ng ố ng ngắ n cả i tạ o và trạ ng thá i là m việ c

(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 tạ oMột 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 cả i tạ o và trạ ng thá i là m việ c (được thiết kế phục vụ nghiên cứu)

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 77

Nhiệt độ vòi phun dưới nhiệt độ xảy ra đóng băng tại chế độ phun với lượng nhiên liệu nhỏ và tốc độ động cơ thấp. Với lượng nhiên liệu phun nhiều hơn, áp suất LPG lớ n, LPG bay hơi ít hơn khiến nền nhiệt độ trong ống dẫn vòi phun đủ cao hơn nhiệt độ sẽ hình thành băng. Đối với loại vòi phun này băng chỉ xảy ra rất ít tại đỉnh vòi phun.

IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊMục đích của nghiên cứu này là đi tìm giải pháp

cho việc ngăn chặn quá trình đóng băng tại đỉnh và thân vòi phun LPG trong suốt quá trình phun nhiên liệu LPG lỏng vào ống nạp động cơ đốt trong ô tô. Một vài loại vòi phun đã được thiết kế và lắp đặt trên ống nạp động cơ. Kết quả thí nghiệm đầu tiên được

tiến hành với vòi phun LPG nguyên thủy, ở đó đã bộc lộ những nhược điểm trong kết cấu khiến cho băng hình thành một cách trầm trọng, nguyên nhân từ việc bay hơi rất mạnh của LPG trong ống dẫn vòi phun. Với sự thay đổi kết cấu vòi phun mà cụ thể ở đây là giảm diện tích tiết diện ống (giảm tiết lưu), áp suất LPG có sự tăng lên. Vì vậy nhiệt độ LPG cũng tăng lên, làm giảm nguy cơ đóng băng, điều đó cũng đồng nghĩa với việc giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường như đã phân tích ở trên.

Vòi phun mới đã sẵn sàng thay cho vòi phun nguyên thủy nhưng cũng cần thêm sự tính toán tối ưu và những nghiên cứu thay đổi về tính năng của động cơ đốt trong khi đưa vào sử dụng.

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

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiế ng Việ t1. LPG - nguyên liệu sạch.2. http://www.baomoi.com/Su-dung-LPG-nguon-nhien-lieu-sach/45/4816035.epi Tiế ng Anh3. 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.