TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009

56

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHUN LPG TRÊN ĐƯỜNG
NẠP CHO ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC
A STUDY OF AN ELECTRONIC CONTROLLER FOR LPG INJECTION INTO THE
INTAKE MANIFOLD OF SPARK IGNITION ENGINES

Phạm Quốc Thái – Phan Minh Đức – Nguyễn Văn Minh Trí
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT
Khí dầu mỏ hóa lỏng đã được khẳng định là nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong,
góp phần đa dạng hóa nguồn nhiên liệu và giảm ô nhiễm do khí xả. Tuy nhiên, để ứng dụng nó
có hiệu quả cao cần thiết phải ứng dụng thành tựu của lnh vực điều khiển điện t vào hệ thống
cung cấp nhiên liệu của động cơ. Bài báo đã nghiên cứu tính toán lượng nhiên liệu, thời gian
phun nhiên liệu LPG cần thiết và thiết kế hệ thống điều khiển phun LPG trên đường nạp của
động cơ. Hệ thống này hoạt động kết hợp với bộ điều khiển phun xăng nguyên thủy. Thực
nghiệm được tiến hành trên động cơ DAEWOO A16 DMS, ở chế độ tải cục bộ với các số vòng
quay khác nhau. Kết quả cho thấy, bộ điều khiển hoạt động ổn định, đáp ứng các chế độ làm
việc ổn định của động cơ. Khi s dụng bộ điều khiển phun LPG, mô men và hiệu suất biến đổi
năng lượng của động cơ tăng và mức độ phát thải CO, HC và NOx trong khí xả giảm so với khi
dùng xăng.
ABSTRACT
Liquified petroleum gas (LPG) has been confirmed as an preferably alternative fuel in
the current situation. However, it is indispensible to apply an electronic controller to the fuel
system to achieve better engine performance and efficiency and exhaust gas emission. In this
study, an electronic controling system can be designed on the basis of an analysis of fuel
requirement and metering for an engine powered by LPG as well as the effect of engine
parameters on the LPG flow rate. The system cooperates with the ECU gasoline to produce the

tiếp với ECU động cơ để nhận xung tốc độ động cơ và xung điều khiển vòi phun xăng.
Ngoài ra, còn nhận thêm các tín hiệu từ hệ thống cung cấp LPG, bao gồm: nhiệt độ khí
LPG trước vòi phun LPG, áp suất khí LPG trước và sau vòi phun LPG. Từ đó, nó tạo ra
tín hiệu điều khiển phun LPG.
2. Cơ sở lý thuyết về hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ
Đối với động cơ phun xăng
nguyên thủy, lưu lượng
xăng phun căn cứ chủ yếu
vào lưu lượng không khí
nạp và được điều chỉnh
tăng/giảm thêm tùy theo
chế độ làm việc của động
cơ [2]. Khi chuyển đổi,
lượng LPG được phun phải
cháy hết để đảm bảo tính
kinh tế . Do đó, thông số
điều khiển chính là lưu
lượng LPG phun vào,
tương ứng với lượng không
khí nạp . Tín hiệu điều
khiển phun LPG phụ thuộc
tín hiệu điều khiển phun
xăng và được hiệu chỉnh
thêm theo các tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ khí LPG, độ chênh áp suất trước và sau vòi
phun LPG (do có sự khác biệt khi lắp trên động cơ so với khi ca-lip vòi phun).
:
Tính toán thời gian phun của vòi phun ga LPG
Quan hệ giữa lưu lượng khối lượng không khí Q
kk
được nạp vào động cơ và lưu

− t
X
và t
G
− K
là thời gian phun của các vòi phun xăng và LPG;
X
và K
G
− (A/F)
là các hằng số đặc trưng (ở điều kiện khi ca-lip các vòi phun) của
vòi phun xăng và LPG;
X
và (A/F)
G
Như vậy, với cùng lượng không khí nạp vào động cơ, thời gian phun LPG và
xăng (ở điều kiện ca-lip vòi phun) có quan hệ:
là tỷ lệ không khí-xăng và không khí-LPG cháy hoàn toàn
lý thuyết;

XX
GX
GG
K (A / F)
t = . . t
K (A / F)
(3)
Thực tế, do điều kiện hoạt động, bao gồm nhiệt độ khí LPG và độ chênh áp suất
trước và sau vòi phun LPG, khác với điều kiện khi ca-lip vòi phun nên thời gian phun
thực tế cần phải được hiệu chỉnh.

G
và A
G
là hệ số lưu lượng và tiết diện thông qua của vòi phun LPG, liên
quan với hệ số đặc trưng của vòi phun LPG ở điều kiện ca-lip bởi:
K
G
= A
G
. C
G
− p
;
o
và

p
T
− ρ
là áp suất “stagnation” của khí ga trước vòi phun và tại đế kim
phun;
G
Đại lượng M đặc trưng cho sự ảnh hưởng tính nén của dòng môi chất đến lưu
lượng qua vòi phun. Đối với chất khí, khi chênh áp qua vòi phun không lớn, có thể xem
M ≈ 1. Đối với hệ thống phun LPG trên đường nạp, ∆p
và γ là khối lượng riêng và tỷ số nhiệt dung của LPG trong ống vòi phun;
G
Trạng thái của khí trong đường ống được xác định bởi:
< 1 [bar].


đến 330K trong khi chênh áp thay đổi từ 0,5 đến 1 bar. Sự ảnh hưởng của áp suất đến
lưu lượng ga là hơn hơn nhiều so với sự ảnh hưởng của nhiệt độ khí ga. Như vậy, thời
gian phun LPG cho động cơ thực tế có thể được xác định bởi:
là hằng số chất khí chung và khối lượng phân tử khí LPG.

XX
GX
GG
K (A / F)
t = . . t
K (A / F)
. K
T
. K
p
. K
∆p
Ở đây, K
(7)
T,
K
p,
và K
∆p
lần lượt là các đại lượng hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng
sự thay đổi nhiệt độ, áp suất khí ga trước vòi phun ga, độ chênh áp suất qua vòi phun ga.
Sự thay đổi độc lập nhiệt độ, áp suất làm thay đổi tuyến tính giảm, tăng khối lượng
riêng của ga nên K
T
và K


Hình 2 - Sơ đồ khối bộ điều khiển phun LPG cho động cơ đánh lửa cưỡng bức

TP CH KHOA HC V CễNG NGH, I HC NNG - S 4 (33).2009

60Hỡnh 3 - S nguyờn lý mch iu khin phun LPG
Vi mch iu khin c thit k s dng chip AT89S52 ca hóng Atmel; cú b

nh EEPROM 8K thun li cho vic lp trỡnh iu khin; tc v kh nng x lý
nhanh ỏp
ng c yờu cu ca h thng iu khin[3]. Ngoi ra, cũn cú b chuyn i
ADC 0804, mch khuch i v cụng sut IRF540, ULN2803 v mt s linh kin khỏc
chuyn cỏc tớn hiu tng t: nhit , ỏp sut LPG vo vi iu khin x lý.
B
iu khin s thu thp cỏc tớn hiu t cỏc cm bin: nhit , ỏp sut khớ LPG,
tc ng c, xung iu khin vũi phun xng t ECU xng. T ú tớnh toỏn, x lý v
a ra xung iu khin vũi phun khớ LPG phự hp cỏc ch lm vic ca ng c.

3.2. Lu thut toỏn v chng trỡnh iu khin phun LPG
Lu thut toỏn v bng mch b iu khin c mụ t trờn hỡnh 4 v 5.
Chng trỡnh iu khin c vit bng ngụn ng Assembly.

LAèM VIC
GOĩI CHặNG TRầNH CON
OĩC NHIT ĩ
(ADC 0804)
GOĩI CHặNG TRầNH CON
OĩC AẽP SUT
(ADC 0804)
BếT ệU
Hỡnh 4 - Thut toỏn iu khin
Hỡnh 5 - Bng mch iu khin
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009

61 4. Thực nghiệm và kết quả
5
1
2
4 6
7
8
3

1. Bộ điều khiển LPG;
2. Bộ điều khiển xăng ;
3. Công tắc xăng/LPG;

ình 7 và 8 cho thấy, ứng với độ mở bướm ga 75% ở tất cả các số vòng quay, mô
men động cơ khi dùng LPG cao hơn khi dùng xăng, khoảng 1% đến 4%. Hiệu suất biến
đổi năng lượng của động cơ khi dùng LPG cũng cao hơn từ 1% đến xấp xỉ 4%. Kết quả
này có thể do sự cải thiện quá trình cháy của nhiên liệu khí LPG chiếm ưu thế hơn so
với sự giảm hệ số nạp khi nạp nhiên liệu khí. Hơn nữa, do khí LPG có áp suất xấp xỉ 1,5
bar được phun vào đường nạp, nên cũng có xu hướng cải thiện chất lượng nạp.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4 (33).2009

62

20
30
40
50
60
0
50
100
150
200
2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800
Công suất, P [KW]
Mô men đ ộng cơ, T [Nm]
ne [v/ph]
Công suất & mô men động cơ
T_X
T_G
P_X
P_G


như hình 9. Hơn nữa, như hình 10, hàm
lượng HC từ khoảng 250-300 khi dùng
xăng giảm còn 170-220 ppm thể tích khi
dùng LPG. Chất lượng quá trình cháy
được cải thiện dẫn đến hàm lượng của
HC, CO đều giảm. Ngoài ra, do LPG có
tỷ lệ H/C thấp hơn nên cũng làm cho
nồng độ CO và HC giảm khi chạy LPG.

Kết quả trên hình 11 cho thấy điểm đáng chú ý là, NOx cũng giảm đáng kể
khoảng 1100 ppm thể tích xuống dưới 500 ppm, trong khi cả HC và CO đều giảm khi
động cơ dùng LPG. Kết quả giảm NOx này là sự tác tổng hợp của nhiều nhân tố. Xu
hướng giảm NOx (do nhiệt độ đoạn nhiệt và tốc độ cháy thấp hơn của LPG [5], tỷ lệ
A/F cao hơn của hỗn hợp LPG -không khí [2]) lấn át xu thế tăng NOx do tăng tốc độ
cháy trong giai đoạn đầu của quá trình cháy LPG.
100
150
200
250
300
350
2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800
Hàm lượng HC [ppmV]
ne [v/ph]
So sánh Hàm lượng HC
HCX
HCG

Hình 10 – So sánh hàm lượng HC trong khí
thải khi dùng LPG và khi dùng xăng

[2] John B. Heywood (1988), Internal Combustion Engine Fundamentals, Mc- Graw
Hill, USA.
[3] Nguyễn Tăng Cường (2004), Cấu trúc và lập trình họ vi điều khiển 8051, NXB
Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
[4] Daewoo Motor Co. LTD (2001), Service Training Manual_Electrical Wiring
Diagram, Korea.
[5] Glassman (2008), Combustion, Elsevier Inc., London, UK.