i

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên SV: Phạm Văn Toản Lớp: 47KTTT Khóa 47
Ngành: Động lực tàu Mã ngành:
Tên đề tài: “Thiết kế chế tạo bộ điều khiển cung cấp LPG và dầu DO khi sử
dụng hỗn hợp này làm nhiên liệu cho máy 4CH-JANMAR”.
Số trang: 66 Số chương: 4 Số tài liệu tham khảo: 8

Hiện vật:….…………………………………………………………………………

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Kết luận:……………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Nha trang, ngày ……tháng……năm 2010
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 Th.S. Đoàn Phước Thọ Th.S. Mai Sơn Hải

Điểm chung
Bằng số Bằng chữ iii

MỤC LỤC

Trang
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3
1.1. Lý do chọn đề tài 3
1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3
1.2.1. Đối tượng nghiên cứu 3
1.2.2. Phạm vi nghiên cứu 3
1.2.2.1. Về mặt lý thuyết 3
1.2.2.2. Về mặt thực nghiệm 4
1.3. Tình hình nghiên cứu và sử dụng khí hóa lỏng (LPG) 4
1.3.1. Trên thế giới 4
1.3.2. Ở Việt Nam 5
1.4. Đặc tính của nhiên liệu LPG 6
1.4.1. Thành phần hóa học 6
1.4.2. Lí tính 6
1.4.3. Chỉ số Octane 8
1.5. Động cơ thí nghiệm ( động cơ Diesel 4CH-JANMAR) 9
1.5.1. Các thông số kỹ thuật của động cơ 9
1.5.2 Đặc điểm làm việc của hệ thống nhiên liệu của động cơ 4CH 12

3.1.3. Van tiết lưu 30
3.1.4. Bộ trộn LPG 31
3.2. Thiết kế bộ điều khiển điện tử cung cấp LPG-DO cho động cơ 33
3.2.1. Sơ đồ khối mạch điều khiển cung cấp LPG và dầu DO 33
3.2.2. Các thiết bị trong hệ thống điều khiển điện tử 33
3.2.2.1. Lựa chọn cơ cấu chấp hành 33
3.2.2.1.1 Phương án điều khiển LPG có sử dụng bộ giảm áp hóa hơi điều
khiển tay ga và van tiết lưu bằng motor bước 33
3.2.2.1.2 Phương án điều khiển LPG có sử dụng bộ giảm áp hóa hơi điều
khiển tay ga và van tiết lưu bằng động cơ servo 36
3.2.2.1.3. So sánh hai phương án trên và lựa chọn cơ cấu chấp hành 38
3.2.2.2. Cảm biến nhiệt độ 39
3.2.2.3 Cảm biến tốc độ 40
3.2.2.4. Van điện từ (solenoil vavle) 42
3.2.2.5. Bộ xử lý trung tâm 43
3.2.2.5.1 Tổng quan về vi điều khiển ATMEGA 16 44
3.2.2.3.2 Đặc điểm của ATMEGA 16 46
3.2.2.5.2. Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm 51

v

3.2.2.5.3. Lưu đồ thuật toán chương trình chính và giải thuật kiểm tra
phím nhấn 52
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 56
4.1.Mục đích 56
4.2.Trang thiết bị thí nghiệm 56
4.3. Sơ đồ bố trí thực nghiệm 56
4.4. Tiến hành thực nghiệm 58
4.4.1.Điều kiện tiến hành thí nghiệm 58
4.4.2. Quy trình tiến hành thực nghiệm 59

rãi.
Hiện nay tôi đang thực hiện đề tài “Thiết kế chế tạo bộ điều khiển cung
cấp LPG và dầu DO khi sử dụng hỗn hợp này làm nhiên liệu cho máy 4CH-
JANMAR”. Đề tài của tôi gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Phân tích và lựa chọn phương án cung cấp DO-LPG cho động cơ.
Chương 3: Thiết kế hệ thống cung cấp DO-LPG cho động cơ.
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm.
Làm đề tài là một cơ hội cho tôi học hỏi và mở mang thêm nhiều kiến thức
mới. Với sự hướng dẫn tận tình của Th.S Mai Sơn Hải và Th.S Đoàn Phước Thọ tôi

2

đã hoàn thành đề tài của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn Th.S Mai Sơn Hải, Th.S
Đoàn Phước Thọ cùng các thầy trong bộ môn động lực và các bạn đã giúp tôi hoàn
thành đề tài này.

Nha Trang, tháng 12 năm 2009
Sinh viên

Phạm Văn Toản

3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN

1.1. Lý do chọn đề tài
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

1.3.1. Trên thế giới
LPG là sản phẩm trung gian giữa khí thiên nhiên và dầu thô, nhiên liệu khí
hóa lỏng có thể thu được từ công đoạn lọc dầu hoặc làm tinh khiết khí thiên nhiên.
Vì vậy, nguồn gốc khí hóa lỏng phụ thuộc vào xuất xứ nhiên liệu. Nói chung trên
thế giới có khoảng 40% LPG thu được từ quá trình lọc dầu thô.
Sử dụng nhiên liệu gaz nén CNG kết cấu cồng kềnh và việc ứng dụng cho
những dòng xe hiện đại gặp không ít khó khăn. Vì vậy ngày nay người ta đã dùng
khí hóa lỏng LPG (liquefied petroleum gas) làm nhiên liệu thay thế cho xăng và
diesel của tất cả các loại ô tô hiện đại. Nhiên liệu LPG đang phát triển rất nhanh,
Autogas LPG đã có hơn 4 triệu chiếc ở 38 nước trên thế giới, nhất là các nước đang
phát triển. Khí hóa lỏng LPG là sản phẩm phụ của nhà máy chế biến dầu mỏ và nhà
máy tách khí. Thành phần chủ yếu của LPG là Butal và Propal hỗn hợp theo tỷ lệ
nhất định và được chứa trong bình với áp suất dưới 20 kg/cm
2
. LPG có tỷ trọng từ
0,5 – 0,25, không màu, không mùi và không có tính độc. LPG chính là một sản
phẩm dầu mỏ được dùng rất phổ biến từ lâu trong các ngành kinh tế quốc dân như
là một nguyên liệu cho các ngành công nghiệp chế tạo hóa chất, chế tạo phân bón,
tổng hợp các chất mỹ phẩm.
Phần lớn lượng khí hóa lỏng thu được hiện nay được sử dụng làm nguồn chất
đốt để sinh nhiệt gia dụng hay công nghiệp. Lượng khí hóa lỏng làm nhiên liệu cho
ô tô đường trường hiện chỉ chiếm một tỉ lệ khiêm tốn: 1% ở Pháp, 3% ở Mỹ, 8% ở
Nhật Tuy nhiên ở một số nước có chính sách khuyến khích sử dụng LPG làm

5

nhiên liệu cho ô tô nhằm mục đích giảm ô nhiễm môi trường thì tỉ lệ này rất đáng
kể, chẳng hạn như Hà Lan, Ý (42%) Các số liệu trên chưa kể những động cơ trên
các ô tô chuyên dụng sử dụng LPG (chẳng hạn ô tô chạy trong sân bay, xe nâng
chuyển, máy móc nông nghiệp )

polyvinylclorua, polypropylen, để sản xuất MTBE là chất làm tăng chỉ số octan thay
thế cho hợp chất chì pha vào xăng.
Hiện nay ở nước ta đã chuyển đổi thành công xe gắn máy chạy nhiên liệu
LPG. Xe gắn máy sau khi lắp bộ chuyển đổi (chi phí khoảng 1,6 triệu) xe có thể
chạy song song hai nhiên liệu. Nhưng việc sử dụng còn chưa rộng rãi. Và tại công
ty cơ khí Ngô Gia Tự đã sản xuất bộ chuyển đổi nhiên liệu và bước đầu lắp đặt trên
khoảng 30 chiếc xe taxi G.
1.4. Đặc tính của nhiên liệu LPG
1.4.1. Thành phần hóa học
Theo tiêu chuẩn Châu Âu, nhiên liệu khí hóa lỏng phải có từ 19 đến 50%
hydrocabure C3 (propane và propylène). Ở Châu Á, thành phần nhiên liệu khí hóa
lỏng khá ổn định, chứa chủ yếu là hydrocarbure C4, chẳng hạn như ở Hàn Quốc chỉ
có butane là khí hóa lỏng được sử dụng chính thức. Ngược lại ở Mĩ thì chỉ có
hydrocarbure C3 được sử dụng. Cũng cần nhấn mạnh thêm rằng nhiên liệu khí hóa
lỏng chứa rất ít lưu huỳnh. Thường nó chỉ chứa từ 40 ÷ 60ppm, thấp hơn rất nhiều
so với tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu (200ppm). Do đó, động cơ dùng LPG phát
rất ít các chất ô nhiễm gốc lưu huỳnh và hiệu quả của bộ lọc xúc tác được cải thiện.
1.4.2. Lí tính
Ở nhiệt độ lớn hơn 0
o
C trong môi trường không khí bình thường với áp suất
bằng áp suất khí quyển, LPG bị biến đổi từ thể lỏng thành thể hơi theo tỉ lệ thể tích
1 lít LPG thể lỏng hoá thành khoảng 250 lít ở thể hơi.
Vận tốc bay hơi của LPG rất nhanh, dễ dàng khuyếch tán, hòa trộn với không
khí thành hỗn hợp cháy. Đây là tính chất rất quan trọng của LPG để nó làm nhiên
liệu thay thế cho động cơ đốt trong.
Tỉ trọng LPG nhẹ hơn so với nước là: Butane từ 0,55 – 0,58 lần, Propane từ
0,5 – 0,53 lần; Ở thể hơi (gas) trong môi trường không khí với áp suất bằng áp suất
khí quyển, gas nặng hơn so với không khí: Butane 2,07 lần; Propane 1,55 lần. Do


3 Thành phần(%khối lượng)
+ Ethane
+ Propane
+ Butane
+ Pentane và các chất khác 40
40 50
50

2
60
60
2

ASTM D2163
4 Ăn mòn lá đồng ở
37,8
o
C/giờ
1A 1A 1A ASTM D1838
5 Nước tự do(%khối lượng) 0 0 0
6 Sulphur sau khi tạo mùi 20 25 30 ISO 4260
7 Cặn còn lại sau khi hóa hơi
(%khối lượng)
0 0 0,05 ASTM D2158

1900
2900

12 Tỷ lệ hóa hơi: Lỏng-hơi 250 lần
13 Giới hạn cháy trong không
khí(% thể tích)
2-10
Bảng1-2. So sánh LPG và các loại nhiên liệu cổ điển
Thông số đặc trưng Eurosuper Diesel Propane
thương
mại
Butane
thương
mại
LPG
Khối lượng riêng (kg/dm3)

0,725-
0.780
0,820-
0,860
0,51 0,58 0,51-0,58
Nhiệt trị thấp PCI
- theo khối lượng (MJ/kg)
- theo thể tích (MJ/dm3)

42,7

(98)
100
100
85
92
99
80
83

9

1.5. Động cơ thí nghiệm ( động cơ Diesel 4CH-JANMAR)
1.5.1. Các thông số kỹ thuật của động cơ
Động cơ 4CH là động cơ của hãng Yanmar dùng cho các loại tàu thủy cỡ
nhỏ. Động cơ 4CH là loại động cơ Diesel có 4 xilanh thẳng hàng. Làm mát hai
vòng:
B
ộ góp khí nạpBơm cao áp
Bình l
ọc nhi
ên li
ệu

C


Máy phát đi
ện

B
ộ góp khí nạp

Hình 1-1: Sơ đồ động cơ 4CH L
ỗ thông h
ơi 10

 Hệ kín: nước ngọt tuần hoàn kín làm mát cho động cơ.
 Hệ hở: nước ngoài tàu làm mát cho nước ngọt và dầu bôi trơn.
Động cơ 4CH là loại không tăng áp.

Bảng 1-4. Các thông số kỹ thuật của động cơ 4CH
Tên các thông số Đơn vị Giá trị
Kiểu động cơ 4CH
Kiểu buồng đốt Buồng cháy thống nhất
Số xilanh 4
Đường kính xilanh v
à
hành trình piston
mm(in) 105

Dung lượng bình l
àm mát
nước ngọt
16 lít
Kiểu hệ thống Bôi trơn áp lực

11

Bơm dầu Bơm bánh răng
Bộ lọc dầu Lõi lọc bằng giấy hai lớp
Làm mát dầu Sinh hàn dạng ống, làm mát b
ằng
nước biển
Van điều chỉnh áp lực dầu Dạng trụ, với vít điều chỉnh ngoài
Hệ thống bôi trơn
Dung tích dầu 12.5 lít
Bơm cao áp Kiểu bosch - bơm cụm
Bộ điều tốc Điều tốc ly tâm nhiều chế độ
B
ộ tự động điều chỉnh thời
gian
Kiểu ly tâm
Vòi phun Nhiều lỗ
Góc phun sớm 18
o
Áp suất phun kg/cm
2

piston để hòa trộn với lượng không khí đang chuyển động xoáy và sau đó tự bốc
cháy.
Lực cung cấp từ bơm cao áp tới vòi phun được tự động điều chỉnh theo chế
độ làm việc của động cơ nhờ cơ cấu tự động điều chỉnh lượng cung cấp.
Nhiên liệu còn dư từ vòi phun sẽ được hồi về thùng chứa qua ống dầu hồi.
Hình 1-2. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ 4CH - JANMAR
ống cao áp
Đường
dầu
hồi
Vòi phun
Bơm cao áp
Bộ điều tốc
Bình lọc bổ sung
Bơm tay
Bình lọc
nhiên liệu
Két nhiên liệu Bầu lọc thô
Bầu lọc tinh

13

1.5.2.2 Bộ điều tốc
1.5.2.2.1. Điều kiện để động cơ khởi động
Khi cần điều khiển được kéo đến vị trí dừng tốc độ lớn nhất, nó sẽ di chuyển
hết hành trình. Khi đó cần áp lực sẽ được lò xo điều tốc kéo tới khi chạm vào vít
dừng đầy tải. Quả văng không dịch chuyển trong suốt khoảng thời gian đó và thanh

Tay gạt

Khớp hãm
di đ
ộng14
1.5.2.2.2. Điều kiện động cơ làm việc ở chế dộ không tải
Khi động cơ khởi động, cần điều khiển trở về vị trí không tải, lò xo điều tốc
không hoạt động. Quả văng kéo ra theo hướng tâm kính ở tốc độ thấp, còn cần áp
lực kéo trở lại cho đến khi nó tiếp xúc với lò xo không tải thay thế. Ở vị trí này cần
Lò xo điều tốc
Tay gạt
Cần điều khiển
Quả văng
Thanh răng
Hình 1-5. Bộ điều tốc ở chế độ không tải

Hình 1-4. Bộ điều tốc ở chế độ khởi động

Tốc độ dừng lớn nhất
Cần áp lực
Vít dừng đầy tải

1.5.2.2.4. Điều kiện dừng động cơ
Kéo cần điều khiển tới vị trí dừng, thanh răng di chuyển tới vị trí ngừng cấp
nhiên liệu mà không phụ thuộc vào vị trí của cần điều khiển. Động cơ được dừng
lại.

Hình 1-7. Bộ điều tốc ở vị trí dừng động cơ

Thanh kéo dừng

17

CHƯƠNG 2
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN
CUNG CẤP LPG-DO CHO ĐỘNG CƠ

2.1. Giải pháp kỹ thuật để động cơ có thể sử dụng nhiên liệu nhiên liệu LPG
Cho đến nay, hệ thống phun nhiên liệu khí vào đường nạp nhờ độ chân
không tại cổ góp nạp được dùng phổ biến nhất. Tuy nhiên, những hệ thống phun
nhiên liệu mới đang được nghiên cứu áp dụng thể hiện được nhiều ưu điểm hơn,
đặc biệt là hệ thống phun nhiên liệu ở dạng khí hóa lỏng ngay trước soupape nạp.
Hệ thống này có ưu điểm ngăn chặn sự bốc cháy của hỗn hợp trên đường nạp, hiệu
suất của động cơ được nâng cao và mức độ ô nhiễm giảm đi đáng kể.
LPG có thể cung cấp cho động cơ ở dạng khí hay dạng lỏng. Ưu điểm của
việc sử dụng LPG dưới dạng khí là tăng sự đồng nhất hoàn toàn của hỗn hợp gas –

Lượng nhiên liệu phun mồi cần thiết bằng lượng nhiên liệu để duy trì chế độ
không tải của động cơ Diesel. Mục đích là để đốt cháy kiệt lượng nhiên liêu LPG
đưa vào và chuyển đổi dễ dàng sang dùng chỉ mình nhiên liệu Diesel khi động cơ
đang hoạt động với hỗn hợp Diesel-LPG. Nếu không có đủ lượng nhiên liệu Diesel
để duy trì chế độ không tải thì khi cắt nhiên liệu LPG thì động cơ sẽ bị chết máy.
*Ưu điểm của đánh lửa bằng cách phun nhiên liệu mồi:
 Độ tin cậy khi đánh lửa khá cao, hiệu quả đánh lửa kéo dài và có thể đánh
lửa ở bất kỳ độ đậm đặc nào của hỗn hợp với điều kiện mức độ rối của hỗn hợp
LPG-không khí đủ lớn.
 Dễ dàng chuyển về sử dụng nhiên liệu Diesel khi không dùng LPG.
 Hiệu suất động học cao.
*Nhược điểm của đánh lửa bằng cách phun nhiên liệu mồi:
Tỷ số nén cao làm hạn chế công suất cực đại theo tính chất của nhiên liệu khí
hóa lỏng. Khả năng chống kích nổ của LPG cao nhưng nếu tỷ số nén cao hơn mức
cho phép sẽ gây ra hiện tượng kích nổ và gây hư hỏng cho động cơ.

19

2.2. Phân tích một số hệ thống sử dụng LPG-DO sẵn có trên động cơ Diesel
hiện nay
Sơ đồ tổng thể hệ thống nhiên liệu LPG và diesel song song [8]
Cho đến nay phương án chung để cung cấp LPG trên động cơ người ta đều
sử dụng hệ thống cung cấp DO-LPG song song. Ta có sơ đồ tổng thể hệ thống nhiên
liệu LPG và diesel song song: Hình 2-1. Sơ đồ hệ thống LPG và diesel song song có sử dụng
bộ phận điều khiển điện tử
Lượng nhiên liệu LPG và diesel được điều khiển bởi mô đun điều khiển sẽ
đưa tới hiệu quả cao về mặt hiệu suất nhiệt, đồng thời cung cấp lượng nhiên liệu