Lê Minh Tiến, Phạm Quốc Thái, Huỳnh Tấn Tiến, Võ Anh Vũ 90 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BĂNG THỬ VÒI PHUN XĂNG DESIGN AND DEVELOPMENT OF GASOLINE INJECTOR TEST BENCH Lê Minh Tiến1, Phạm Quốc Thái1, Huỳnh Tấn Tiến1, Võ Anh Vũ2 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; lmtien@ac.dut.udn.vn Nghiên cứu sinh Khóa 33, ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực Tóm tắt - Vòi phun phận quan trọng hệ thống phun xăng điện tử động đốt Việc xác định thơng số xác vịi phun giúp cho sử dụng vịi phun cách hiệu hơn, ví dụ xây dựng hệ thống phun xăng điện tử Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết kế, chế tạo băng thử vòi phun xăng điện trở cao Mạch điều khiển sử dụng loại Arduino Uno R3, lượng nhiên liệu phun đo loadcell, áp suất nhiên liệu thay đổi nhờ van điều chỉnh điều áp Kết nghiên cứu cho thấy chế tạo thành cơng băng thử vịi phun động xăng; xây dựng phương pháp sử dụng băng thử để xác định thơng số vịi phun, từ tính tốn lượng xăng phun theo thời gian xung điều khiển vòi phun Abstract - Gasoline injectors are very important parts of gasoline injection system on internal combustion engines Accurately identifying the parameters of a gasoline injector allows us to use it more efficiently, for example, building a custom electronic fuel injection This research presents the results of the development of a gasoline injector test bench The control circuit uses the Arduino Uno R3, the gasoline injection amount is determined by load cell, the gasoline pressure in the injector is changed by a pressure regulator The research results show that a high resistance gasoline injector test bench has been successfully developed and a method of determining the parameters of the injector is built so that the gasoline injection amount can be calculated according to the injection time Từ khóa - vịi phun xăng; hệ thống phun xăng điện tử; động đốt trong; Arduino; băng thử vòi phun Key words - gasoline injectors; electronic gasoline injection system; internal combustion engine; Arduino; injector test bench Giới thiệu Sau kỷ từ phát minh, lịch sử ngành công nghiệp ô tô sử dụng động đốt trải qua bước phát triển lớn Từ chế hịa khí đơn giản hệ thống đánh lửa magneto ban đầu, đến thay hệ thống phun xăng đánh lửa điện tử với đặc tính làm việc tối ưu gần với đặc tính lý thuyết, nhằm tăng hiệu suất làm việc, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu ô nhiễm môi trường Hệ thống phun xăng điều khiển điện tử có loại: gián tiếp trực tiếp Với hệ thống phun xăng gián tiếp, nhiên liệu phun vào đường ống nạp thơng qua vịi phun điều khiển ECU (Electronic Control Unit) để tạo hịa khí bên trước hút vào bên xi lanh Lượng nhiên liệu phun vịi phun đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng đến hiệu mức phát thải ô nhiễm động ti kim bị lị xo đẩy đóng chặt đế lỗ phun Quá trình phun nhiên liệu kết thúc [1] Khối lượng nhiên liệu phun phụ thuộc vào: - Thời gian điều khiển mở vòi phun t1 = to + t (ms) thời gian mở vòi phun t2 = to + t + tc (ms) (to (ms): thời gian từ lúc ECU cấp điện đến vòi phun mở hoàn toàn; t (ms): thời gian từ lúc vịi phun mở hồn tồn đến ECU ngắt điện; tc (ms): thời gian từ ECU ngắt điện đến vịi phun đóng hồn tồn) - Lượng phun đơn vị thời gian (phụ thuộc vào đặc điểm loại vòi phun – số vòi phun) - Khối lượng riêng nhiên liệu - Độ chênh áp áp suất nhiên liệu với áp suất phía trước lỗ vòi phun Thời gian to gọi thời gian chết Khi điện áp điều khiển mở vòi phun cao to nhỏ (khơng tuyến tính), vòi phun mở nhanh Với thời gian mở cho trước, áp suất nhiên liệu nhiệt độ khơng đổi, điện áp cao lượng nhiên liệu phun nhiều Với loại vòi phun điện trở cao, thời gian to = - 1,5 ms tc ≈ to/2 [2], [3] Hình Vịi phun động xăng 1- Lỗ vòi phun; 2- Ti kim; 3- Lõi từ; 4- Cuộn dây điện từ; 5- Đầu nối điện; 6- Lưới lọc; 7- Đệm làm kín Vịi phun xăng thực chất van điện từ Sơ đồ cấu tạo vòi phun xăng thể Hình Khi ECU đưa dịng điện qua cuộn dây điện từ vòi phun, từ trường cuộn dây sinh hút lõi từ làm ti kim nhấc lên nhiên liệu phun Độ nâng ti kim khoảng 0,05 mm đến 0,10 mm tùy theo loại vòi phun Sau khoảng thời gian từ 1,5 ms đến 18 ms tùy theo tình trạng vận hành, ECU ngắt điện qua cuộn dây điện từ làm từ trường hút lõi từ Hình Quan hệ dòng điện thời gian to, t, tc Trong trình giảng dạy nghiên cứu khoa học ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(122).2018 Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng, việc xác định đặc tính vịi phun có sẵn thực nhà trường thiết bị để xác định thơng số vịi phun, đồng thời thị trường khơng có sẵn thiết bị Vì vậy, việc chế tạo băng thử mơ điều khiển hoạt động vịi phun tương tự động thật cần thiết, với số tính như: - Có thể thay đổi thời gian phun theo mili giây (ms); - Có thể thay đổi áp suất nhiên liệu; - Xác định lưu lượng nhiên liệu phun Việc sử dụng băng thử giúp cho có thể: - Xây dựng công thức xác định lượng nhiên liệu phun theo thời gian điều khiển phun; - Kiểm tra hư hỏng vòi phun Với thiết bị này, hiệu nghiên cứu khoa học sinh viên, học viên cao học cán giảng viên Khoa Cơ khí Giao thơng, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng tăng lên Đồng thời thiết bị sở giúp sinh viên tham gia thi “Lái xe sinh thái tiết kiệm nhiên liệu” Honda, thi “Shell Echo-marathon” tự thiết kế hệ thống phun xăng điện tử cho động nhằm giảm tối đa tiêu hao nhiên liệu Thiết kế chế tạo băng thử 2.1 Mục đích sử dụng băng thử Quá trình điều khiển phun lượng xăng Gnl vào đường nạp hệ thống phun xăng điện tử thực chất điều khiển thời gian mở vòi phun t1 Nếu khơng có điều chỉnh, vị trí tải tốc độ, thời gian mở vịi phun khác tạo hỗn hợp khơng khí nhiên liệu với tỉ lệ khác Gọi p (kg/cm2) chênh áp áp suất nhiên liệu áp suất sau vịi phun Vì áp suất sau vịi phun băng thử áp suất khí trời nên p áp suất nhiên liệu tạo trình thử nghiệm Lượng xăng phun chu trình Gnl (g) xác định sau: Gnl = Go + G + Gc (g) (1) Với Go (g): lượng xăng phun thời gian to; G (g): lượng xăng phun thời gian t; Gc (g): lượng xăng phun thời gian tc; Gọi K (g/ms) hệ số phụ thuộc vào cấu tạo vịi phun, loại nhiên liệu Ta có, lượng xăng phun thời gian t là: G = K.t (g) (2) Dựa vào Hình ta thấy lượng nhiên liệu phun thời gian to tc: Go + Gc < K.to (3) Như vậy, từ (1), (2) (3) ta suy ra: Gnl = x.K.to + K.t (g), với < x < (4) Công thức (4) cho thấy rằng, vòi phun loại nhiên liệu sử dụng, chênh áp áp suất nhiên liệu áp suất trước vịi phun khơng thay đổi lượng nhiên liệu phun vào xylanh Gnl phụ thuộc vào thời gian t Như vậy, với vịi phun cần khảo sát đặc tính, ta tìm thông số (loại nhiên liệu, p, to, K) Với thơng số này, ta hồn tồn xác định xác lượng nhiên liệu phun qua vòi phun thời gian phun t1 91 2.2 Thiết kế băng thử 2.2.1 Phương án điều khiển vòi phun Vì sử dụng bơm nhiên liệu khơng thể thay đổi áp suất phun, phương án nhóm tác giả sử dụng dùng khí nén thay đổi áp suất để nén trực tiếp bình nhiên liệu Để điều khiển vòi phun, sử dụng chân digital vi điều khiển kết hợp với mô-đun điều khiển công suất để điều khiển vịi phun Thời gian đóng mở vịi phun tương ứng với thời gian chân digital mức logic Hình Sơ đồ phương án điều khiển vịi phun 1- Bình nhiên liệu; 2- Lọc nhiên liệu; 3- Vịi phun 2.2.2 Phương án xác định lượng nhiên liệu phun Để xác định lượng nhiên liệu tiêu thụ, ta sử dụng phương án dùng cảm biến lực (loadcell) để xác định lượng nhiên liệu tiêu thụ, cảm biến lực phổ biến có giá thành phù hợp độ xác cao Hình Phương án xác định lượng nhiên liệu phun 1- Vịi phun; 2- Bình nhiên liệu; 3- Loadcell; 4- Mô-đun ADC 2.2.3 Thông số thành phần a Mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 [4] Đặc điểm bật mạch Arduino môi trường phát triển ứng dụng vi điều khiển dễ sử dụng, với ngơn ngữ lập trình học cách nhanh chóng với người am hiểu điện tử lập trình Arduino Uno R3 sử dụng chip Atmega328 Nó có 14 chân digital I/O, chân đầu vào analog, thạch anh dao động 16Mhz (Bảng 1) Hình Mạch Arduino Uno R3 (trái) Sensor Shield (phải) Lê Minh Tiến, Phạm Quốc Thái, Huỳnh Tấn Tiến, Võ Anh Vũ 92 Bảng Thông số kỹ thuật Adruino UNO R3 Thông số Vi điều khiển Điện áp hoạt động Điện áp vào khuyên dùng Điện áp vào giới hạn Digital/Opin Analog input pins Cường độ dòng diện I/Opin Cường độ dòng diện 3,3Vpin Flash Memory SRAM EEPROM Tốc độ Giá trị ATmega328 5V V – 12 V – 20 V 14 (chân - 13) (Chân A0 – A5) 20 mA 50 mA 32 KB KB KB 16 MHz Để giúp mạch Arduino Uno R3 kết nối với cảm biến, giao tiếp cổng COM giao tiếp I2C cách đơn giản thời điểm (như shield LCD) mô-đun giao tiếp I2C, ta sử dụng Arduino Sensor Shield b Vịi phun Có loại vịi phun: loại điện trở thấp (10 Ω) Vịi phun thường có chân: chân nối nguồn 12 V, chân lại nối ECU để điều khiển thơng mass nhờ transitor Vịi phun điện trở cao dễ điều khiển, cần cấp điện 12 V trực tiếp cho vòi phun Vòi phun điện trở thấp lắp vào mạch phải qua điện trở phụ khó điều khiển cần phải tạo dịng điện “đỉnh” đủ cao để mở vòi phun (∼ A) sau dịng điện “giữ” thấp hơn, đủ để vịi phun Hình Vịi phun điện trở cao sử dụng động 1ZZ-FE mở mà không làm cháy vòi phun (∼ A) Để thuận tiện việc thiết kế thi công thiết bị, ta ưu tiên chọn loại vòi phun điện trở cao Vòi phun chọn sử dụng loại điện trở cao sử dụng động 1.8L xi lanh thẳng hàng 1ZZ-FE (Hình 6) Bộ thơng số đề cập đề mục (2.1) vòi phun xác định sau chạy thử nghiệm băng thử c Loadcell Loadcell thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực trọng lượng điện thành tín hiệu điện Loadcell cấu tạo hai Hình Loadcell thành phần, thành phần thứ “Strain gage” thành phần lại “Load” Strain gage điện trở đặc biệt nhỏ móng tay, có điện trở thay đổi bị nén hay kéo giãn nuôi nguồn điện ổn định, dán chết lên “Load”một kim loại chịu tải có tính đàn hồi Loadcell hoạt động nguyên lý cầu điện trở cân Wheatstone Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với thay đổi điện trở cảm ứng cầu điện trở tỉ lệ với tín hiệu điện áp đầu Loadcell thường sử dụng để cảm ứng lực lớn, tĩnh hay lực biến thiên chậm Để phù hợp với việc cân nhiên liệu băng thử, ta chọn loadcell YZC-133 có thang đo 10 kg (Bảng 2) Bảng Bảng thông số kỹ thuật cảm biến lực Loadcell Thông số Model Tải trọng Độ nhạy Độ lệch tuyến tính Ảnh hưởng nhiệt độ tới độ nhạy Ảnh hưởng nhiệt độ tới điểm không Độ cân điểm không Trở kháng đầu vào Trở kháng ngõ Trở kháng cách li 50V Điện áp hoạt động Nhiệt độ hoạt động Chất liệu cảm biến Giá trị YZC – 133 10 (Kg) 1,0±1,5 (mV/V) 0,05 (%) 0,003 (%RO/°C) 0,02 (%RO/°C) ±0,1 (%RO) 1.066 ± 20 (Ω) 1.000 ± 20 (Ω) 2.000 (mΩ) (V) -20 ~ 65 (°C) Nhôm d Bộ điều chỉnh áp suất xăng Chọn điều chỉnh áp suất khí nén STNC TR2000-02 (Bảng 3) để thay đổi áp suất nhiên liệu theo yêu cầu trình thực thí nghiệm Đây điều chỉnh kiểu dẫn khí cân bằng, kèm cấu tràn, nên có đặc tính ưu việt như: ổn áp có độ nhạy cao, phản ứng nhanh, khóa chặn chắn, đồng thời có khả lắp ráp tương ứng với sản phẩm khác Bảng Thông số kỹ thuật điều áp STNC TR2000-02 Quy cách Môi trường làm việc Lưu lượng Áp lực sử dụng Nhiệt độ Kiểu van Kiểu ren đồng hồ Hãng sản xuất TR2000-02 Khơng khí 500 (L/mm) 0,05 - (MPa) - 60 (°C) Kiểu van tràn G1/8 STNC e Đồng hồ hiển thị áp suất Ta sử dụng đồng hồ đo áp suất dùng để hiển thị áp suất nhiên liệu trình thực thí nghiệm kết hợp với điều áp để điều chỉnh áp Hình Đồng hồ hiển thị áp suất suất theo yêu cầu f Module ADC 24bit HX711 Module ADC 24bit HX711 (Bảng 4) mạch đọc giá trị loadcell có độ phân giải 24bit với tốc độ lấy mẫu 12 lần/giây Mô-đun giao tiếp với vi điều khiển qua dây (clock data) Bảng Thông số kỹ thuật ADC 24bit HX711 Điện áp làm việc Dòng tiêu thụ Tốc độ lấy mẫu Độ phân giải 2,7 ÷ (V) < 1,5 (mA) 12 (SPS) 24 bit ADC Độ phân giải điều áp 40 (mV) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(122).2018 93 Trước tiến hành thử nghiệm, kiểm tra xung điều khiển thời gian mở vịi phun ti có hoạt động theo yêu cầu hay không Từ kết kiểm tra, nhận thấy băng thử hoạt động xác thời gian đóng mở vịi phun g Bình chứa nhiên liệu Bình chứa nhiên liệu có áp suất làm việc an tồn 10 kg/cm2 Hình Bình chứa nhiên liệu h Sơ đồ mạch điện Hình 13 Tín hiệu xung điều khiển mở vịi phun ti = 6,8 ms 3.3 Xác định thời gian mở nhỏ to vòi phun Để xác định to vòi phun thử nghiệm mức áp suất khác nhau, ta điều chỉnh thời gian xung điều khiển tăng từ 0,5 ms đến 1,5 ms với bước điều chỉnh 0,1 ms đến vòi phun bắt đầu phun dùng lại ghi lại số liệu Sau q trình kiểm tra ta có số liệu Bảng Bảng Thời gian to vòi phun Hình 10 Sơ đồ mạch điện 2.2.4 Chế tạo khung lắp đặt hoàn thiện băng thử Từ vẽ thiết kế, chế tạo khung giá đỡ lắp đặt thành phần lên băng thử Hình 11 Áp suất nhiên liệu, kg/cm2 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Thời gian to, ms 1,0 1,1 1,1 1,2 1,2 3.4 Thử nghiệm phun xăng 3.4.1 Các bước tiến hành thử nghiệm • Bước 1: Đổ đầy xăng vào bình chứa; • Bước 2: Điều chỉnh áp suất xăng theo yêu cầu; • Bước 3: Bắt đầu tiến hành phun nhiên liệu với thời gian t1 số lần phun 2.500 tốc độ mơ 3.000 vịng/phút; Số lượng phun 2.500 lần dựa khối lượng xăng phun nằm vùng làm việc hiệu loadcell thời gian thực lần thử nghiệm nhỏ nhất; • Bước 4: Ghi lại số liệu kết thực 3.4.2 Kết thử nghiệm Kết thử nghiệm tổng 2.500 lần phun trình bày Bảng kết tính trung bình lần phun trình bày Bảng Bảng Bảng lượng xăng (g) sau 2.500 lần phun Hình 11 Thiết kế chế tạo khung băng thử t1 (ms) Thử nghiệm đánh giá 3.1 Các thông số chọn Bảng Bảng thông số chọn Thời gian xung điều khiển (ms) Áp suất nhiên liệu (kg/cm2) 10 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 3.2 Kiểm tra tín hiệu điều khiển vòi phun 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 12,71 13,61 14,32 15,58 16,18 28,45 31,08 33,1 35,55 38,09 44,12 48,74 52,05 55,42 59,09 60,87 65,73 70,36 75,99 79,75 10 75,86 81,25 90,31 96,54 102,42 Bảng Bảng lượng xăng (g) trung bình lần phun t1 (ms) Hình 12 Tín hiệu xung điều khiển mở vịi phun ti = 2,4 ms p (kg/cm2) p (kg/cm2) 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 0,0051 0,0054 0,0057 0,0062 0,0065 0,0114 0,0124 0,0132 0,0142 0,0152 0,0176 0,0195 0,0208 0,0222 0,0236 0,0243 0,0263 0,0281 0,0304 0,0319 10 0,0303 0,0325 0,0361 0,0386 0,0410 Lê Minh Tiến, Phạm Quốc Thái, Huỳnh Tấn Tiến, Võ Anh Vũ 94 5.00% 4.00% 0.03 3.00% 0.02 2.00% 0.01 1.00% Từ Bảng 8, xây dựng hàm xấp xỉ theo công thức (4) đồ thị (từ Hình 14 đến Hình 18) Ta xác định thơng số (p, x, K) vịi phun với sai số nhỏ 2%, trình bày Bảng Giá trị x = 0,6 không thay đổi thay đổi p Bảng Bộ thông số (p, x, K) vòi phun thử nghiệm 0.00% Thực nghiệm (g/ct) 10 12 Sai số (%) Hình 14 Đồ thị xác định hệ số x, K áp suất p = 2,0 kg/cm2 5.00% 4.00% 0.03 3.00% 0.02 2.00% 0.01 1.00% 0.00% 0 Thực nghiệm (g/ct) 10 Sai số (%) 12 Hình 15 Đồ thị xác định hệ số x, K áp suất p = 2,5 kg/cm2 5.00% 4.00% 0.03 STT p (kg/cm2) x K (g/ms) 2,0 0,6 31,5e-4 2,5 0,6 34,5e-4 3,0 0,6 37,2e-4 3,5 0,6 40,5e-4 4,0 0,6 43,0e-4 Từ Bảng 9, dùng phương pháp xấp xỉ hàm tuyến tính, xác định hệ số K theo áp suất nhiên liệu vòi phun sau: K = 0,00029.p + 0,002864 (g/ms) (5) 0.0043 y = 0.00029x + 0.002864 0.0041 0.0039 0.0037 0.0035 3.00% 0.02 2.00% 0.01 1.00% 0.00% Thực nghiệm (g/ct) 10 Sai số (%) 12 Hình 16 Đồ thị xác định hệ số x, K áp suất p = 3,0 kg/cm2 5.00% 0.04 4.00% 0.03 3.00% 0.02 2.00% 0.01 1.00% 0.00% 0 Thực nghiệm (g/ct) 10 Sai số (%) 12 Hình 17 Đồ thị xác định hệ số x, K áp suất p = 3,5 kg/cm2 5.00% 0.04 0.035 4.00% 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 Thực nghiệm (g/ct) 10 2.5 K 3.5 Linear (K) Hình 19 Xấp xỉ giá trị K theo áp suất p Kết luận Sau trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo băng thử vòi phun động xăng, tiến hành thử nghiệm vòi phun mẫu, ta rút số kết luận sau: • Đã chế tạo thành cơng băng thử vịi phun động xăng cho loại vòi phun điện trở cao; • Bằng cách sử dụng băng thử vòi phun để thử nghiệm vòi phun, ta xây dựng phương pháp xác định cơng thức tính tốn lượng xăng phun Gnl qua vòi phun theo thời gian điều khiển mở vòi phun t1 với áp suất nhiên liệu p Để nâng cao hiệu băng thử vòi phun, hướng phát triển thời gian đến là: • Bổ sung phương án điều khiển vòi phun điện trở thấp • Thay đồng hồ đo áp suất học cảm biến áp suất để tăng độ xác kết đo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Rolf Gscheidle, Stuidiendirektor, Winnenden, Kỹ thuật ô tô xe máy đại (bản dịch tiếng Việt), Europa Lehrmittel, 2013 [2] L Ostrica, M Gutten, J Jurcik, “Analysis of gasoline injection system”, Journal of Electrical Engineering, ISSN 1542-8594, Vol 14, 2014, pp 248-252 [3] Milan Sebok, Jozef Jurcik, Miroslav Gutten, Daniel Korenciak, Jerzy Roj, Pawel Zukowski, “Diagnostics and measurement of the gasoline engines injection system”, Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, r 91 NR 8/2015, pp 77 - 80 [4] https://www.arduino.cc/ 0.00% 2 2.00% 1.00% 0.0031 3.00% 0.005 0.0033 12 Sai số (%) Hình 18 Đồ thị xác định hệ số x, K áp suất p = 4,0 kg/cm2 (BBT nhận bài: 15/11/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 26/12/2017)