MỤC LỤC
MỤC LỤC.....................................................................................................................................................1
MỞ ĐẦU......................................................................................................................................................2
Chương 1: Tổng quan về nhiên liệu CNG................................................................................................3
1.1. Nguồn gốc, quá trình khai thác và xử lý khí thiên nhiên........................................................................3
1.2. Tính chất khí CNG.................................................................................................................................4
1.2.1. Thành phần hóa học...........................................................................................................................4
1.2.2. Khả năng ứng dụng khí CNG cho động cơ đốt trong........................................................................5
1.2.3. Sự ô nhiễm khí thải khi sử dụng CNG làm nhiên liệu.........................................................................6
1.3. Tình hình nghiên cứu sử dụng khí nén thiên nhiên CNG......................................................................9
1.3.1. Trên thế giới........................................................................................................................................9
1.3.2. Tại Việt Nam......................................................................................................................................10
1.4. Đặc tính nhiên liệu CNG........................................................................................................................11
1.4.1. Lý tính................................................................................................................................................11
1.4.2. Chỉ số octane....................................................................................................................................12
1.5. Đánh giá ưu nhược điểm của nhiên liệu CNG so với nhiên liệu xăng và diesel truyền thống.............13
Chương 2: Nghiên cứu, ứng dụng nhiên liệu CNG trên động cơ đốt trong...............................................14
2.1. Các phương án cung cấp CNG cho động cơ đốt trong.......................................................................14
2.1.1. Cung cấp khí CNG cho động cơ sử dụng bộ hòa trộn......................................................................14
2.1.2. Cung cấp CNG cho động cơ sử dụng bộ hòa trộn kết hợp với van tiết lưu và van công suất.........15
2.1.3. Cung cấp CNG bằng phương pháp phun CNG trên đường nạp... .................................................16
2.1.4. Cung cấp CNG cho động cơ bằng phương pháp phun CNG trực tiếp vào buồng cháy..................18
2.2. Động cơ đốt trong sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG – diesel............................................19
2.2.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động.............................................................................................19
2.2.2. Đánh giá hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG- diesel so với động cơ sử dụng hệ thống diesel...... 24
2.3. Động cơ đốt trong sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG - xăng...............................................24
2.3.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động............................................................................................ 24
2.3.2. Đánh giá hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG- xăng so với động cơ sử dụng hệ thống xăng.......... 25
2.4. Động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu CNG........................................................................................ 26
2.4.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động............................................................................................. 26
2.4.2. Đánh giá ưu nhược điểm.................................................................................................................. 32
2.5. Nghiên cứu sản phẩm cháy và mức độ ô nhiễm môi trường của động cơ sử dụng nhiên liệu kép.....33
Chương 3: Kết cấu, tính toán các bộ phận trên động cơ sử dụng nhiên liệu CNG............................36
3.1. Kết cấu các bộ phận trên động cơ sử dụng nhiên liệu CNG............................................................... 36
3.1.1. Bình chứa CNG................................................................................................................................ 36
3.1.2. Van bình chứa................................................................................................................................... 36
3.1.3. Van nạp............................................................................................................................................. 37
3.1.4. Van điện từ........................................................................................................................................ 38
3.1.5. Bộ giảm áp........................................................................................................................................ 40
3.1.6. Cơ cấu tiết lưu.................................................................................................................................. 42
3.1.7. Van không tải.................................................................................................................................... 42
3.1.8. Van công suất................................................................................................................................... 43
3.2. Tính toán thiết kế bộ hòa trộn nhiên liệu............................................................................................. 44
3.2.1. Cấu tạo bộ hòa trộn.......................................................................................................................... 44
3.2.2. Nguyên lý hoạt động......................................................................................................................... 45
3.2.3. Một số yếu tố và công thức sử dụng khi nghiên cứu tính toán thiết kế bộ trộn.................................46
Chương 4: Khai thác động cơ điển hình sử dụng nhiên liệu CNG.................................................... 49
4.1. Giới thiệu chung về ô tô INNOVA........................................................................................................ 49
4.2. Đặc điểm tổng quát động cơ 1TR-FE.................................................................................................. 51
4.3. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu CNG........................................................................................................... 54
4.4. Thiết kế hệ thống nhiên liệu CNG........................................................................................................ 56
4.4.1. Tính toán thiết kế bộ hòa trộn........................................................................................................... 56
4.4.2. Tính toán tiết lưu trong mạch cung cấp chính................................................................................... 62
4.4.3. Tính toán ziclơ mạch công suất........................................................................................................ 65
4.5. Khai thác sử dụng nhiên liệu khí CNG trên xe INNOVA...................................................................... 66
4.5.1. Phương pháp lắp đặt bố trí.............................................................................................................. 66
4.5.2. Các triệu chứng hư hỏng của hệ thống nhiên liệu CNG và biện pháp kiểm tra khắc phục.............. 69
KẾT LUẬN.................................................................................................................................................. 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................................................. 73
MỞ ĐẦU
Khái quát về vấn đề nghiên cứu:
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 thiên nhiên CNG.
Việc thử nghiệm nhiên liệu khí thiên nhiên CNG 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 khai thác nghiên cứu các đề tài hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG đã được nghiên cứu trước đây để xem những tồn đọng của nó và xem hướng khắc phục để có thể ứng dụng vào thực tiễn.
Mục tiêu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Mục tiêu:
- Việc nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG giúp học viên hiểu thêm nguồn nhiên liệu mới và các phương án chuyển đổi từ động cơ đốt trong sang hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG.
- Đồng thời, khai thác hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG giúp học viên có thêm kiến thức ôtô nhất là hệ thống cung cấp nhiên liệu.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của sáng kiến:
- Ngoài mục đích chính là báo cáo tốt nghiệp, nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu còn giúp học viên nâng cao kiến thức về hệ thống này. Qua đó, học viên có thể khám phá các công nghệ mới, các thiết bị mới của các hãng danh tiếng khác nhau và tích lũy kinh nghiệm có ích cho công việc sau này.
Nội dung nghiên cứu:
- Mở đầu
- Chương 1. Tổng quan về nhiên liệu CNG.
- Chương 2. Nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu CNG trên động cơ đốt trong
- Chương 3. Kết cấu, tính toán các bộ phận trên động cơ sử dụng nhiên liệu CNG
- Chương 4. Khai thác động cơ điển hình sử dụng nhiên liệu CNG
- Kết luận
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng:
- Những vấn đề chung về nhiên liệu CNG.
- Các phương án chuyển đổi từ động cơ đốt trong sang hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG.
Phạm vi nghiên cứu:
Đồ án tập trung vào các nội dung công việc như sau:
- Tổng quan về nhiên liệu CNG;
- Nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu CNG trên động cơ đốt trong;
- Kết cấu, tính toán các bộ phận trên động cơ sử dụng nhiên liệu CNG;
- Khai thác động cơ điển hình sử dụng nhiên liệu CNG;
Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu lý luận:
Mục đích: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về nhiên liệu CNG và hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG.
Cách tiến hành: Tham khảo, phân tích tài liệu chuyên ngành, các công trình nghiên cứu đã được công nhận.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU CNG
1.1. Nguồn gốc, quá trình khai thác và xử lý khí thiên nhiên
Khí thiên nhiên được tạo ra từ sinh vật phù du, các vi sinh vật sống dưới nước bao gồm tảo và động vật nguyên sinh. Khi các vi sinh vật này chết đi và tích tụ trên đáy đại dương, chúng dần bị chôn đi và xác của chúng được nén dưới các lớp trầm tích.
Để định vị được các mỏ khí, các nhà địa chất học thăm dò những khu vực có chứa những thành phần cần thiết cho việc tạo ra khí thiên nhiên: đá nguồn giàu hữu cơ, các điều kiện chôn vùi đủ cao để tạo ra khí tự nhiên từ các chất hữu cơ, các kiến tạo đá có thể "bẫy" các hydrocacbon.
Sau khi các tạp chất đã được loại bỏ trong các thiết bị tách lọc, khí thiên nhiên phải được làm khô. Kỹ thuật làm khô khí phân thành các nhóm:
+ Hấp phụ nước bằng các chất hút ẩm thể rắn như silicagen, nhôm oxit hoạt tính, zeolit NaA.
+ Hấp phụ bằng nước hút ẩm thể lỏng như dietylenglycol, trietylenglycol...
+ Ngưng tụ hơi nước hoặc đóng băng tạo tinh thể nước đá bằng kỹ thuật nén hoặc làm lạnh.
1.2. Tính chất của khí CNG.
1.2.1. Thành phần hóa học.
Khí nén CNG là khí thiên nhiên được nén dưới áp suất nhất định (200 - 275 bar). Khí thiên nhiên là hỗn hợp chất khí cháy được bao gồm phần lớn là các hydrocacbon (hợp chất hoá học chứa cacbon và hydro). Cùng với than đá và dầu mỏ, khí thiên nhiên là nhiên liệu hóa thạch. Khí thiên nhiên có thể chứa đến hơn 85% mêtan (CH4), khoảng 10% êtan (C2H6) và có chứa một số lượng nhỏ hơn như propan (C3H8), butan (C4H10), pentan (C5H12) và các alkan khác
1.2.2. Khả năng ứng dụng khí CNG cho động cơ đốt trong.
So sánh đặc tính của CNG với Xăng và Diesel như bảng 2.2.
Nhiệt trị riêng khối luợng của CNG cao hơn (khoảng 10%) so với nhiên liệu lỏng thông thuờng. Cùng hiệu suất như nhau, suất tiêu hao nhiên liệu (tính theo khối luợng) của động cơ dùng CNG giảm cũng chừng ấy lần.
1.2.3. Sự ô nhiễm khí thải khi sử dụng CNG làm nhiên liệu.
Cũng như đối với những loại nhiên liệu khác, đặc điểm phát sinh ô nhiễm của động cơ dùng CNG liên quan đến thành phần hydrocarbure của nhiên liệu, ( thường nhiên liệu CNG chứa ít nhất 90% methane). Khác với động cơ xăng, trong khí xả động cơ CNG hầu như không có hydrocarbure nào có hơn 4 nguyên tử cacbon, đặc biệt hơn nữa là không có sự hiện diện của thành phần hydrocarbure thơm.
1.3. Tình hình nghiên cứu sử dụng khí nén thiên nhiên CNG.
1.3.1. Trên thế giới.
Hiện nay trên thế giới việc khai thác, chế biến và sử dụng khí thiên nhiên trong các lĩnh vực dân dụng, công nghiệp và giao thông vận tải để phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường là một trong những thành tựu quan trọng trong thế kỷ 21.
Khí nén thiên nhiên được sử dụng làm nhiên liệu cho ôtô sớm nhất ở Italia vào những năm 30 thế kỷ trước. Vào năm 1950, ở Pháp có 10.000 xe chạy CNG. Các nước New Zealand, Canada, Mỹ đã có xe chạy khí gas vào những năm 1970 và 1980.
1.3.2. Tại Việt Nam
Công nghệ khí nén thiên nhiên CNG lần đầu tiên xuất hiện tại Việt Nam bằng sự ra đời của nhà máy khí thiên nhiên CNG tại Khu Công nghiệp Phú Mỹ I, huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu bắt đầu hoạt động từ cuối tháng 8 - 2008. Do đặc tính kỹ thuật của CNG nên việc cung cấp CNG mới triển khai được ở một số khu vực phía Nam, chưa đi vào ứng dụng rộng rãi.
1.4. Đặc tính nhiên liệu CNG.
1.4.1. Lý tính.
Thành phần chủ yếu của CNG là khí Metan, nên đặc tính của khí thiên nhiên chủ yếu do Methane quyết định.
1.4.2. 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 120. Chỉ số octane động cơ (MON) của CNG cũng cao hơn xăng.
1.5. Đánh giá ưu nhược điểm của nhiên liệu CNG so với nhiên liệu xăng và diesel truyền thống.
+ Ưu điểm
- CH4 không dễ bị bắt lửa do nhiệt độ bắt lửa cao.
- Trị số Octan cao RON «120. Tỷ số nén động cơ CNG có thể từ 12 ~ 14.
- Nhiệt trị cao: CH4 = 50.5 MJ/kg (11942 kcal/kg).
- Giới hạn cháy của hỗn hợp CH4 trong khoảng rộng (0.34 ~ 2.0) %V
+ Nhược điểm
- Giá thành đắt hơn nhiên liệu truyền thống.
- Tỷ trọng thấp. Do đó, ngay cả khi bị nén lại ở 20 Mpa (200 kG/cm2) thì lộ trình một lần bơm gas chỉ bằng 1/4 so với khi dùng xăng.
CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU CNG TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.1. Các phương án cung cấp khí CNG cho động cơ đốt trong.
CNG được cung cấp vào động cơ ở dạng khí. Hệ thống phun nhiên liệu khí vào đường nạp nhờ độ chân không tại họng Venturi của bộ hòa trộn được dùng phổ biến nhất.
2.1.1. Cung cấp khí CNG cho động cơ sử dụng bộ hòa trộn.
Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí sử dụng bộ hòa trộn có nhiều dạng khác nhau, nhưng đối với CNG thường sử dụng dạng sơ đồ sau.
Sự cung cấp CNG liên tục làm hạn chế khả năng khống chế tỷ lệ không khí/ CNG, để khắc phục nhược điểm trên ta dùng phương án sử dụng bộ hoà trộn kết hợp với van tiết lưu và van công suất.
2.1.2. Cung cấp CNG cho động cơ sử dụng bộ hòa trộn kết hợp với van tiết lưu và van công suất.
Khi bật khoá điện, dòng điện qua cuộn dây sinh ra một từ tính làm van điện từ mở ra cho khí CNG nén từ bình chứa áp suất cao đến bộ giảm áp, tại bộ giảm áp áp suất nhiên liệu được giảm xuống giá trị làm việc khoảng 0,8 ÷1,5 bar, sau đó nhiên liệu được qua bộ lọc áp suất thấp trước khi đi vào van tiết lưu, van tiết lưu được điều khiển tự động bởi bộ vi xử lý, lưu lượng CNG cung cấp được khống chế bởi bộ giảm áp..
2.1.3. Cung cấp CNG bằng phương pháp phun CNG trên đường nạp.
Nhiên liệu CNG được nén trong bình chứa với áp suất 200 bar. Khi bật khoá điện khởi động động cơ, dòng điện qua cuộn dây sinh ra một từ tính làm van điện từ mở ra cho CNG nén từ bình chứa đến bộ giảm áp. Tại bộ giảm áp, áp suất nhiên liệu được giảm xuống giá trị làm việc, sau đó nhiên liệu qua bộ lọc áp suất thấp trước khi dẫn đến vòi phun.
2.1.4. Cung cấp CNG cho động cơ bằng phương pháp phun CNG trực tiếp vào buồng cháy.
Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí CNG bằng phương pháp phun trực tiếp hoạt động tương tự như hệ thống phun gián tiếp chỉ có khác là nhiên liệu được phun trực tiếp vào trong buồng cháy của động cơ.
2.2 Động cơ đốt trong sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG- diesel
2.2.1 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Động cơ diesel được kiểm soát theo tốc độ và tải dựa vào việc điều khiển lượng nhiên liệu cung cấp vào trong buồng đốt. Một bộ phận quan trọng của động cơ là bộ điều tốc. Bộ điều tốc thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp khi động cơ thay đổi tốc độ giúp động cơ chạy ổn định, tránh trường hợp vượt tốc.
+ Nguyên lý hoạt động của động cơ sử dụng nhiên liệu kép (Dual fuel):
Đối với động cơ sử dụng nhiên liệu kép diesel-CNG, có ba kiểu hoạt động như sau:
- CNG được hòa trộn với không khí bằng bộ hòa trộn, sau đó được đưa vào buồng đốt qua supap nạp và được đốt cháy do tiếp xúc với diesel phun mồi vào cuối kỳ nén.
- CNG được phun trên các đường ống nạp sau đó được đưa vào buồng đốt và được đốt cháy khi tiếp xúc với diesel phun mồi.
2.2.2. Đánh giá hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG- diesel so với động cơ sử dụng hệ thống diesel
+ Ưu điểm: Độ tin cậy khi đánh lửa cao, hiệu quả đánh lửa kéo dài và có thể đánh lửa với bất kỳ độ đậm đặc nào của hỗn hợp với điều kiện là mức độ của hỗn hợp CNG- không khí đủ lớn.
- Dễ dàng chuyển đổi sang lại động cơ Diesel khi có sự cố hệ thống khí CNG.
- Hiệu suất nhiệt động học cao.
+ Nhược điểm của phương pháp lưỡng nhiên liệu là tỉ số nén cao làm hạn chế công suất cực đại theo tính chất nhiên liệu khí, trong khi đó việc đánh lửa bằng tia lửa điện cho phép lựa chọn tỉ số nén tối ưu cho từng loại khí sử dụng.
2.3. Động cơ đốt trong sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG - xăng.
2.3.1 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động
- Trong hệ thống nhiên liệu này, ta không tháo bỏ hệ thống nhiên liệu cũ mà chỉ cần lắp đặt thêm hệ thống nhiên liệu CNG mới. Các bộ phận lắp đặt thêm: Bình chứa nhiên liệu CNG, bộ giảm áp, bộ hòa trộn (hoặc hệ thống kim phun và các cảm biến nếu chuyển đổi theo hướng phun khí), đường ống dẫn nhiên liệu CNG, các van vận hành, đồng hồ hiển thị, thiết bị điều khiển cung cấp CNG…
Trên đường nạp của động cơ ta lắp thêm bộ hòa trộn trước bướm ga dùng để hòa trộn không khí với nhiên liệu khí CNG trước khi đưa vào động cơ.
2.3.2. Đánh giá hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG- xăng so với động cơ sử dụng hệ thống xăng.
- Xăng - CNG song song là hệ thống nhiên liệu sử dụng cả hai nhiên liệu vừa xăng vừa CNG độc lập.
- Đặc điểm của hệ thống nhiên liệu xăng và CNG song song.
2.5. Nghiên cứu sản phẩm cháy và mức độ ô nhiễm môi trường của động cơ sử dụng nhiên liệu kép.
CNG (Compressed Natural Gas) là khí thiên nhiên nén, thành phần chủ yếu là CH4 - metane (chiếm 85%- 95%) được lấy từ những mỏ khí thiên nhiên, mỏ dầu (khí đồng hành) hoặc khí nhà máy (thu được trong quá trình sản xuất của các nhà máy lọc dầu), qua xử lý và nén ở áp suất cao (200 đến 250 bar) để tồn trữ vào bồn chuyên dụng và vận chuyển tới các hộ tiêu thụ là các nhà máy có sử dụng nhiệt năng, các khu chung cư.
Kết quả đo lường khí thải:
- Kết quả khi đo lường khí thải ở khu vực đô thị cho thấy xe CNG có lượng phát thải khí CO2 ít hơn 30% so với xe cùng loại sử dụng nhiên liệu diesel.
- Kết quả thu được trên đường cao tốc ở tốc độ 100km/h liên tục thì lượng khí CO2 của xe CNG giảm 35% so với xe diesel mặc dù cùng loại xe, khối lượng, chỉ khác nhiên liệu. Bên cạnh đó việc sử dụng bộ truyền động 6 tốc độ giúp cho xe CNG giảm tới 10% lượng phát thải khí CO2 khi thử nghiệm ở vùng ngoại ô.
CHƯƠNG 3
KẾT CẤU, TÍNH TOÁN CÁC BỘ PHẬN TRÊN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU CNG
3.1. Kết cấu các bộ phận trên động cơ sử dụng nhiên liệu CNG.
3.1.1. Bình chứa CNG.
CNG thông thường được nén trong bình chứa ở áp suất khoảng 220 bar, bình chứa dạng hình trụ và hai đầu hình bán cầu, thể tích 57 lít, vỏ bình chứa được chế tạo bằng thép dày (4-5) mm, bình chứa phải chịu được áp suất thử nghiệm 600 bar để đề phòng nổ vỡ trong trường hợp nó bị sấy nóng (khi bị hỏa hoạn chẳng hạn ).
3.1.2. Van bình chứa.
Van bình chứa cho phép nạp và cấp CNG cho hệ thống, đồng thời trên van có lắp van an toàn để bảo vệ cho bình chứa và hệ thống khi sảy ra sự cố, ví dụ như bị va đập áp suất tăng van an toàn 1 bật ra. Khi bình bị đốt nóng, Trong van an toàn có đĩa cháy làm bằng chì sẽ chảy ra cho CNG thoát ra ngoài.
3.1.3. Van nạp.
Van nạp có tác dụng mở thông bình để nạp CNG vào bình một cách nhanh nhất, đồng thời không cho nạp thêm CNG vào bình khi áp suất trong bình vượt quá áp suất làm việc của bình.
3.1.4. Van điện từ.
Van điện từ có tác dụng điều khiển, đóng mở CNG vào từ đường ống nạp của hệ thống cung cấp nhiên liệu. Khi ta bật công tắc sang chế độ chạy bằng thì van này mở ra cho CNG thoát ra qua đường ống nạp vào hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ.
3.1.6. Cơ cấu tiết lưu.
Cơ cấu tiết lưu có nhiệm vụ hạn chế dòng nhiên liệu của mạch cung cấp chính trước khi cấp vào họng khuếch tán.
Đầu vít điều chỉnh có dạng côn, dạng này cho phép cung cấp nhiên liệu có đường cong dạng phi tuyến phù hợp với đường đặc tính nhiên liệu của động cơ
3.1.8. Van công suất.
Van công suất có nhiệm vụ đóng mở mạch công suất của hệ thống nhiên liệu CNG. Van công suất hoạt động dưới sự điều khiển của mạc điều khiển CNG thông qua tín hiệu nhận từ cảm biến vị trí bàn đạp ga. Van công suất được mở khi bướm ga đạt 80% độ mở.
3.2. Tính toán thiết kế bộ hòa trộn nhiên liệu.
3.2.1. Cấu tạo bộ hòa trộn.
Bộ hoà trộn là bộ phận quan trọng trong hệ thống, nó có nhiệm vụ hoà trộn không khí với CNG ở tỷ lệ phù hợp tạo thành hỗn hợp khí nạp vào động cơ.
3.2.2. Nguyên lý hoạt động.
Để động cơ làm việc được với CNG nhất thiết phải theo quy tắc:
Vận tốc lan truyền mặt tiếp giáp của ngọn lửa đạt cực đại ứng với Ne max và hệ số dư không khí α = 0,83 ÷ 0,88. Có nghĩa là khi hỗn hợp khí – không khí được làm đậm. Mức độ đậm của hỗn hợp cháy cũng giống như khi làm việc với xăng.
* Sự khác biệt giữa bộ trộn và bộ chế hòa khí:
Bộ trộn: nhiên liệu và không khí ở cùng một trạng thái và mật độ gần giống nhau. Do đó quy luật chảy vào hệ thống cũng tương tự. Tỷ lệ gas – không khí tương đối ổn định. Khi tải trọng và vòng quay thay đổi các thành phần của hỗn hợp thay đổi không đáng kể.
Bộ chế hòa khí: nhiên liệu lỏng và không khí khác nhau về trạng thái. Nên thành phần hỗn hợp thay đổi đáng kể khi tải trọng và vòng quay thay đổi.
3.2.3. Một số yếu tố và công thức sử dụng khi nghiên cứu tính toán thiết kế bộ trộn.
Thành phần hỗn hợp gas - không khí là hệ số dư không khí với bộ trộn sơ cấp. Thành phần đó thay đổi liên tục phụ thuộc vào sự thay đổi độ loãng khí trong ống khếch tán (∆pd) của áp suất ở đầu vào miệng phun gas (∆pϕ) và độ loãng khí ở họng hút.
CHƯƠNG 4
KHAI THÁC ĐỘNG CƠ ĐIỂN HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU CNG
4.1. Giới thiệu chung về ô tô INNOVA.
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.
4.2. 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 xupap dẫn động bằng xích thông qua con đội thuỷ lực với hệ thống van nạp biến thiên thông minh VVT-i.
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.
+ Thanh truyền: Được đúc bằng thép hợp kim có đường kính đầu to: f52,989 đến f53,002mm.
4.3. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu CNG.
Ta sử dụng nhiên liệu CNG cho động cơ 1TR-FE lắp trên ô tô INNOVA theo kiểu hệ thống nhiên liệu lỏng và CNG song song là hệ thống nhiên liệu sử dụng cả hai nhiên liệu vừa xăng vừa CNG độc lập.
Đặc điểm của hệ thống nhiên liệu xăng và CNG song song.
+ Ưu điểm: Có khả năng dự trữ năng lượng trên động cơ lớn hơn so với hệ thống nhiên liệu lỏng hoặc hệ thống nhiên liệu CNG đơn. Khắc phục được tình trạng tiếp nhiên liệu do sự hạn chế về cơ sở hạ tầng của CNG.
+ Nhược điểm: Cấu tạo động cơ trở nên phức tạp, rất khó khăn trong việc bố trí, lắp đặt hệ thống nhiên liệu mới. Khó khăn trong việc vận hành, bảo trì, sửa chữa động cơ.
4.4. Thiết kế hệ thống nhiên liệu CNG.
4.4.1 Tính toán thiết kế bộ hoà trộn.
Bộ hoà trộn có nhiệm vụ chuẩn bị hỗn hợp cháy bao gồm khí CNG và không khí cung cấp cho xilanh của động cơ theo các chế độ tải khác nhau, thành phần hòa khí đi vào xilanh động cơ phụ thuộc tốc độ dòng khí qua họng, tốc độ CNG qua vòi phun và thông số cấu tạo của họng và vòi phun.
Bộ hoà trộn có nhiều loại nhưng hai loại có kích thước đơn giản và phù hợp với động cơ:
+ Loại trực giao: Loại trực giao kết cấu đơn giản, hoà trộn giữa không khí và khí CNG được dễ dàng. Đối với loại trực giao có thể bố trí đường ống dẫn khí CNG tại một vị trí hoặc nhiều vị trí xung quanh họng bộ hỗn hợp như hình 4.10.a.
+ Loại cùng chiều: Loại cùng chiều có kết cấu phức tạp hơn, khó bố trí lắp đặt, cản trở đối với dòng khí CNG nhỏ nên lưu lượng lớn, do đó nó chỉ thích hợp cho loại động cơ yêu cầu lưu lượng hỗn hợp cung cấp lớn như hình 4.10.b.
* Lượng tiêu hao nhiên liệu ứng với công suất cực đại:
Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ khi sử dụng CNG là
Ve = 0,2319 (m3/Kwh).
+ Lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giờ
Gnl = Ne.Ve [m3/h]
= 89.0,2319
= 20,639 [m3/h]
= 20,639.pCNG [kg/h]
Khối lượng riêng:
Gnl = 20,639.0,706
= 14.57 [kg/h]
= 0,0040 [kg/s]
* Tính toán buồng hỗn hợp.
+ Chiều dài buồng hỗn hợp:
lb = (0,8÷1,8)db= (34,792 ÷ 78,282) [mm]
Chọn lb = 40 [mm]
* Xác định kích thước họng.
+ Xác định sơ bộ đường kính.
Đường kính họng được quyết định bởi lưu lượng không khí qua họng và tốc độ thực tế không khí qua họng trong giới hạn theo thực nghiệm.
Chọn sơ bộ đường kính của họng dh theo kinh nghiệm.
Loại một họng:
dh=(0,6 ÷ 0,8)db = (0,6 ÷ 0,8).43,49 = (26,1 ÷ 34,8) [mm] [4-3]
Ta chọn dh = 29 [mm].
Δph= 10902,902 [N/m2]
Δph không phải là hằng số theo thời gian, dao động của Δph càng lớn khi số vòng quay động cơ càng thấp và số xilanh càng ít.
+ Đường kính chính xác của họng:
dh = 0,0290 [m]. Chọn dh = 29 [mm].
+ Tính đường kính lỗ phun CNG.
Ta chọn họng hòa trộn loại trực giao có nhiều lỗ phun với số lỗ phun ta chọn là: n = 10 [lỗ].
4.4.2. Tính toán tiết lưu trong mạch cung cấp chính.
Để tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ, trên đường cấp nhiên liệu chính cho động cơ ta tách thành hai đường riêng biệt:
+ Mạch cung cấp chính
+ Mạch công suất
Trong sơ đồ trên:
R : Bán kính lỗ vào, ta chọn R = 3,5 [mm]
H : Đường kính lỗ ra, ta chọn h = 8 [mm]
l : Chiều rộng khe hở tính toán của tiết diện lưu thông.
Ta cần tính toán các kích thước l,r để từ đó tính diện tích xung quanh hình nón cụt giới hạn bởi các kích thước bán kính đáy lớn R, bán kính đáy nhỏ r và đường sinh l.
Ta có:
l = h.sinα
x = h.cosα
a = x.sinα = h.cosα.sinα
r = R - a = R - h.cosα.sinα
Ta có công thức tính diện tích xung quanh Fxq của hình nón cụt như sau:
Fxq = π(R + r)l
Từ các số liệu trên ta suy ra:
Fxq = π(2R – h.cosα.sinα) h.sinα = 2πRhsinα – πh2sinα2cosα
= 2.3,14.3,5.8.sinα – 3,14.82. sinα2cosα [mm2]
= 175,84. sinα – 209,96 sinα2cosα [mm2]
4.4.3. Tính toán ziclơ mạch công suất.
Ziclơ của mạch công suất có nhiệm vụ hạn chế dòng nhiên liệu trong ống dẫn nhằm cung cấp đúng lượng nhiên liệu cần cung cấp qua mạch công suất.
4.5. Khai thác sử dụng nhiên liệu khí CNG trên xe INNOVA
Mục đích của việc bố trí hệ thống cung cấp CNG lên ô tô INNOVA nhằm tạo thêm một hệ thống cung cấp nhiên liệu mới cho động cơ hoạt động độc lập so với hệ thống nhiên liệu nguyên thuỷ. Nhằm đa dạng hoá nguồn nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tăng khả năng dự trữ nguồn năng lượng cho động cơ
4.5.1. Phương pháp lắp đặt bố trí.
Trong quá trình lắp đặt hệ thống CNG lên xe, vấn đề khó khăn là chọn vị trí lắp đặt bình chứa CNG.
Để bố trí bình chứa CNG trên ô tô ta có thể chọn các phương án sau
+ Bố trí trên trần ô tô.
+ Bố trí dưới gầm ô tô.
+ Bố trí ở khoang hành lý.
4.5.2. Các triệu chứng hư hỏng của hệ thống nhiên liệu CNG và biện pháp kiểm tra khắc phục.
A. Động cơ khó hoặc không khởi động được.
a) Nguyên nhân:
+ Không có khí CNG: Bình chứa hết khí hoặc do rò rĩ ở trên đường ống và các chi tiết của hệ thống.
+ Ống dẫn nhiên liệu bị tắc.
+ Van giảm áp của bộ giảm áp bị kẹt làm nhiên liệu không cấp vào được trong bộ giảm áp.
b) Biện pháp kiểm tra khắc phục
+ Kiểm tra trên đồng hồ báo nhiên liệu xem có còn CNG hay không. Nếu hết thì ta nạp vào. Nếu ở bình chứa vẫn còn mà không có nhiên liệu cấp cho động cơ thì ta kiểm tra dọc đường ống dẫn xem có bị rò rĩ hay bị dập không sau đó Sửa chữa hoặc thay thế đoạn ống bị hỏng.
+ Kiểm tra độ mở tiết lưu không tải nếu nhỏ quá thì ta điều chỉnh lại cho phù hợp.
C. Động cơ mất công suất ở tốc độ cao, gia tốc kém.
a) Nguyên nhân
+ Mạch ga bị nghẽn
+ Van công suất không mở
+ Tiết diện lưu thông qua mạch chính nhỏ.
b) Biện pháp kiểm tra khắc phục
+ Van công suất không làm việc là do không có nguồn điện cấp vào hoặc do van bị kẹt. Do vậy ta kiểm tra mối đấu dây xem có lỏng hay không, nếu lỏng thì ta đấu chặt lại. Van bị kẹt có thể do lò xo bị kẹt với chốt dẫn hướng của van, do đó ta tháo ra và sửa chữa.
KẾT LUẬN
Kết luận các kết quả đã thực hiện được:
Sau một thời gian nghiên cứu tìm hiểu về hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG, đề tài đã đạt được một số kết quả sau:
Những vấn đề tổng quát nhiên liệu CNG, tính chất hóa học, tình hình nghiên cứu sử dụng CNG, mức độ ô nhiễm hiện nay đối với ngành công nghiệp động cơ, ô tô trên toàn thế giới.
Quá trình tìm nguồn nhiên liệu mới, những giải pháp đã được đưa ra. Sự ứng dụng rộng rãi của nhiên liệu khí nén CNG với những ưu điểm vượt trội so với các phương án khác.
Thu thập, chọn lọc được những thông tin về nhiên liệu khí nén CNG.
Đưa ra được các phương án chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống sang sử dụng nhiên liệu khí nén CNG.
Đưa ra được các hướng nghiên cứu hiện nay để thực hiện các phương án chuyển đổi đã trình bày.
Tìm hiểu được sự hình thành hỗn hợp CNG – không khí trong động cơ được cải tạo.
Khái quát được quá trình cháy của CNG trong động cơ Diesel cải tạo.
Nghiên cứu, khai thác động cơ điển hình sử dụng nhiên liệu CNG.
Bên cạnh đó cũng có một số nhận định về việc thay thế nguồn nhiên liệu Diesel bằng nhiên liệu khí nén CNG:
Sử dụng nhiên liệu khí nén CNG có thể giảm công suất hoạt động của một số động cơ, nhưng bù lại đó là sự giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nguồn dự trữ khí nén của thế giới là rất lớn.
Vấn đề khó khăn nhất của động cơ khi sử dụng khí thiên nhiên CNG lắp trên các phương tiện giao thông là vấn đề chứa nhiên liệu. Do trạng thái của CNG chứa trong bình nén với áp suất cao nên khả năng chứa rất nhỏ do đó không gian chứa nhiên liệu cũng như khối lượng bình chứa lớn hơn rất nhiều so với nhiên liệu lỏng nên không gian bố trí bình nhiên trên xe rất khó khăn.
Kiến nghị hướng nghiên cứu:
Kết quả nghiên cứu của đồ án cho thấy việc ứng dụng khí thiên nhiên CNG trên động cơ đốt trong mang lại hiệu quả cao đối với các yêu cầu cấp bách hiện nay về: cạn kiệt nhiên liệu, năng lượng, ô nhiễm môi trường. Hệ thống nhiên liệu mới có nhiều ưu điểm nổi trội đặc biệt rất hiệu quả với tình hình giao thông vận tải ở Việt Nam cũng như sử dụng trên các loại động cơ đốt trong tĩnh tại. Tuy nhiên đồ án chỉ mới thực hiện ở mức độ nghiên cứu lý thuyết chưa có điều kiện áp dụng vào thực tiễn nên găp rất nhiều khó khăn trong vấn đề nghiên cứ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lý thuyết Động cơ Đốt trong, Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự, 2002.
2. Tính toán Động cơ đốt trong, Học viện Kỹ thuật Quân sự, 2002.
3. Vật liệu sử dụng trên xe quân sự, TS. Nguyễn Hoàng Nam.
4. Nhiên liệu và môi chất chuyên dung, PGS TS. Nguyễn Văn Nhận.
5. Ô tô và ô nhiễm môi trường, Bùi Văn Ga, Nhà xuất bản Giáo dục 1999.
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"