Nghiên cứu chế tạo bộ trộn hòa khí cho xe máy sử dụng nhiệt khí thải

CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU VÀ GIỚI HẠN VẤN ĐỀ 1.1 Mở đầu Hiện thị trường tồn nhiều phương tiện khác để đáp ứng nhu cầu lại người tiêu dùng Và, khơng kể đến phương tiện phổ biến xe máy Xe máy sử dụng rộng rãi Châu Á nước Châu Âu tính thuận lợi động tham gia mơ hình giao thơng với cung đường vừa hẹp điển Việt Nam Chính nhu cầu sử dụng xe máy lớn người dân nên nhiều loại xe máy du nhập vào Việt Nam nhằm thỏa mãn mức nhu cầu người tiêu dùng Xe máy bắt đầu du nhập vào Việt Nam từ năm 1951 tới nhiều, đồng thời nhu cầu sử dụng ngày cao, yêu cầu mơi trường khắt khe, địi hỏi xe máy phải cải tiến Hiện nay, dù cải tiến nhiều chưa hoàn toàn tối ưu Đặc biệt hịa trộn hịa khí nhiên liệu xe máy có chế hịa khí chưa tốt, lượng khí thải thải mơi trường cịn sót lại nhiên liệu chưa cháy hết (hay cịn gọi “xăng sống”) gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng tiêu hao nhiên liệu Vì vậy, vấn đề cải tiến hòa trộn xe máy cần thiết để giảm tiêu hao nhiên liệu bảo vệ môi trường 1.2 Giới hạn vấn đề Trên sở đó, chúng em giao đề tài “nghiên cứu chế tạo trộn hịa khí cho xe máy sử dụng nhiệt khí thải” Đề tài nghiên cứu chúng em thực làm trực tiếp xe máy Honda Wave RS Trong đề tài nghiên cứu này, chúng em tập trung thiết kế lại đường dây dẫn nhiên liệu dùng sức nóng khí thải để nâng cao khả hòa trộn xe đồng thời cải tiến cổ xăng nâng cao khả trộn hịa khí nhằm giảm lượng khí thải thải mơi trường CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ XE MÁY VÀ ỨNG DỤNG CỦA NHIỆT DO KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ 2.1 Hệ thống nạp thải xe máy 2.1.1 Hệ thống nạp Hệ thống nạp động xe máy gồm phận chính: lọc gió, bình xăng con, cổ hút 2.1.1.1.Bộ lọc gió Hình 2.1: Bộ lọc gió xe máy Cấu tạo: Gồm phận : miếng nhựa bọc xung bên màng giấy lọc bụi bẩn Cơng dụng: Lọc gió có chức lọc luồng khơng khí vào buồng đốt, giúp loại bỏ bụi bẩn, nước tạp chất khỏi khơng khí, để có luồng khơng khí sách vào buồng đốt, làm tăng hiệu suất đốt cháy nhiên liệu 2.1.1.2 Bình xăng con[1] - Cấu tạo Hình 2.2: Cấu tạo bình xăng Chú thích: - 1:Ống xăng phụ (giclo phụ) 6: Lò xo 2: Ốc chỉnh hịa khí 7: Lỗ cục ga 3: Ống xăng 8: Da bơm 4: Bướm ga 9: Lỗ từ lọc khí 5: Ống kim xăng 10: Cục ga Nguyên lí hoạt động: Khi động hoạt động, piston từ điểm chết xuống điểm chết dưới, khơng khí hút vào xy lanh qua lọc gió tới bình xăng Tại đây, tiết diện lưu thơng bị thu hẹp lại, tốc độ dịng khí tăng lên làm áp suất giảm xuống tạo độ chân không hút nhiên liệu từ buồng phao qua đường xăng chạy lên giclo tạo nên nhiên liệu dạng sương mù để hịa trộn với khơng khí vào Như vậy, xăng bị hút lên lực chân khơng tạo họng khuếch tán hồ trộn với khơng khí bay để tạo thành hỗn hợp khí cháy 2.1.1.3 - Ống hút Cấu tạo: Được đúc khối hợp kim nhơm Hình 2.3:Ống hút xe máy - Chức năng: Dùng để dẫn hòa khí từ bình xăng vào buồng đốt động 2.1.2 Hệ thống thải[2]: Gồm đường ống thải dẫn ống pơ xử lí khí thải (AIS : Air Induction System Hình 2.4: Sơ đồ xủ lí khí thải AIS - Cấu tạo xử lí khí thải Lọc khơng khí Ống cao su dẫn khơng khí vào từ cụm van AIS Cụm van AIS Ống cao su lấy áp suất âm để điều khiển van AIS Ống dẫn khơng khí đến đầu cửa xả Ngun lí hoạt động: - Khi chạy ga bình thƣờng: Áp chân khơng lực hút động tác động lên màng da bệ van không lớn chưa thắng lực nén lị xo, nên bệ van ln mở cung cấp khơng khí đến cửa xả để tạo phản ứng với CO khí thải Trong cấu tạo cụm van AIS, van lưỡi gà bố trí bệ van ( đường khơng khí cửa xả) nhằm ngăn ngừa khơng cho khí thải nóng vào cụm van AIS từ phía cửa xả, gây hư hỏng cụm van AIS - Khi hạ ga đột ngột tốc độ cao: Lúc này, ga hạ xuống đóng gần hết họng chế hịa khím nên áp suất chân khơng cổ hút phía sau chế hịa khí lớn, thắng lực lò xo kéo màng da lên, làm bệ van đóng lại Dịng khơng khí qua AIS bị ngắt, không cấp tới cửa xả, để ngăn tượng cháy nổ sau cổ bô có thêm oxy để đốt lượng xăng chưa kịp cháy buồng đốt Nhiệt khí thải việc hâm nóng nhiên liệu xăng 2.2 Hiệu suất động đốt khoảng 30-35% phần lớn thất thoát hiệu suất tỏa nhiệt mà ra, thể, tận dụng lượng nhiệt mà khí thải thải việc cần thiết 2.2.1 - Tìm hiểu xăng Thành phần cấu tạo xăng: Xăng hỗn hợp chất hydrocarbon không thơm (aliphatic hydrocarbon) Nói cách khác, xăng nhóm hợp chất hữu có cơng thức phân tử CnH2n+2, gồm mạch carbon thẳng chứa từ – 11 nguyên tử C, nguyên tử hydrogen Khi đốt xăng cháy hồn tồn, điều kiện đủ oxigen, tạo khí carbonic (CO2 ) từ nguyên tử C, nước (H2O) từ nguyên tử H, đồng thời phản ứng cháy tỏa nhiều nhiệt - Nguồn gốc xăng: Xăng sản phẩm q trình chưng cất dầu thơ Dầu thơ khoan bơm lên từ lòng đất, chất lỏng sệt, màu nâu sẫm, hỗn hợp nhiều loại hydrocarbon có cơng thức cấu tạo khác Mỗi loại hydrocarbon có chiều dài cấu tạo phân tử khác có tính chất hóa, lý khác Mạch carbon dài, trọng lượng phân tử lớn Hợp chất hydrocarbon có từ đến nguyên tử C Methane (CH4), Ethane (C2H6), Propane (C3H8), Butane (C4H10) chất khí nhiệt độ thường Với số nguyên tử C từ – 18, hydrocarbon dạng lỏng Với số nguyên tử C ≥ 19, hợp chất hydrocarbon chất rắn nhiệt độ thường Tất nhiên dễ suy luận hydrocarbon có mạch carbon dài có độ sơi cao - Trị số octan xăng[3] Trị số octan (Octane Number) đại lượng quy ước đặc trưng cho tính chống kích nổ nhiên liệu Trị số đo % thể tích iso-octan (2,2,4-trimetylpentan) có hỗn hợp với n-heptan có khả chống kích nổ tương đương khả chống kích nổ nhiên liệu thí nghiệm điều kiện chuẩn - Tại cần trị số Octan? Khả xăng đốt cháy hoàn hảo buồng đốt động mà không gây nổ, làm hỏng động trở thành yếu tố quan trọng việc đánh giá phân loại xăng Từ năm 1920, chất lượng xăng tốt hơn, đồng nghĩa với việc chúng sinh công nhiều hơn, nhiều động bị hư hại xăng phát nổ buồng đốt Nhất động có tỉ số nén cao Các thí nghiệm thời vụ nổ lớn, gây hại nhiều xăng heptane xăng iso-octan thường không gây nổ buồng đốt Chính điều dẫn đến việc người ta quy định trị số octan một thông số định lượng xác định tính chất chống kích nổ xăng Để đơn giản, hiểu động xăng có tượng cháy khơng bình thường gọi tượng cháy kích nổ (do tượng tự cháy xăng mà bugi bật tia lửa điện) Thành phần xăng gồm nhiều hydrocacbon no có dạng mạch nhánh cacbuahydro thơm kết cấu bền vững Xăng có cấu trúc bền vững thi tính tự cháy kém, khó xảy kích nổ ngược lại Để đánh giá tính chống kích nổ xăng, người ta dùng thơng số gọi trị số OCTAN - Cách tính trị số Octan Trị số Octan tính theo tỉ lệ phần trăm lượng xăng iso-octan toàn hỗn hợp xăng xăng iso-octan xăng heptane Những nghiên cứu với tỉ lệ 90% xăng iso-octan 10% xăng heptane, động làm việc với hiệu suất tương đương với loại xăng sử dụng thời kì Do đó, người ta đưa tỉ lệ octan 90 - Các loại trị số Octan Có phương pháp ASTM (American Society for Testing Materials - Hiệp hội thử nghiệm vật liệu Hoa Kỳ) đề nghị sử dụng, dần trở nên thông dụng cuối nhà kiểm định chất lượng thống sử dụng để đo số Octan tiêu chuẩn mang tính tồn cầu là: •Chỉ số Octan nghiên cứu: RON (Research Octane Number) 10 cảm biến LM35 hiệu điện 5V, chân phải nối đất, đo hiệu điện chân cách gắn tương ứng vi điều khiển thu nhiệt độ Có thể chế tạo mạch cảm biến nhiệt độ sử dụng LM35 để tự động ngắt điện nhiệt độ vượt ngưỡng tối đa, đóng điện nhiệt độ thấp ngưỡng tối thiểu thông qua module role Cảm biến LM35 cảm biến nhiệt mạch tích hợp xác cao mà điện áp đầu tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Chúng khơng u cầu cân chỉnh ngồi vốn chúng cân chỉnh - Đặc điểm cảm biến LM35 + Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V + Độ phân giải điện áp đầu 10mV/oC + Độ xác cao 25 C 0.5 C + Trở kháng đầu thấp 0.1 cho 1mA tải Dải nhiệt độ đo LM35 từ -55 C - 150 C với mức điện áp khác Xét số mức điện áp sau : - Nhiệt độ -55 C điện áp đầu -550mV - Nhiệt độ 25 C điện áp đầu 250mV - Nhiệt độ 150 C điện áp đầu 1500mV Tùy theo cách mắc LM35 để ta đo giải nhiệt độ phù hợp Đối với hệ thống đo từ đến 150 2.3 Tính tốn nhiệt độ đầu LM35 Đưa vào chân bên trái cảm biến LM35 hiệu điện 5V, chân phải nối đất, đo hiệu điện chân pin A0 arduino (giống y hệt cách đọc giá trị biến trở), bạn có nhiệt độ (0-150ºC) cơng thức: nhietdo = (analogRead(sensor)*5.0*100.0/1024.0); - Dải nhiệt độ thay đổi trở kháng theo nhiệt độ LM35 Các biến đổi chuyển đổi đại lượng vật lí nhiệt độ, cường độ ánh sáng, lưu tốc tốc độ thành tín hiệu điện phụ thuộc vào biến đổi mà đầu tín hiệu dáng điện áp, dịng, trở kháng hay dung kháng Ví dụ nhiệt độ biến đổi tín hiệu sử dụng biến đổi gọi cảm biến nhiệt (thermistor), cảm biến nhiệt đáp ứng thay đổi nhiệt độ cách thay đổi trở kháng đáp ứng khơng tuyến tính Nhiệt độ (0C) Trở kháng cảm biến (kΩ) 29,490 25 10,000 50 3,893 75 1,700 100 0,817 Bảng 4: Trở kháng cảm biến phụ thuộc vào nhiệt độ 38 4.5 Điều khiển LM35 Arduino Mục đích: dùng cảm biến nhiệt độ để theo dõi hâm nóng nhiên liện khí xả có hiệu hay khơng, đồng thời theo dõi nhiệt độ cụ thể nhiên liệu hâm nóng từ đánh giá hiệu hâm nóng nhiên liệu kiểm sốt chịu nhiệt đường dẫn nhiên liệu nhiệt độ cao Hình 4.11: Sơ đồ điều khiển cảm biến nhiệt độ LM35 39 Code điều khiển cảm biến nhiệt độ LM35 Arduino: 4.6 Điều khiển động chiều (DC motor) cảm biến hall thông qua arduino 4.6.1Cảm biến hall (hall sensor)[8] Hình 4.12: Cảm biến hall 40 Cảm biến Hall loại cảm biến dùng để phát từ tính nam châm Ví dụ đưa cục nam châm lại gần cảm biến Hall cảm biến phát tìn hiệu từ tín hiệu bạn thực hành động mà đặt trước Cảm biến Hall hoạt động dựa nguyên tắc hiệu ứng Hall Hiệu ứng Hall hiệu ứng vật lý thực áp dụng từ trường vng góc lên Hall có dịng điện chạy qua Hình 4.13: Ngun lí làm việc cảm biến Hall Cảm biến Hall có nhiều ứng dụng thực tế ứng dụng loại cảm biến để đếm sản phẩm, lắp vào cánh cửa để phát kẻ trộm mở cửa đột nhập vào nhà hay gắn cảm biến Hall vào khung xe sau gắn nam châm vào bánh xe để đo tốc độ di chuyển Dựa vào ưu điểm cảm biến Hall nên đề tài dùng để đo tốc độ bánh xe chạy đường thơng qua điều khiển mô-tơ hoạt động nhiều mức theo dải tốc độ Mỗi lần nam châm qua cảm biến tính bánh xe quay vịng 41 Hình 4.14: Hình ảnh thực tế cảm biến hall xe 4.5.2 Dùng cảm biến Hall để điều khiển động chiều (DC motor) Ở đề tài, dùng cảm biến Hall gắn vào bánh xe, cảm biến đo tốc độ xe, tùy vào dải tốc độ mà cảm biến Hall gửi Arduino để điều khiển động chiều 42 Hình 4.15: Ảnh thực tế mơ Arduino điều khiển động chiều Protues 43 Như hình ảnh mơ chân số Arduino nối với cuộn dây relay chân kích relay nối với cực B transistor TIP41C, chân số Arduino nối với chân tín hiệu cảm biến Hall Mục đích thiết kế mạch điện: Dùng chân số để kích relay dẫn điện vào chân B transistor từ transistor điều khiển động chiều quay, nhờ vào tín hiệu cảm biến Hall đo tốc độ mà động chiều hoạt động chế độ quay nhanh quay chậm Code điều khiển Arduino [9]: 44 Tiếp theo, đoạn code hàng đến khai báo giá trị đo cảm biến hall: Volatile int Hz=0 lưu tần số mà cảm biến hall đo được, int rpm=0 biến dùng để lưu tốc độ quay bánh xe với giá trị ban đầu (vòng/phút), unsigned long lastmillis=0 biến dùng để cập nhật thay đổi rpm qua khoảng thời gian cố định (có giá trị ban đầu 0s) Lệnh từ hàng đến hàng khai báo biến với Arduino, cụ thể khai báo lệnh mà Arduino giao tiếp thiết bị bên khác với Arduino Những câu lệnh chạy lần nhất: Lệnh Serial.begin(9600); khởi động cổng giao tiếp Arduino với thiết bị có tần số xung nhịp (baud rate) 9600 bps (bit giây) Câu lệnh ý nghĩa tốc độ giao tiếp Arduino với thiết bị bên nhanh hay chậm, số lớn thiết bị truyền nhận tín hiệu Arduino nhanh dễ bị lỗi ( bit bị nhiễu tần số hoạt động cao) thấp truyền nhận chậm lâu Vì vậy, xung nhịp 9600 bps số trung bình hoạt động ổn dịnh nên chọn tần số để giao tiếp với thiết bị Lệnh attachInterrupt(0, rpm_fan, FALLING); hàm ngắt liên tục, nhận tín hiệu điện cảm biến Hall phát chân số hàm ngắt thực lệnh viết interrupt Lệnh pinMode(8, OUTPUT); câu lệnh thiết lập chân số Arduino chân xuất tín hiệu bên ngồi Sau ta thiết lập xong phần lệnh cài đặt để Arduino giao tiếp với thiết bị bên ngoài, câu lệnh Arduino điều khiển thiết bị (module) đó, cụ thể cảm biến Hall, hình LCD, transistor: 45 Câu lệnh if (millis() – lastmillis >=5000): sau giây thực lệnh hàm if lần Câu lệnh noInterrupts(); : tạm dừng tất hàm Interrupt thực Arduino Có thể hiểu sau thực chương trình, gặp câu lệnh dừng lại ( tương tự lệnh delay()) Tiếp theo cơng thức tính tốc độ quay bánh xe: rpm=60x Hz (với Hz tần số mà cảm biến Hall đo 1s, 60 nghĩa 60s) Câu lệnh từ 19 đến 21: in giá kí tự kết cảm biến Hall (Hz) tốc độ quay bánh xe (RPM) đo vào cổng giao tiếp Serial Monitor tích hợp sẵn giao diện phần mềm Arduino máy tính Giá trị Hz=0: khởi động lại giá trị cảm biến Hall mức ban đầu Lệnh lastmillis = millis(): ghi lại tốc độ đo cập nhật lại từ đầu Lệnh interrupts(): tiếp tục chạy chương trình Tóm lại, tất câu lệnh từ hàng 12 đến hàng 23 muốn nói rằng: sau giây câu lệnh nằm hàm if thực hiện, Arduino tự động lấy giá trị cảm biến Hall nhận xung tín hiệu từ tín hiệu gửi chương trình tính tốn đổi 46 tốc độ quay bánh xe tần số xuất lên hình giao diện chương trình cho người lập trình theo dõi Tính tốn quy đổi từ giá trị tốc độ (km/h) thành giá trị vòng quay bánh xe (RPM): Hình 4.16: Thơng số lốp xe Dựa vào thông số lốp xe ta đổi đường kính bánh xe bên ngồi phần tiếp xúc với mặt đường Thơng số 2.50 – 17 hình muốn nói đường kính phía lốp 17 inches (~43.18cm) đường kính phía ngồi 17+2,5= 19,5 inches (~49,53 cm) Ta có cơng thức tính chu vi bánh xe: C=pi x D (với D đường kính) C= 3,14 x 49,53 = 155,5 (cm) Như vịng bánh xe tương đương với tín hiệu mà cảm biến Hall nhận ta tính vận tốc tương đương với tín hiệu cảm biến Hall nhận Theo tính tốn có được, tốc độ 20 km/h tốc độ bánh xe 222 vịng/phút (222 rpm), tốc độ 60 km/h tương đương 666 vòng/phút (666 rpm) 47 Vì câu lệnh If dựa vào giá trị rpm từ cảm biến Hall mà Arduino nhận đóng ngắt relay từ điều khiển dịng B transistor thống qua thay đổi tốc độ động chiều Ngồi ra, ta cịn có khai báo biến void rpm_fan(): hàm đếm cảm biến Hall vịng 1s đếm tín hiệu từ tính tốn tốc độ quay bánh xe Sau nạp code: Để kiểm tra cảm biến Hall có thật hoạt động tốt, ta mở cổng giao tiếp Serial monitor để giám sát, đồng thời quay thử bánh xe để kiểm tra xem cảm biến Hall có nhận tốc độ hay khơng 48 Hình 4.17: Serial Monitor để kiểm tra hoạt động cảm biến Hall 49 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết Luận Qua việc thực đề tài, chúng em nắm bắt khối lượng lơn kiến thức chuyên ngành Sự kết hợp việc đào sâu kiến thức cũ việc nghiên cứu kiến thức giúp chúng em hiểu sâu kiến thức mà chúng em nghiên cứu qua Được hướng dẫn tận tình thầy Đỗ Văn Dũng, chúng em hoàn thành nội dung đồ án thời gian quy định đạt yêu cầu, nhiệm vụ đặt ra: Tìm hiểu hệ thống nạp thải động xe máy Tìm hiểu ứng dụng sức nóng ống xả xe máy Nghiên cứu chế tạo trộn hịa khí cho xe máy sử dụng nhiệt khí thải Thử nghiệm, đánh giá hệ thống nghiên cứu, chế tạo Đề tài hoàn thành tiến độ, đạt yêu cầu nhiệm vụ đặt Nhưng thời gian thực đề tài có hạn, cố gắng tránh khỏi thiếu sót Trong q trình tìm thực đề tài liệu, kiến thức chuyên ngành cịn hạn chế, kinh nghiệm thực tế cịn nên cịn nhiều sai sót Rất mong nhận đóng góp q báu thầy bạn để đề tài hoàn thiện 5.2 Đề nghị Cải tiến chế tạo hệ thống trộn khơng khí nhiên liệu để giảm thải lượng “xăng sống” xe máy nói riêng động đốt nói chung đối tượng tương đối với sinh viên Việt Nam, nguồn tài liệu hạn chế gây khó khăn cho q trình nghiên cứu Qua thời gian học tập trường em nhận thấy có nhiều ý tưởng việc 50 cải tiến trộn khơng khí nhiên liệu để tiết kiệm nhiên liệu đồng thời giảm thiểu lượng khí thải nhiễm đưa ngồi mơi trường Vì vậy, chúng em có kiến nghị sau: • Tăng thời lượng thực tập, đặc biệt thời lượng thực tập động đốt để sinh viên nâng cao kỹ xảo khả chuyên ngành, thông qua hiểu rõ ngun lí hoạt động động đốt khuyết điểm việc hịa trộn khơng khí nhiên liệu cịn tồn Từ khuyết điểm đó, bạn sinh viên đưa nhiều ý tưởng cải tiến giúp loại bỏ khuyết điểm • Phổ biến tài liệu liên quan đến sinh viên q trình học mơn chun ngành • Kêu gọi nguồn tài trợ mở hoạt động khoa học liên quan đến việc cải tiến hiệu suất làm việc giảm thải ô nhiễm động đốt Mở thi tiết kiệm nhiên liệu xe 51 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://suaxethanhcong.forumvi.com/t43-topic [2] https://www.oto-hui.com/threads/bo-xu-ly-khi-thai-ais-air-induction-system.1492 [3] http://www.hiephoixangdau.org/nd/kien-thuc/tim-hieu-ve-tri-so-octan.html [4] http://arduino.vn/bai-viet/42-arduino-uno-r3-la-gi [5] http://hqdt.vn/baiviet/cau-tao-nguyen-tac-hoat-dong-cua-transitor.html [6] http://www.dientumaytinh.com/2012/03/gioi-thieu-co-ban-ve-lcd-16x2.html [7] http://www.dientumaytinh.com/2012/03/gioi-thieu-co-ban-ve-lcd-16x2.html [8] http://www.dientu4u.com/product/10623/Hall-sensor-44E.html [8] http://arduino.vn/bai-viet/1200-cam-bien-hall-va-ung-dung-cho-ban [9] http://arduino.vn/bai-viet/228-doc-toc-do-cua-quat-cpu-quat-12vol-hay-quat-3-day 52 ... thống nạp thải động xe máy Tìm hiểu ứng dụng sức nóng ống xả xe máy Nghiên cứu chế tạo trộn hịa khí cho xe máy sử dụng nhiệt khí thải Thử nghiệm, đánh giá hệ thống nghiên cứu, chế tạo Đề tài... ĐỘNG CƠ XE MÁY VÀ ỨNG DỤNG CỦA NHIỆT DO KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ 2.1 Hệ thống nạp thải xe máy 2.1.1 Hệ thống nạp Hệ thống nạp động xe máy gồm phận chính: lọc gió, bình xăng con, cổ hút 2.1.1.1 .Bộ lọc... Hệ thống thải[ 2]: Gồm đường ống thải dẫn ống pơ xử lí khí thải (AIS : Air Induction System Hình 2.4: Sơ đồ xủ lí khí thải AIS - Cấu tạo xử lí khí thải Lọc khơng khí Ống cao su dẫn khơng khí vào