Báo cáo nghiên cứu khoa học: " ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN VÀO BỘ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG CUNG CẤP LPG CHO ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC" ppt

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 31 ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN VÀO BỘ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG CUNG CẤP LPG CHO ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC APPLICATION OF MICROCONTROLLER IN A REGULATOR TO AUTOMATICALLY SUPPLY LIQUEFIED PETROLEUM GAS FOR SI ENGINES Trần Thanh Hải Tùng Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Nguyễn Văn Phụng Học viên Cao học khóa 2005 – 2008 TÓM TẮT Trong những năm gần đây, vi điều khiển đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển chính xác. Trên cơ sở phân tích các phương pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu cho động cơ đốt trong bằng cơ khí và điện, chúng ta thiết kế chế tạo mạch điều khiển điện tử cung cấp nhiên liệu LPG, họng khuếch tán và van cung cấp LPG. Chúng được chạy thử, sửa chữa, hoàn thiện, đo đạc các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ thí nghiệm khi dùng LPG, xăng và so sánh kết quả thực nghiệm với tính toán lý thuyết . Bài báo này trình bày phương án nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động sử dụng vi điều khiển và động cơ bước cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ ôtô thế hệ mới góp phần tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. ABSTRACT In recent years, microcontroller has been widely used in highly precision control system. On the basis of analyzing the mechanical and electrical control methods of supplying combustion engines fuel, we have designed and manufactured a LPG mixer, a LPG supplying valve and an electronic circuit to automatically control LPG supplying. They had been test run, adjusted and perfected. We surveyed the economic technical quota of experimental engine as using LPG and using petrol. Then we compared economic and technical benefits of prototype engine using LPG versus conventional fuel. This paper presents a solution to conducting research into the design and manufacturing of a regulator with microcontroller to control stepper motor in order to automatically supply liquefied petroleum gas for a new generation automobile engines which will increase fuel efficiency and minimize environment pollution. 1. Giới thiệu Thành tựu của ngành điện tử, công nghệ thông tin và chuyên ngành động cơ nhiệt đóng góp đáng kể vào tiến bộ khoa học, phát triển kỹ thuật và được ứng dụng nhiều trên ôtô. Trước đây, việc cung cấp nhiên liệu LPG, nhờ bộ phụ kiện LPG/xăng, phụ thuộc vào sự đóng-mở các van tiết lưu bằng cơ khí hay điện. Nhận thấy điều khiển tự động có thể kiểm soát cung cấp nhiên liệu và theo dõi quá trình cháy trong động cơ đánh lửa cưỡng bức Muốn động cơ hoạt động tiết kiệm nhiên liệu, hiệu quả và thỏa mãn quá trình cháy lý tưởng ; thiết nghĩ sử dụng vi điều khiển và động cơ bước (stepper motor) sẽ đáp ứng được việc cung cấp tự động LPG cho động cơ sao cho hệ số dư lượng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 32 không khí α ≈ 1[2]. Công trình này thiết kế một mạch điện tử điều chỉnh tự động van tiết lưu dạng chốt côn trên đường cung cấp chính , lắp một họng khuếch tán trên đường nạp và một van chân không có gắn gicleur trên đường không tải. Khi thực nghiệm, chọn động cơ DAEWOO A16 DMS lắp trên ôtô NUBIRA do hãng DAEWOO Hàn Quốc sản xuất năm 2001, được sử dụng khá phổ biến ở Việt Nam hiện nay. Đây là động cơ Dual Overhead Cam L- 4 1.6L DOHC phun xăng đi ện tử, tỷ số nén 9,5; đường kính cylinder 79 mm; hành trình piston 81,5 mm; công suất của động cơ phun xăng là 77,8 kW ở tốc độ 5800 v/ph [6], [7]. 2. Tính toán quá trình cung cấp LPG cho động cơ 2.1. Cơ sở lý thuyết Động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể làm việc bằng hai nhiên liệu khi hệ thống nhiên liệu mới (LPG) không ảnh hưởng đến hoạt động hệ thống nhiên liệu nguyên thủy (xăng). Trong phần này , chúng ta tính toán các chế độ cung cấp nhiên liệu LPG vào đường nạp động cơ thực nghiệm nhờ họng khuếch tán. 2.2. Các chế độ cấp nhiên liệu lý thuyết cần thiết cho động cơ thực nghiệm Lưu lượng nhiên liệu LPG cung cấp ở chế độ % bướm ga (BG) & tốc độ động cơ (n): 3 k LPG v h 0 n .3600 G .i.V .10 . [kg/h] 2.60 .L     2.2.1. Lưu lượng nhiên liệu LPG cung cấp ở chế độ vị trí 100% BG và n = 5800 [v/ph]: 3 LPG 1,119 5800 .3600 G 0,718.4.0,3995.10 . =14,96[kg/h] 2.60 0,962.15,5335   (2.1) 2.2.2. Lưu lượng nhiên liệu LPG cung cấp ở chế độ vị trí 75% BG, n = 4000 [v/ph] 3 LPG 1,119 4000 .3600 G 0,54.4.0,3995.10 . =7,21[kg/h] 2.60 1,035.15,5335   (2.2) 2.2.3. Lưu lượng nhiên liệu LPG cung cấp ở chế độ vị trí 50% BG, n = 3000 [v/ph] 3 LPG 1,119 3000 .3600 G 0,45.4.0,3995.10 . =4,76[kg/h] 2.60 0,979.15,5335   (2.3) Hình 1. Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG điều khiển tự động. (I: Đường cung cấp LPG chính; II: Đường không tải.) 1: Van điện từ; 2: Bộ hóa hơi - giảm áp; 3: Van cung cấp chính LPG; 4: Họng khuếch tán; 5: Không khí vào; 6: Cánh bướm ga; 7: Đường ống nạp vào cylinder; 8: Gicleur không tải; 9: Van không tải; 10: Nước ra; 11: Nước vào; 12: Bình chứa LPG; 13:Van điện từ và áp kế. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 33 2.2.4. Lưu lượng nhiên liệu LPG cung cấp ở chế độ vị trí 25% BG, n = 2000 [v/ph] 3 LPG 1,119 2000 .3600 G 0,365.4.0,3995.10 . =2,85[kg/h] 2.60 0,886.15,5335   (2.4) 2.2.5. Lưu lượng nhiên liệu LPG cung cấp ở chế độ vị trí 10%BG, n = 1000 [v/ph] 3 LPG 1,119 1000 .3600 G 0,314.4.0,3995.10 . =1,34[kg/h] 2.60 0,809.15,5335   (2.5) 2.3. Tính toán van tiết lưu cung cấp LPG Độ chân không tại họng khuếch tán của động cơ thực nghiệm ở chế độ toàn tải: 2 2 . . . 2 2.60 kv h hkn h D ni pS d ρη µ    ∆=     [N/m 2 2 3 h 1,119 79 5800.4 0,7182 p . 81,5.10 . . . 2 24 2.60 0,95               ] =9725[N /m 2 Đường kính tiết diện ống dẫn khí LPG vào họng khuếch tán : ] 5 3 c LPG tt 4.f 4.2,05266.10 d 5.10 [m] 3,14       (2.6) 2.3.1. Tiết diện lưu thông của khí LPG qua van tiết lưu: Phương trình Bernoullie tại hai mặt cắt 1-1, 2–2 có dạng: 22 1 11 2 2 2 1 2 w12 LPG LPG P .v P .v zzh .g 2g .g 2g    (2.6) Tổng tổn thất năng lượng của nhiên liệu LPG khi qua van cung cấp:   0,6 + 1,54 +1,10+0,39+0,34 = 3,97 Diện tích tiết diện ống dẫn khí LPG vào van: f 1 2 0,005 4 ≥3,96.π. =7,8.10 -5 [m 2 Đường kính tiết diện ống dẫn khí LPG vào van tiết lưu: ] Hình 2. Họng khuếch tán LPG. Hình 3. Kết cấu van chính cung cấp LPG. Hình 4. Mặt cắt van cung cấp. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 34 5 3 1 4.f 4.7,8.10 d = = 9,96.10 [m]     Mật độ phân tử của nhiên liệu LPG ở trước và sau chốt van không đổi, do đó phương trình liên tục đối với dòng chảy khí LPG: v 1. f 1 = v 2. F 2   1 h1 .h ' f dd 2   . Tiết diện lưu thông của nhiên liệu qua van cung cấp: 2.3.2. Độ dịch chuyển của chốt van cung cấp LPG Độ dịch chuyển của chốt van cung cấp LPG theo phương x là hàm x(f x   2 x .D.sin .D.sin 2. .sin .sin 2 .f x .sin .sin 2     ): [mm] (2.7) Độ dịch chuyển của chốt van cung cấp LPG theo tín hiệu của cảm biến vị trí bướm ga là hàm x(V): x = - 0,0381.V² +1,5425.V + 1,2298 [mm] (2.8) 2.4. Thiết lập mạch điều chỉnh tự động 2.4.1. Các yêu cầu của mạch điều chỉnh − Giao tiếp và nhận được tín hiệu của cảm biến. − Xử lý mọi thông tin về quá trình cháy LPG. − Điều khiển chính xác và kịp thời van tiết lưu. 2.4.2. Nguyên tắc hoạt động của m − Nhiên liệu LPG cấp vào họng khuếch tán nhờ van cung cấp chính dạng chốt côn. ạch điều chỉnh − Khi khởi động, mạch điều chỉnh nhận tín hiệu của cảm biến bướm ga, xử lý và truyền xung đến động cơ bước làm cho chốt van di chuyển. − Lúc động cơ hoạt động, độ chân k hông tại họng thay đổi phụ thuộc tốc độ động cơ và độ mở bướm ga. Khi độ chân không tăng ở họng, mật độ không khí giảm dần nhưng khối lượng riêng LPG không thay đổi nên làm cho hòa khí đậm dần nhiên liệu không cháy kiệt, thải ra ngoài và tiêu hao nhiên liệu tăng [4]. Nồng độ oxygen trong khí thải giảm, cảm biến oxy kiểm soát, gởi tín hiệu đến mạch điều chỉnh xác định tỷ số A/F, so với giá trị lý thuyết và truyền xung điều khiển tới van hãm cấp LPG Hình 5. Mạch điều chỉnh tự động 3 2 7 5 8 10 1 6 4 9 Hình 6. Bộ điều chỉnh cung cấp LPG 1: Công tắc chuyển LPG -Xăng; 2:Mạch vi điều khiển;3: Van không tải; 4: Gicleur không tải; 5: Lưu lượng kế đo LPG không tải; 6: Van tiết lưu cung cấp LPG chính; 7: Động cơ bước; 8: H ọng khuếch tán; 9 Bộ hóa hơi; 10: Mạch cảm ứng điện từ. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 35 3. Nghiên cứu thực nghiệm Thực nghiệm được tiến hành với các thiết bị AVL hiện đại tại phòng Thí nghiệm động cơ và ôtô, trườ ng ĐHBK - Đại học Đà Nẵng. Tạm gọi: Bộ điều chỉnh tự động cung cấp nhiên liệu LPG là bộ LA (LPG AUTO); Bộ điều chỉnh bằng tay là bộ LM (LPG MANUAL); Bộ cung cấp nhiên liệu xăng là bộ X (XĂNG). 3.1. Kết quả đường kính của họng khuếch tán - Thử nghiệm đường kính của họng d h = 22,5÷24[mm], động cơ hoạt động được ở mọi vị trí % bướm ga và tốc độ động cơ n = 1000÷7000[v/ph] khi d h - Tính toán lý thuyết, đường kính của họng khuếch tán dh = 23,746[mm] là phù hợp. = 24[mm]. 3.2. Kết quả đo công suất và moment Công suất có ích của động cơ dùng bộ (LA) giảm 14,3% so với dùng xăng. 3.3. Kết quả đo suất tiêu hao nhiên liệu Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu tiệm cận với trục hoành. Cùng công suất và vị trí bướm ga thì suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ dùng bộ (LA) thấp hơn so với bộ (LM) hoặc khi cảm biến oxy không hoạt động. 3.4. Kết quả hệ số dư lượng không khí Hệ số dư lượng không khí dao động liên tục. Ở tốc độ động cơ lớn, hệ số α thay đổi trong khoảng 1÷ 1,05. 3.5. Kết quả đo nồng độ khí thải 3.5.1. Nồng độ CO trong khí thải Nồng độ CO phát sinh càng nhiều khi động cơ hoạt động ở chế độ tải thấp. Nồng độ khí CO của động cơ dùng bộ điều chỉnh (LA) đều nhỏ nhất so với động cơ dùng Alpha 25% 0 10 20 30 40 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 n [v/ph] Ne[kW] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Me[N.m] Nex [kW] NeLM [kW] NeLA [kW] Mex [Nm] MeLM [Nm] MeLA [Nm] Hình 7. Biến thiên Ne[kW] & Me[N.m] theo n [v/ph], αt = 25%. CÔNG SUẤT- SUẤT TIÊU HAO NHIÊN LIỆU, khi ở vị trí 25% bướm ga 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 n [v/ph] Ne[kW] 0 100 200 300 400 500 600 700 800 ge[g/kW.h] Nex [kW] NeLM [kW] NeLA [kW] geXĂNG [g/kW.h] ge LPG MANUAL [g/kW.h] ge LPG AUTO [g/kW.h] Hình 8. Quan hệ ge =f(n) và ge*Ne[g/h], khi αt = 25%. Alpha 25% 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 n [v/ph] LPG A LPG M XĂNG Hệ số dư lượng không khí Hình 9. Quan hệ α = f(n), khi αt = 25%. Alpha 25% 0.5 1 1.5 2 2.5 3 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 n [v/ph] CO [%V] XĂNG [%V] LPG MANUAL [%V] LPG AUTO [%V] Hình 10. Nồng độ CO trên đường thải, khi αt = 5%. Alpha 75% 150 200 250 300 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 n [v/ph] HC[ppmV] XĂNG [ppmV] LPG MANUAL [ppmV] LPG AUTO [ppmV] Hình 11. Nồng độ HC trên đường thải, khi αt = 75% Alpha 75% 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 n [v/ph] NOx[ppmV] XĂNG [ppmV] LPG MANUAL [ppmV] LPG AUTO [ppmV] Hình 12. Nồng độ NOx trên đường thải, khi αt = 75% TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 36 xăng hay dùng bộ cung cấp (LM). So dùng xăng thì nồng độ CO trong khí thải của động cơ dùng bộ (LA) giảm 43,7%. 3.5.2. Nồng độ HC trong khí thải Nồng độ HC tăng nhiều ở n = 2000 [v/ph] với vị trí 10% bướm ga và tốc độ n = 4250[v/ph] với 75% bướm ga. Khi động cơ dùng LPG, nồng độ HC trong khí thải rất thấp. So với động cơ dùng xăng, nồng độ HC trong khí thải của động cơ dùng bộ (LA) giảm 40,4%. 3.5.3. Nồng độ NOx trong khí thải NOx trong khí thải của động cơ dùng LPG thấp. Ở vị trí 75% bướm ga khi n = 3000[v/ph] thì NOx của động cơ dùng xăng phát thải lớn nhất, sau đó giảm dần ở chế độ gần đầy tải. So với dùng xăng thì nồng độ NOx trong khí thải của động cơ dùng bộ (LA) giảm 50,8%. 4. Kết luận Kết quả nghiên cứu trên cho phép chúng ta kết luận: 1. Van điều chỉnh tự động cung cấp LPG sử dụng vi điều khiển kiểm soát được quá trình cung cấp LPG. Khả năng điều chỉnh của van rất mịn (0,04mm/bước), khắc phục được tình trạng cung cấp LPG bậc thang của phương án dùng các van solenoid trước đây. 2. Bộ điều chỉnh (LA) tiết kiệm nhiên liệu, kể cả tốc độ động cơ lớn. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ thực nghiệm dùng bộ (LA) giảm so với bộ (LM). Công suất dùng bộ (LA) thấp hơn 14,3% so với dùng xăng. 3. Chất ô nhiễm trong khí thải giảm đáng kể khi động cơ ôtô sử dụng bộ (LA). Nồng độ khí thải CO giảm 43,7%, HC giảm 40,4%, NOx giảm 50,8% so với dùng xăng. Môi trường sống sẽ “xanh sạch” hơn. Động cơ dùng bộ (LA) đạt các tiêu chuẩn khí thải đối với phương tiện giao thông cơ giới đường bộ quy định trong Quyết định 249/2005/QĐ -TTG ngày 10-10-2005 của Thủ tướng chính phủ. 4. Gia công chế tạo bộ (LA) đơn giản, lắp ráp thuận tiện và giá thành giảm so với dùng mạch IC và so với phun LPG vào đường nạp. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trương Ngọc Anh, Vi điều khiển, NXB ĐHSPKT TP Hồ Chí Minh, 2007. [2] Bùi Văn Ga, Quá trình cháy trong động cơ đốt trong, NXB.KHKT, Hà Nội, 2002. [3] Bùi Văn Ga, Văn Thị Bông, Trầ n Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng , Ô tô và ô nhiễm môi trường, NXB Giáo dục, Đà Nẵng, 1999. [4] Nguyễn Tất Tiến, Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB Giáo dục, Hà Nội, 2000. [5] I.E.Ideltric, Sách tra cứu sức cản thủy lực, tập III, NXB KHKT, Hà Nội, 1987. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 37 [6] Daewoo Motor Co.LTD, Service Training Manual Electrical Wiring Diagram, 2001. [7] Douglas W. Jones, Stepping Motors, University of IOWA, Department of Computer Science, USA, 2001. [8] Henry Clayton, Liquefied Petroleum Gas an automotive fuel for the future, Australia Liquefied Petroleum Gas Association, Australia, 2006. [9] John B. Heywood, Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill Book Company, Singapore, 1988. . TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 31 ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN VÀO BỘ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG CUNG CẤP LPG CHO ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC APPLICATION OF. tính toán lý thuyết . Bài báo này trình bày phương án nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động sử dụng vi điều khiển và động cơ bước cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ ôtô thế hệ mới góp phần. nghiệm động cơ và ôtô, trườ ng ĐHBK - Đại học Đà Nẵng. Tạm gọi: Bộ điều chỉnh tự động cung cấp nhiên liệu LPG là bộ LA (LPG AUTO); Bộ điều chỉnh bằng tay là bộ LM (LPG MANUAL); Bộ cung cấp nhiên