tính toán lượng không khí nạp thời kỳ chạy không tải và thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ không tải động cơ

Mục lục Mục lục 1 Giới thiệu đầu 2 Chơng I: hệ thống không tảI sử dụng bộ chế hoà khí & các hệ thống không tải hiện nay 2 Chơng II: Tính lu lợng không khí nạp thời kỳ chạy không tải 17 A. Quá trình chạy không tải ổn định 18 B. Quá trình chạy không tải phụ thuộc vào 31 nhiệt độ động cơ 31 Chơng III: Viết chơng trình tính toán lu lợng không khí nạp thời kỳ chạy không tải và mô phỏng quá trình hoạt động của van 34 Chơng iV: xây dựng mô hình Sơ đồ điều khiển & 50 thiết kế mạch điều khiển 50 Chơng V: lựa chọn cảm biến 54 Chơng VI: Thiết kế & tính toán động cơ bớc 65 Chơng VII: Chọn linh kiện chế tạo ECU 74 Phạm vi ứng dụng 80 Tài liệu tham khảo 81 1 Giới thiệu đầu Khoảng 30 năm gần đây, Ngành công ngiệp ô tô đạt đợc bớc tiến đáng kể, và sẽ phát triển rất nhanh trong những năm tới, nhiều công nghệ mới về vật liệu, điện tử, điều khiển, đợc áp dụng cho các loại động cơ đốt trong, làm cho động cơ gọn nhẹ hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn, dễ điều khiển hơn và ngày càng tiện nghi cho ngời sử dụng. Đặc biệt vấn đề bảo vệ môi trờng đa ra các yêu cầu rất cao về khí xả, các xe đời mới đã có những cải tiến cơ bản để đáp ứng với những yêu cầu đó. Trong những năm gần đây, công nghệ chế tạo động cơ đang đợc đa vào Việt nam với nhiều công ty liên doanh, hoặc công ty 100% vốn nớc ngoài, xe hơi bắt đầu đang đợc sử dụng rộng rãi, không chỉ các xe công, các xe t nhân cũng đang đợc sử dụng, và phát triển nhanh trong thời gian tới. Trên cơ sở các dự báo về sự phát triển ô tô trong thời gian tới, em nhận chọn đề tài: Tính toán lợng không khí nạp thời kỳ chạy không tải và thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ không tải động cơ. Đề tài này đợc chia ra thành 6 chơng với những nội dụng chính sau: Chơng I: Sự cần thiết điều khiển tốc độ không tải động cơ & Các hệ thống không tải hiện nay. Chơng II: Tính lu lợng không khí nạp thời kỳ chạy không tải. Chơng III: Viết chơng trình tính lu lợng không khí nạp thời kỳ chạy không tải và mô phỏng quá trình hoạt động của van. Chơng IV: Thiết kế cảm biến. Chơng V: Tính toán & Thiết kế động cơ bớc. Chơng VI: Thiết kế mô hình điều khiển tốc độ động cơ & Chọn linh kiện chế tạo ECU. Các chơng viết theo bố cục chặt chẽ và chi tiết tiện cho quá trình truy cứu. Chơng I: hệ thống không tảI sử dụng bộ chế hoà khí & các hệ thống không tải hiện nay 2 I. Hệ thống không tải trong động cơ dùng bộ chế hoà khí. 1. Sự cần thiết của hệ thống không tải. Trong quá trình hoạt động của động cơ ban đầu là khởi động lạnh động cơ tiếp đó là quá trình chạy không tải trong một thời gian sau đó động cơ hoạt động có tải, Khi động cơ hoạt động bình thờng thì hệ thống nhiên liệu chính làm việc quá trình này động cơ hoạt động ở tốc độ cao và công suất phát ra của động cơ lớn, cần lợng không khí và nhiên liệu nhiều, nhng khi hoạt động ở chế độ không tải ta chỉ N e = 0 chỉ cần phát ra công suất đủ thắng sức cản bản thân động cơ ở số vòng quay nhỏ (N i = N m ) vì vậy chỉ cần lợng hỗn hợp nhỏ nên bớm ga đóng nhỏ, khi đó tốc độ không tải qua họng và độ chân không ở họng p h nhỏ không đủ hút nhiên liệu ra khỏi vòi phun chính, mặt khác hỗn hợp khí chạy không tải phải đậm (thờng = 0,6). Cần phải có một hệ thống cung cấp hỗn hợp cho động cơ khi chạy không tải. 2. Nguyên lý làm việc hệ thống không tải dùng chế hoà khí. Trong động cơ cổ điển hệ thống không tải chủ yếu là cơ khí. Kết cấu hệ thống không tải này thờng đơn giản làm việc chắc chắn tuổi thọ cao, để điều chỉnh lợng không khí nạp cho thời kỳ chạy không tải này ngời ta thờng thiết kế vít điều chỉnh để tăng hoặc giảm tuỳ theo kiểu động cơ. 3 a) Sơ đồ nguyên lý. 7 1 3 2 4 6 5 Hình 1.1 1. Lỗ cung cấp hỗn hợp. 2. Lỗ chuyển tiếp. 3. Vít điều chỉnh hỗn hợp. 4. ống hỗn hợp. 5. Giclơ không khí. 6. Giclơ nhiên liệu. 7. Vít điều chỉnh kênh ga. b) Nguyên lý làm việc. Khi động cơ chạy bớm ga đóng gần kín lu lợng không khí qua họng khuyếch tán nhỏ khiến độ chân không tại đây nhỏ nên khả năng hút xăng cũng nh xé tơi và hoà trộn xăng với không khí kém. Do đó hệ thống chính không có khả năng cung cấp hỗn hợp cho động cơ chạy không tải. Trong khi đó độ chân không sau bớm ga lớn nên đợc tận dụng để hút xăng ra họng khuyếch tán và tạo thành hỗn hợp cho động cơ chạy không tải, cụ thể xăng đợc hút ra từ buồng phao qua gíc lơ nhiên liệu 6 (Hình 1.1) còn không khí đợc hút qua gíc lơ 5 vào ống hỗn hợp 4. Tại đây xăng hoà trộn với không khí tạo thành dạng nhũ tơng tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bay hơi và hoà trộn của xăng với không khí tạo thành hỗn hợp. Cuối cùng hỗn hợp đợc hút qua lỗ 1 phun vào không gian sau bớm ga. Quá trình bay hơi và hoà trộn của xăng với không khí tiếp tục diễn ra trên đờng nạp vào xy lanh động cơ. 4 Khi động cơ chuyển từ chế độ không tải sang chế độ có tải, bớm ga mở to dần. Độ chân không sau bớm ga giảm đi dẫn tới lợng hỗn hợp cung cấp qua hệ thống không tải giảm trong khi hệ thống chính cha hoạt động vì độ chân không ở họng khuyếch tán còn nhỏ khiến động cơ có thể bị chết máy. Để khắc phục hiện tợng này, trong hệ thống không tải có lỗ chuyển tiếp 2 ở vào vị trí phía sau bớm ga, lúc đó lỗ 2 sẽ trở thành lỗ bổ sung hỗn hợp cho chế độ chuyển tiếp. Còn ở chế độ không tải, lỗ 2 đóng vai trò cung cấp không khí vào ống hỗn hợp 4. Chế độ không tải đợc điều chỉnh sao cho động cơ làm việc ổn định ở số vòng quay nhỏ nhất có thể nhằm tiết kiệm nhiên liệu. Thông thờng chế độ không tải đợc điều chỉnh theo trình tự sau đây. đầu tiên vít điều chỉnh hỗn hợp 3 đợc vặn chặt rồi nới ra theo quy định của nhà chế tạo (ví dụ đối với xe Dream II là 2 8 1 vòng). Vít kênh ga 7 đợc vặn vào một chút để tăng độ mở của bớm ga. Sau đó cho động cơ khởi động. Nếu không tác động lên cơ cấu điều chỉnh bớm ga thì động cơ sẽ chạy không tải ở tốc độ cao. Nới dần vít 7 bớm ga sẽ đóng nhỏ lại, tốc độ động cơ giảm đi cho đến khi động cơ đạt đợc tốc độ không tải ổn định nhỏ nhất. 3. Hiệu chỉnh không tải nhanh. *.Sơ đồ nguyên lý. 5 1 2 3 4 5 6 Hiệu chỉnh không tải nhanh A (Độ chân không) Hình 1.2 1. Cam không tải nhanh 2.Bớm gió. 3. Van nhiệt 4. Hộp màng. 5. Cần ga. Khi nhiệt độ động cơ còn thấp (sau khởi động lạnh), van nhiệt 3 {lắp trên thùng nớc làm mát} (Hình 1.2) cha làm việc, độ chân không sau bớm ga truyền qua đờng a vào hộp màng 4 hút màng dịch sang phải cam 1 quay và tác động vào cần ga 5 giữ cho bớm ga có độ mở nhất định, đảm bảo lợng hỗn hợp thích hợp cho động cơ làm việc ở chế độ không tải nhanh. Khi nhiệt độ động cơ làm việc đến nhiệt độ yêu cầu thì van nhiệt 3 làm việc (thờng là thanh lỡi lam) đóng kín đờng chân không tới hộp màng 4, lò xo trong hộp màng sẽ đẩy màng sang trái, tác động vào cam 1 làm cho cần ga quay, đóng nhỏ bớm ga ứng với chế độ không tải chuẩn. 4. Phân tích thời kỳ chạy không tải (chế độ chuẩn). Khi động cơ làm việc kéo dài ở chế độ không tải, nhiệt độ động cơ tăng lên hỗn hợp quá đậm (do lợng khí nạp vào giảm), động cơ làm việc không ổn định thậm chí còn bị chết máy. Để hạ nhiệt độ ngời ta thờng dùng van hạ nhiệt nhằm đa 6 thêm gió vào làm mát máy, nhờ đó hỗn hợp sẽ không quá đậm. Ngoài chế độ chạy không tải chuẩn còn có chế độ chạy không tải cỡng bức (Khi đạp chân ga ). Fresh AirFresh Air máy nóng Mát máy hiệu chỉnh theo nhiệt độ động cơ Hình 1.3 Van hạ nhiệt thờng là một van lỡng kim làm việc theo nhiệt độ (Theo Hình1.3). Khi động cơ có nhiệt độ bình thờng thì van đóng, khi nhiệt độ đông cơ có nhiệt độ cao, van mở, không khí vào làm cho hỗn hợp không quá đậm, lợng hỗn hợp tăng làm cho số vòng quay tăng (lợng hỗn hợp tăng làm tăng số vòng quay), động cơ giảm nhiệt độ. 7 5. Nhận xét. Nhợc điểm của hệ thống không tải kiểu cơ khí: - Số vòng quay không ổn định. - Biến thiên theo nhiệt độ động cơ. - Chuyển tiếp từ không tải thành có tải sang có tải chậm. - Tốn nhiên liệu. - ô nhiễm lớn do hỗn hợp đậm. Với việc phát triển của khoa học và công nghệ nhanh nh hiện nay thì việc ứng dụng vào thực tế phát triển rất nhanh nhất là các ngành mũi nhọn nh: Công nghệ thông tin, điện tử viễn thông, tự động hoá, sinh học trong đó cơ khí không ngoại lệ, nhu cầu đòi hỏi tiết kiệm nhiên liệu ngày càng cao do nhiên liệu ngày càng hiếm dần và các tiêu chuẩn ô nhiễm môi trờng ngày càng khắt khe đòi hỏi môi trờng trong sạch đẹp. Trong đó khí thải của động cơ gây ra ô nhiễm cho môi trờng khá lớn do đó ta cần phải cải tiến động cơ sao cho tiết kiệm đợc nhiên liệu đợc ít nhất có thể đợc và lợng khí thải gây ô nhiễm cho môi trờng giảm tối thiểu. Phơng pháp hiện đại nhất hiện nay là dùng hệ thống điều khiển tự động bằng điện tử. II. Hệ thống không tải hiện đại và việc điều khiển. 1. Sự ra đời hệ thống điều khiển tốc độ không tải động cơ. Việc phát triển của vi xử lý trong mấy chục năm gần đây đã tạo ra cuộc cách mạng lớn về khoa học đã làm thay đổi cả nhân loại. Đã có rất nhiều viện nghiên cứu và các tập đoàn lớn đã đầu t nghiên cứu chế tạo bộ vi xử lý và trong đó công nghệ chế tạo chíp đã có sự phát triển vợt bậc, mốc đánh dấu đầu tiên phải kể đến hãng Intel Những năm 70 đã chế tạo nhiều bộ vi xử lý khác nhau cho công nghiệp trong, và tiếp đến là nhiều hãng khác, Để tận dụng đợc thế mạnh đó chúng ta đã áp dụng đợc vào cho ô tô để điều khiển lợng phun nhiên liệu cho động cơ, góc đánh lửa sớm, điều khiển tốc độ không tải động cơ Sự áp dụng điều khiển tự động vào cho động cơ đã tạo ra sự phát triển mới mẻ cho ngành công nghiệp ô tô, trong đó điều khiển tốc độ không tải động cơ thời kỳ chạy không tải đã có hiệu quả và phát triển. 8 Quá trình điều khiển tốc độ không tải động cơ rất khả thi và hiệu quả đối với các nớc có ngành công nghiệp ô tô phát triển nh: Nhật, Mỹ, Đức Nhng đối với nớc ta đây là vấn đề vẫn còn khá mới mẻ đang ở giai đoạn mầm mống. Số lợng xe ô tô có sử dụng bộ vi xử lý cha nhiều, thu nhập nớc ta còn thấp để có thể mua đợc một ô tô có trang thiết bị hiện đại. Để giảm giá thành nhập ngoại thì chúng ta phải thiết kế lấy bộ vi xử lý mới thay thế cho vi xử lý của các hãng, do bộ điều khiển chính hãng sau một thời gian làm việc kém chất lợng, gây ra sự mất ổn định của tốc độ không tải thậm chí gây ra chết máy , điển hình là các xe Daewoo , làm cho xe không thể chạy ở chế độ không tải. Mục tiêu đặt ra của chúng ta là chế tạo ra hệ thống điều khiển tốc độ không tải không chỉ áp dụng cho một loại xe có hệ thống phung xăng điện tử của một loại xe duy nhất mà phải áp dụng đợc cho nhiều loại xe khác nhau. 2. Các bớc để thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ không tải động cơ. a) Tiêu chí thiết kế. Đơn giản Dễ chế tạo Làm việc chắc chắn và ổn định Có thể sản xuất đợc hàng loạt Có sự chuẩn hoá Lắp đặt nhanh. b) Phân tích quá trình tính toán & thiết kế đề tài. Do chúng ta phải tự thiết kế toàn bộ hệ thống điều khiển tốc độ không tải động cơ, đòi hỏi phải có độ chính xác cao, có thể sản xuất đợc hàng loạt, hơn nữa việc thiết kế và tính toán bằng tay là kém chính xác hiệu quả không cao, thời gian thiết kế lại nhiều, và để điều khiển đợc tốc độ không tải chúng ta phải đa thông số vào cho vi xử lý hoạt động. Để làm đợc việc này chúng ta phải sử dụng đến kiến thức của các ngành khác nh: công nghệ thông tin, điện, điện tử, trong đó ngôn ngữ lập trình rất quan trọng. 9 Để đáp ứng với nhu cầu thiết kế trên em chọn hai ngôn ngữ lập trình: Ngôn ngữ lập trình Delphi6.0 và ngôn ngữ lập trình Pascal 7.0 trong quá trình tính toán và thiết kế. Chơng trình viết bằng ngôn ngữ lập trình Delphi nhằm giải quết các vấn đề sau: Tính toán công suất phát ra của động cơ và công suất cản của động cơ của động cơ để sao cho công suất phát ra của động cơ luôn lớn hơn hoặc bằng công suất cản Tính toán lợng không khí nạp vào cho động cơ thời kỳ chạy không tải từ đó tính đợc độ mở van điều khiển tốc độ không tải và số bớc của động cơ bớc, tần số của xung Mô Phỏng hoạt động của van không tải theo sự thay đổi nhiệt độ môi trờng và vẽ các đặc tính của động cơ. Chơng trình viết bằng ngôn ngữ lập trình Pascal nhằm giải quyết vấn đề sau: Tính toán nhiệt. Vẽ đồ thị (đồ thị công, đồ thị động học, đồ thị động lực học) {Do khối lợng chơng trình này rất lớn nên đợc trình bầy trong một tài liệu riêng}. Sau khi tính toán đợc các thông số cho động cơ cùng các đặc tính của nó ta bắt đầu đi vào thiết kế mô hình điều khiển sơ đồ điều khiển phản hồi về tốc độ, các cảm biến cần thiết, động cơ bớc, vi mạch điều khiển. III. Thiết kế van điều khiển tốc độ không tải động cơ 1. Sơ đồ hệ thống điều khiển động phun xăng điện tử trên xe Audi 2.0. Trong các hệ thống điều khiển phun xăng điện tử ngày nay có rất nhiều loại, loại đơn giản nhất chỉ điều khiển phun nhiên liệu tự động và điều khiển góc đánh lửa sớm nh (hệ thống phun xăng điện tử EFI). Có loại có thêm điều khiển chế độ không tải, điều khiển hệ thống treo, điều khiển khả năng kéo nh (hệ thống phun xăng điện tử ECCS), một số động cơ hiện đại bây giờ có cả điều khiển hộp 10 [...]... đoán Điều khiển chế độ chạy không tải Giắc kiểm tra Nguồn điện Vòi phun khởi động lạnh ống nạp từng xy lanh Các vòi phun xu pap nạp Xy lanh động cơ Đèn kiểm tra máy Hình 1.5 2 Thiết kế van điều khiển tốc độ không tải động cơ Van điều khiển tốc độ không tải đợc điều khiển bằng bộ vi sử lý thông qua động cơ bớc, từ động cơ bớc đợc dẫn động tới van để mở van hoặc đóng van 12 Cấu tạo của van Đ ờng khí vào... (mm) B Quá trình chạy không tải phụ thuộc vào nhiệt độ động cơ Trong phần A ta đã tính đợc lợng không khí nạp thời kỳ chạy không tải và các thông số khác, nhng đây chỉ là chế độ hoạt động cơ tại một nhiệt độ nhất định Trên thực tế nhiệt độ của động cơ thời kỳ chạy không tải thay đổi và quá trình chạy không tải ở những thời điểm khác nhau có nhiệt độ động cơ khác nhau Ví dụ nh ở Nga nhiệt độ khác Việt nam,... điều khiển phản hồi lại tốc độ) và làm việc ở tốc độ cao Chú ý: Khi tháo van ra khỏi động cơ bớc ta dùng điện áp đa vào sao cho quay theo chiều ngợc để van đi lên 16 Chơng II: Tính lu lợng không khí nạp thời kỳ chạy không tải Do chúng ta tự chế tạo lấy van điều khiển tốc độ không tải để thay thế cho các xe có hệ thống không tải bị hỏng và để lắp mới cho xe cha có hệ thống điều khiển tốc độ không tải. .. thay đổi của nhiệt độ động cơ hầu nh không làm thay đổi đến các thông số khác, mô men cản của đông cơ hầu nh không thay đổi, lúc này động cơ và van điều khiển tốc độ không tải hoạt động ở chế độ ổn định Số bớc quay của động cơ bớc đợc điều khiển từ ECU cũng không thay đổi 33 Chơng III: Viết chơng trình tính toán lu lợng không khí nạp thời kỳ chạy không tải và mô phỏng quá trình hoạt động của van (Viết... đờng đặc tính của động cơ Hình 2.5 Nhận xét: Từ đồ thị các đờng đặc tính làm việc của động cơ và của van điều khiển tốc độ không tải (Hình 2.5) ta thấy rằng, khi nhiệt độ của động cơ thấp sự thay đổi nhỏ của nhiệt độ dẫn đến sự thay đổi lớn về độ nhớt và do đó dẫn đến sự thay đổi lớn của các thông số đặc trng cho hoạt động của động cơ cũng nh van điều khiển tốc độ không tải Khi nhiệt độ động cơ cao... nhiệt độ của động cơ cũng khác nhau Do vậy ta phải tính quá trình hoạt động của động cơ thay đổi theo nhiệt độ Khi nhiệt độ động cơ thay đổi dẫn đến độ nhớt dầu bôi trơn thay đổi làm cho mô men cản của động cơ thay đổi, dẫn đến công suất cản của động cơ thay đổi Để cho động cơ hoạt động đợc ổn định tại một số vòng quay và để tối u hoá lợng nhiên liệu cung cấp cho động cơ ta phải tính ra lợng không khí nạp. .. chuyển động quay trong động cơ thay đổi từ đó công suất cản của động cơ thay đổi 13 Để cho động cơ hoạt động đựơc ổn định tại một số vòng quay thì công suất phát ra của động cơ phải lớn hơn công suất cản của động cơ, khi đó ta phải thay đổi áp suất cuối hành trình nạp từ đó tính ra lu lợng không khí đi vào động cơ cho thời kỳ nạp, từ lu lợng không khí ta tính đợc diện tích lu thông qua van và hành... Độ nhớt theo SAE 10W-40 Nhiệm vụ của ta là tính lợng không khí nạp để sao cho công suất phát ra của động cơ lớn hơn công suất cản của động cơ, sau đây là quá trình tính toán I Tính công suất cản động cơ 1 Phân tích thời kỳ động cơ chạy không tải a) Công tổn thất cơ giới Lcg Gồm công tiêu hao cho ma sát giữa các chi tiết của động cơ: Công dẫn động các cơ cấu phụ, công tổn thất trong hành trình nạp và. .. nạp cho thời kỳ chạy không tải để sao cho công suất phát ra của động cơ luôn lớn hơn hoặc bằng công suất cản của động cơ Khi lợng không khí nạp vào cho động cơ thay đổi theo nhiệt độ động cơ dẫn đến các sự thay đổi cuả các thông số khác nh: suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị, hành trình của van điều khiển tốc độ không tải Từ đó ta vẽ đợc các đờng đặc tính của các thông số đặc trng cho sự hoạt động cơ cũng... biến nhiệt độ nớc 27 Cảm biến nhiệt độ khí nạp Nguyên lý hoạt động Từ sơ đồ hệ thống điều khiển phun xăng điện tử (Hình 1.4), ta chia làm 3 hệ thống chính: Hệ thống điện, hệ thống nhiên liệu, hệ thống không khí Đợc thể hiệ bằng sơ đồ khối nguyên lý hoạt động dới đây sơ đồ khối nguyên lý hoạt động Điện Xăng Không khí Không khí Cảm biến Các công tắc - CB áp suất - CB đo số vòng quay động cơ - CB vị . của động cơ luôn lớn hơn hoặc bằng công suất cản Tính toán lợng không khí nạp vào cho động cơ thời kỳ chạy không tải từ đó tính đợc độ mở van điều khiển tốc độ không tải và số bớc của động cơ. hoạt động của động cơ ban đầu là khởi động lạnh động cơ tiếp đó là quá trình chạy không tải trong một thời gian sau đó động cơ hoạt động có tải, Khi động cơ hoạt động bình thờng thì hệ thống. đi vào thiết kế mô hình điều khiển sơ đồ điều khiển phản hồi về tốc độ, các cảm biến cần thiết, động cơ bớc, vi mạch điều khiển. III. Thiết kế van điều khiển tốc độ không tải động cơ 1. Sơ đồ hệ