BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG
NHIÊN LIỆU KÉP (LPG - DIESEL)
S

K

C

0

0

3

9
3

5
1

9
4



Chương 1

TỔNG QUAN
1.1 Lý do chọn đề tài:
Trong quá trình phát triển kinh tế, xã hội của thế giới nói chung và của Việt Nam
nói riêng, mạng lưới giao thông vận tải có vai trò vô cùng quan trọng trong việc vận
chuyển con người và hàng hóa. Dẫn đến số lượng xe tham gia lưu thông trên đường
ngày một tăng lên. Việc gia tăng của các loại xe cơ giới, ô tô và các loại máy sử dụng
nguồn nhiên liệu hoá thạch đã làm cho nguồn nhiên liệu này ngày càng cạn kiệt (theo
dự báo nguồn nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt trong khoảng 30 đến 50 năm tới). Nguy
hiểm hơn, các loại ô tô sử dụng nguồn nhiên liệu này đã làm ô nhiễm môi trường do
các khí độc hại như NOx, CO, CO2, HC… từ động cơ thải ra (đây chính là nguồn gây ô
nhiễm chính đối với môi trường sống hiện nay). Ngoài ra, các tiêu chuẩn về môi
trường đặt ra buộc các nhà sản xuất và nhập khẩu phải tuân theo. Tìm kiếm các nguồn
năng lượng thay thế, kiểm soát ô nhiễm môi trường ngày càng tốt hơn, bảo vệ sức
khỏe của con người… đang là nhiệm vụ đặt ra cho con người hiện nay.
So với trước kia, ô tô ngày nay đã sạch hơn rất nhiều. Các công nghệ mới được
ứng dụng trên xe: cải tiến buồng đốt, sử dụng công nghệ điều khiển phun xăng - đánh
lửa điện tử, gắn bộ xúc tác trên ống xả…đã giảm đi một lượng đáng kể khí thải độc
hại. Tuy nhiên, các giải pháp đó chỉ đáp ứng một phần trong việc kiểm soát khí thải và
vẫn cần nhiều nỗ lực hơn nữa từ phía các nhà nghiên cứu, sản xuất.
Gần đây, những công trình nghiên cứu sử dụng khí đồng hành dầu mỏ hóa lỏng
(LPG) cho các phương tiện giao thông trên thế giới cũng như tại Việt Nam đã có
những kết quả khả quan. LPG là loại nhiên liệu có nhiều ưu điểm: khi sử dụng LPG
trên xe chạy xăng đốt cháy cưỡng bức có thể giảm ô nhiễm khí thải mà vẫn duy trì
được công suất của động cơ, giá thành tương đối rẻ và dễ sử dụng…Còn khi sử dụng
hỗn hợp LPG + Diesel trên động cơ thì các chỉ tiêu về ô nhiễm môi trường và khả
năng mang tải của động cơ diesel được cải thiện, các chi phí chuyển đổi hệ thống
nhiên liệu của động cơ thấp, các kết cấu của động cơ không bị thay đổi nhiều…

hệ thống mới có thể dùng nhiên liệu kép (LPG – Diesel).
- Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển điện tử hệ thống cung cấp LPG cho động cơ
Diesel Toyota 3C-TE.
- Lập trình cho mạch điều khiển Phun LPG theo tốc độ động cơ, vị trí bàn đạp ga
và điều chỉnh thời điểm phun dầu Diesel.
1.3 Phương pháp nghiên cứu:
Các phương pháp sau được sử dụng để thực hiện đề tài:
- Phương pháp tham khảo tài liệu: tham khảo các công trình nghiên cứu về việc
ứng dụng LPG, tính chất lý hóa của các loại nhiên liệu diesel và LPG...
- Phương pháp tính toán: tính toán các số liệu dựa vào nguyên lý động cơ đốt
trong và cấu tạo các cảm biến.
- Phương pháp lập trình vi điều khiển: thu thập số liệu, xử lý số liệu và xuất số
2


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

liệu cho các cơ cấu chấp hành.
- Phương pháp thực nghiệm: Thực nghiệm các vấn đề nghiên cứu trên động cơ
Toyota 3C-TE.
1.4 Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel Toyota
3C-TE. Thiết kế, chế tạo lại hệ thống cung cấp nhiên liệu cho phù hợp với việc sử
dụng kết hợp LPG và diesel.
1.5 Giới hạn của đề tài:
Nghiên cứu thiết kế điều khiển hệ thống cung cấp LPG cho động cơ Toyota 3CTE theo các chế độ hoạt động của động cơ, đồng thời điều chỉnh lưu lượng và thời
điểm phun Diesel để động cơ hoạt động ổn định, phát huy tối đa công suất và giảm các
khí thải độc hại cho môi trường.

Công suất giảm khoảng 5% - 10% và nồng độ bồ hóng giảm 15% - 20%.
“Research and install the LPG supply system to diesel engine VIKYNO RV 125”,
Do Van Dung, Le Thanh Phuc, Huynh Phuoc Son, Le Viet Hung APAC15, Hanoi [9].
Đề tài ứng dụng kỹ thuật nhiên liệu kép trên động cơ diesel có sẵn trên thị trường,
Vikyno RV125, kim phun lắp trên đường ống nạp. Kết quả nghiên cứu cho thấy động
cơ dual fuel, về cơ bản, đảm bảo các yêu cầu và tiết kiệm hơn động cơ diesel tương
ứng.
“Pilot – ignited natural gas combustion in diesel engines”, Peter Mtui, The
University of British Columbia [10].
Nghiên cứu quá trình cháy của khí thiên nhiên được mồi lửa bởi diesel. Kết quả
cho thấy quá trình cháy của diesel-gas có cùng khoảng thời gian chuẩn bị đánh lửa và
thời gian cháy so với động cơ diesel cơ sở. Quá trình cháy của diesel-gas êm hơn so
với động cơ diesel cơ sở.
“Simultaneous diesel and natural gas injection for dual-fuelling compressionignition engines”, Timothy Ross White, School of Mechanical and Manufacturing
Engineering, The University of New South Wales [11].
Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm và mô phỏng quá trình phun
nhiên liệu đồng thời vào trong buồng đốt bằng một kim phun kết hợp, từ đó tìm ra áp
suất phun tối ưu, kích thước lỗ kim phun và góc kim phun để chùm tia phun được phân
tán và hóa hơi tốt nhất.

4


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

Chương 2

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ


- 90% được chưng cất ở

370 C

nhiên liệu diesel
1. Trị số cetan

Phương pháp
thử
ASTM D 976

0

2. Thành phần chưng cất, t C
0

TCVN

370 C

0

2693 – 95

1,8 ÷5,0

1,8÷5,0

ASTM D 445

7. Hàm lượng nước, tạp chất cơ

≤0,05

≤0,05

học (% V)

2693 – 95
0

9. Ăn mòn mảnh đồng ở 50 C
trong 3 giờ

TCVN

0

N1

0

N1

TCVN
2694 – 95
5


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm


Hình 2.1: Công thức hóa học của propane
Butane
Butane là một hydrocarbon có trong khí thiên nhiên và có thể thu được từ quá
trình tinh luyện dầu mỏ. Butane là một alkane thể khí, gồm có các hydro cacbon chứa
4 nguyên tử cacbon, chủ yếu là n- butane và iso-butane. Công thức hóa học của butane
là C4H10 và có công thức cấu tạo như Hình 2.2.

Hình 2.2: Công thức hóa học của butane

Mecaptan
Mecaptan là một chất được pha trộn vào LPG với tỉ lệ nhất định làm cho LPG
6


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

có mùi đặc trưng, để dễ phát hiện khi bị xì hoặc rò rỉ. Thường LPG là không màu,
không mùi.
2.1.2.2 Tính chất vật lý của LPG
LPG được mỏ gọi là khí dầu hóa lỏng vì các chất khí này có thể được hóa lỏng ở
nhiệt độ bình thường bằng cách gia tăng áp suất vừa phải, hoặc ở áp suất bình thường
bằng cách sử dụng kỹ thuật làm lạnh để làm giảm nhiệt độ.
Các thông số kỹ thuật của LPG so sánh với xăng và dầu Diesel được giới thiệu
trong bảng 2.2.
Bảng 2.2: Các thông số kỹ thuật của LPG so sánh với xăng (petrol) và dầu diesel
Đặc tính


-43

-0.5

30-225

150-560

4. Nhiệt độ tự cháy (0C)

482

405

257

210

5. RON

111

103

96-98

-

6. MON


15.8

15.6

14.7

14.4

Trên thực tế người ta sản xuất propane và butane riêng biệt, sau đó trộn theo tỷ lệ
thích hợp. Việc chọn lựa tỷ lệ thích hợp dựa theo các yếu tố sau:
+ Nguồn cung cấp có thành phần như thế nào.
+ Propan là chất dễ bay hơi do vậy dễ bắt cháy hơn nhất là trong điều kiện khí
hậu lạnh vào mùa đông. Ví dụ ở châu Âu tỷ lệ thường dùng là 50:50 nhưng vào mùa
hè có thể giảm propane, tăng butane lên thành 40:60.
Ở Việt Nam, hiện nay vẫn chưa có propane và butane riêng biệt, LPG từ nhà máy
Dinh Cố hầu như là hỗn hợp 50:50.

7


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

2.2 Các phương pháp cải tạo động cơ diesel thành động cơ sử dụng LPG
Hiện nay có 3 cách để cải tạo động cơ diesel sang động cơ sử dụng LPG:
- Chuyển sang động cơ đánh lửa LPG bằng bugi.
- Phun LPG trực tiếp vào trong xy lanh, đốt cháy bằng bugi xông.
- Giữ lại hệ thống phun diesel và bổ sung LPG trên đường ống nạp (CDF).
2.2.1 Chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ LPG đánh lửa bằng bugi

Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu
động cơ Diesel chuyển đổi sang phun trực tiếp LPG
Nguyên lý hoạt động:
Động cơ phun LPG trực tiếp hoạt động dựa trên việc phun trễ một lượng nhiên
liệu áp suất cao vào trong buồng cháy động cơ đốt trong giống như động cơ diesel.
Cũng giống như động cơ diesel, LPG được phun vào cuối kỳ nén. LPG có nhiệt độ tự
bốc cháy lớn hơn diesel (10000C so với 5000C) vì vậy, sẽ không dễ dàng bốc cháy
trong một buồng đốt có nhiệt độ và áp suất giống như động cơ diesel thường. Để đốt
cháy LPG, một bề mặt tiếp xúc nhiệt độ cao, như bugi xông làm bằng gốm, được sử
9


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

dụng trong buồng đốt như Hình 2.6. Đầu bằng gốm có nhiệt độ 1200 – 13000C, được
cách nhiệt để đốt cháy nhiên liệu tốt hơn. Hệ thống nung nóng được kiểm soát để duy
trì nhiệt độ của đầu bugi xông ổn định, đốt cháy tối ưu. Kim phun với lượng nhiên liệu
được ấn định bằng độ rộng xung cung cấp LPG trực tiếp vào buồng đốt.
Ngoài ra còn có bộ xúc tác làm giảm tối đa lượng khí xả độc hại. Việc kết hợp
giữa LPG và hiệu suất hoạt động cao đã giảm đáng kể lượng NOx khi so sánh với động
cơ diesel và động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức tương ứng.
- Nồng độ chất thải dạng hạt (PM) trong khí thải gần như bằng 0.
- Giảm 20% lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (chủ yếu là CO2) so với động cơ
diesel tương ứng.
- Tăng 25% hiệu suất nhiên liệu so với động cơ khí thiên nhiên đốt cháy cưỡng
bức.
2.2.3 Chuyển đổi động cơ Diesel thành động cơ nhiên liệu kép Diesel-LPG


- Thiết bị điều khiển phức tạp.
11


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

2.3.1.2 Sử dụng họng VENTURY

Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống cung cấp LPG sử dụng họng VENTURY
Ưu điểm:
- Đơn giản và dễ chế tạo.
- Cho phép chuyển đổi nhiên liệu dễ dàng.
- Ít thay đổi kết cấu.
- Phù hợp để cải tạo cho xe đã qua sử dụng.
Nhược điểm:
- Đáp ứng tải chậm.
- Làm giảm lượng không khí nạp cho động cơ.
2.4. Một số kết quả thực nghiệm trên động cơ và trên xe sử dụng nhiên liệu kép
Diesel – LPG:
2.4.1 Thử nghiệm sử dụng LPG _ Diesel trên động cơ VYKYNO RV125
12


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

Bộ đo gió

nghiệm trên, động cơ VIKYNO RV125 chạy nhiên liệu kép có các kết quả như sau:
13


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

- Công suất cực đại đạt 93.6%.
- Đạt được 100% công suất định mức.
- Thành phần bồ hóng và NOx trong khí thải giảm đáng kể.
- Lượng LPG thay thế 52.57% diesel, tiêu phí nhiên liệu giảm 21.32%.
Kết quả thực nghiệm trên động cơ VYKINO RV125 cho thấy các đặc tính về công
suất vẫn đảm bảo trong khi tiết kiệm chi phí nhiên liệu và ít ô nhiễm môi trường hơn
đã khẳng định tính ưu việt của việc chuyển đổi động cơ diesel dùng nhiên liệu kép.
2.4.2 Thử nghiệm sử dụng LPG – Diesel trên động cơ Ford Ranger WL

Hình 2.11: Sơ đồ bố trí thử nghiệm động cơ Ford Ranger trên
2.4.2.1 Kết quả thực nghiệm về công suất và moment

Hình 2.12: Sử dụng 100% diesel

Hình 2.13: Sử dụng nhiên liệu kép
Diesel + LPG
14


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ


9,14

Kết quả thực nghiệm cho thấy moment xoắn cực đại khi sử dụng nhiên liệu kép
giảm 9,4%, công suất định mức giảm 9,14%.
2.4.2.2 Kết quả thực nghiệm kiểm tra khí thải của động cơ
Việc kiểm tra khí thải của động cơ được thí nghiệm trên thiết bị đo khí thải của
phòng thí nghiệm ô tô của Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM.
Thí nghiệm kiểm tra khí thải được thực hiện ở 3 chế động tốc độ khác nhau
(700v/p, 1800v/p, 3000v/p) với động cơ hoạt động với nhiên liệu Diesel và động cơ
hoạt động với nhiên liệu kép LPG – Diesel.
Kết quả thí nghiệm như sau:
Bảng 2.4: Kết quả đo nồng độ khí thải của động cơ.
n (v/p)

700

1800

3000

Độ mờ khói (%)
CO (%)
CO2 (%)
HC (ppm)
NOx (%)
Độ mờ khói (%)
CO (%)
CO2 (%)
HC (ppm)

32
0.26
55
0.06
2.4
29
0.27
45
0.06
3.6
30
0.26

1
48
0.03
2.3
43
0.19
45
0.07
2.2
39
0.25
42
0.07
3.3
37
0.22


thay thế diesel khoảng 32%, moment động cơ giảm 9,4%, công suất giảm 9.14%. Chi
phí nhiên liệu giảm 3,64%.
Về các chỉ tiêu về khí thải: Các chỉ số về CO, CO2, NOx đều giảm khi sử dụng
nhiên liệu kép LPG – Diesel. Độ mờ khói (Bù hóng) của quá trình cháy giảm nhiều ở
chế độ 1800v/p. Tuy nhiên lượng HC tăng lên do không đốt cháy hoàn toàn HC của
thành phần khí hóa lỏng LPG.
2.4.3 Thử nghiệm trên xe Mitsubishi 3.2L Diesel

Hình 2.14: Xe Mitsubishi 3.2L Diesel.
Thử nghiệm với thành phần tỉ lệ nhiên liệu diesel/LPG: 60%/40%
Thử nghiệm tiêu hao nhiên liệu.

Hình 2.15: Biểu đồ thử nghiệm tiêu hao nhiên liệu
16


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

Tiêu thụ nhiên liệu: tiết kiệm 7.9% trên động cơ dual fuel
- Diesel 100% = 11.05 Lít / 100 km
- Diesel/LPG = 10.17 Lít (kết hợp) / 100 km.
Thử nghiệm hiệu suất nhiệt

Hình 2.16: Biểu đồ thử nghiệm hiệu suất nhiệt
Hiệu suất nhiệt: tăng 16.3% trên động cơ sử dụng nhiên liệu dual fuel.
Thử nghiệm chi phí nhiên liệu.

Hình 2.17: Biểu đồ thử nghiệm chi phí nhiên liệu.

dụng nhiên liệu. Hiệu suất cháy cao đạt từ 95 – 98% (hầu hết động cơ diesel chỉ đạt
khoảng 75 – 85%).

18


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: T2011-23TĐ

Chương 3

HỆ THỒNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ
ĐỘNG CƠ DIESEL 3C – TE
3.1 Giới thiệu chung
Động cơ 3C–TE là động cơ có 4 xy lanh thẳng hàng, nhiên liệu sử dụng là dầu
diesel. Động cơ sử dụng bơm cao áp loại VE-EDC (Electronic Diesel Control) loại
piston hướng trục, hộp ECU điều khiển hoạt động của bơm VE - EDC thông qua việc
điều khiển hai van điện từ là SPV (Spill Control Value) – Van điều khiển lưu lượng
phun và van TCV (Timing Control Value) – Van điều khiển thời điểm phun. Do đó
lượng nhiên liệu và thời điểm phun vào mỗi xy lanh động cơ được điều khiển chính
xác bởi hệ thống điều khiển điện tử (ECU).

Hình 3.1: Động cơ

Bơm
VE3C-TE
EDC

Hình 3.2: Bơm VE-EDC loại

2. Piston
3. Van cao áp điện từ
4. Vòi phun

Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống UI
20


Đề tài NCKH cấp trường trọng điểm

Mã số: B2011-23TĐ

3.2.1.2 Hệ thống Unit Pump (UP):
Hệ thống UP về nguyên lý hoạt động tương tự hệ thống UI chỉ khác ở chỗ có
thêm đoạn ống cao áp ngắn nối từ bơm cao áp đến vòi phun. Bơm được dẫn động bởi
trục cam động cơ, vòi phun được lắp trên buồng đốt động cơ. Mỗi bộ bơm UP cho mỗi
xylanh động cơ gồm có bơm cao áp, ống dẫn cao áp và kim phun. Lượng nhiên liệu
phun và thời điểm phun của hệ thống UP cũng được điều khiển bởi van cao áp điện từ.
1. Đầu kim phun
2. Kim phun
3. Ống cao áp
4. Van cao áp điện từ
5. Piston
6. Cam dẫn động

Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý hệ thống UP
3.2.2 HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU DIESEL VỚI BƠM CAO ÁP ĐIỆN
3.2.2.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu diesel VE-EDC:
Hệ thống nhiên liệu diesel điều khiển điện tử dùng bơm cao áp phân phối kiểu
VE (VE-EDC) tương tự như ở hệ thống diesel điều khiển cơ khí, nhiên liệu cao áp

chứa, qua bộ lọc nhiên liệu đi vào trong thân bơm với một áp suất được giới hạn bởi
van điều khiển.
2. Cảm biến tốc độ:

Hình 3.8. Tín hiệu phát ra của cảm biến
Cảm biến này được lắp trên bơm cao áp bao gồm một roto ép dính với trục dẫn
động và một cảm biến (là một cuộn dây). Khi roto quay các xung tín hiệu đươc tạo ra
trong cảm biến dưới dạng các xung điện áp hình sin và được gởi về ECU. Điện trở
cuộn dây ở 200C khoảng 205-255.

3. Đĩa cam và vành lăn:

Hình 3.9. Đĩa cam và vành lăn.

Đĩa cam được nối với piston bơm và được dẫn động bởi trục dẫn động. Khi
rotor quay các vấu cam trên đĩa cam tỳ lên con lăn làm cho piston bơm chuyển động
vừa quay vừa tịnh tiến tạo áp suất cao cho nhiên liệu, số vấu cam bằng với số xy lanh
động cơ.
23