thiết kế, chế tạo bộ điều tốc điện tử động cơ diesel d4bb (lắp trên xe hyundai porter 1 25)

Vì vậy, việc thiết lập một cơ cấu tự động điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình làm việc của động cơ là cần thiết, qua đó giữ cho số vòng quay động cơ không thay đổi đó

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC ĐIỆN TỬ

ĐỘNG CƠ DIESEL D4BB (LẮP TRÊN XE HYUNDAI PORTER 1.25)

MÃ SỐ: T13 - 2008

S 0 9

S KC 0 0 2 1 9 4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

-

ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC ĐIỆN TỬ

ĐỘNG CƠ DIESEL D4BB

(LẮP TRÊN XE HYUNDAI PORTER 1.25)

MÃ SỐ: T13 - 2008

THUỘC NHÓM NGÀNH: KHOA HỌC KỸ THUẬT

NGƯỜI CHỦ TRÌ : ThS PHAN NGUYỄN QUÍ TÂM

ĐƠN VỊ : KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TP HỒ CHÍ MINH – 12/2008

MỤC LỤC Trang

Phần 1 Đặt vấn đề 2

I Đối tượng nghiên cứu 2

II Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2

III Những vấn đề còn tồn tại .2

Phần 2 Giải quyết vấn đề 3

I Mục đích đề tài 3

II Phương pháp nghiên cứu 3

III Nội dung 3

III.1.Kế hoạch thực hiện đề tài 3

III.2 Cơ sở lý thuyết cho việc lắp bộ điều tốc 3

III.2.1 Bộ điều tốc trên động cơ đốt trong 3

III.2.2 Bơm cao áp VE trên động cơ D4BB 12

III.2.3 Hiện trạng sử dụng bộ điều tốc điện tử trên động cơ Diesel 20

III.3 Tổng quan về điều khiển lập trình 21

III.3.1 Giới thiệu vi điều khiển PIC 16F877A 21

III.3.2 Các linh kiện khác 23

III.4 Thiết kế, chế tạo bộ điều tốc điện tử 23

III.4.1 Thực nghiệm thu thập số liệu điều khiển bộ điều tốc cơ khí 25

III.4.2 Thiết kế, chế tạo bộ điều tốc 25

III.5 Thực nghiệm đánh giá bộ điều tốc điện tử 41

III.5.1 Động cơ thực nghiệm 41

III.5.2 Thực nghiệm đánh giá khí thải .42

III.5.3 Đánh giá kết quả thực nghiệm 44

IV Kết quả nghiên cứu 45

IV.1 Tính khoa học 45

IV.2 Khả năng triển khai ứng dụng vào thực tiễn 45

IV.3 Hiệu quả kinh tế, xã hội 45

Phần 3 Kết luận và đề nghị 46

I Kết luận 46

II Hướng phát triển của đề tài 46

III Đề nghị 46

Phụ lục 49

Tài liệu tham khảo 51

Phần I: ĐẶT VẤN ĐỀ

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU:

Ngày nay động cơ Diesel trở thành nguồn động lực quan trọng của các ngành công nghiệp nhất là trong giai đoạn hiện nay Do đó, vấn đề tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao tuổi thọ và tận dụng công suất động cơ Diesel là những yêu cầu có tính cấp bách đã và đang được các nhà nghiên cứu trên thế giới tìm cách giải quyết một cách triệt để Điều chỉnh tự động thông qua kỹ thuật điều khiển điện tử là một trong những biện pháp tối ưu để giải quyết các yêu cầu trên Chính vì vậy, việc thiết kế và chế tạo bộ điều tốc điện tử cho động cơ Diesel sẽ phù hợp với xu thế chung của thế giới và tình hình thực tế ở nước ta khi mà bộ điều tốc cơ khí truyền thống dần bộc lộ nhiều khuyết điểm Một vài nhược điểm của nhiêu liệu hóa thạch đã mở ra một kỷ nguyên mới về việc sử dụng nguồn nhiên liệu kép cho động cơ Diesel như Diesel - LPG, Diesel - CNG….Với các loại nhiên liệu kép này thì bộ điều tốc kiểu cũ không thể phát huy tác dụng Khi đó, bộ điều tốc điện tử là một giải pháp hiệu quả Vì vậy, người nghiên cứu

quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều tốc điện tử cho động cơ

Diesel sử dụng bơm cao áp VE” Ngoài ra, đề tàøi này giúp học viên ngành ô tô có điều

kiện ứng dụng những kiến thức lý thuyết đã học vào thực tế, từng bước tiếp cận những

công nghệ mới của thế giới, thu hẹp khoảng cách về trình độ, công nghệ với thế giới

II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC:

ƒ Nghiên cứu, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ Diesel – Lê Thanh Phúc – Luận văn thạc sĩ, người hướng dẫn: PGS TS Đỗ Văn Dũng – Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM

Đề tài liên quan đến vấn đề việc lắp đặt bộ điều tốc điện tử điều khiển bằng

môtơ bước thay cho bộ điều tốc bộ điều tốc cơ khí trên động cơ Diesel Vikyno RV

125, 1 xylanh khi sử dụng nhiên liệu kép LPG -Diesel Kết quả đề tài cho thấy khả

năng ứng dụng rộng rãi loại nhiên liệu kép Diesel - LPG cho động cơ Diesel

ƒ Nghiên cứu, chế tạo mạch điều khiển hộp số tự động dùng vi điều khiển – Trần Văn Nguyện – Luận văn thạc sĩ, người hướng dẫn: PGS TS Đỗ Văn Dũng – Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM

Luận văn được hoàn thành trên cơ sở ứng dụng vi xử lý để chế tạo mạch điều khiển hộp số tự động theo chương trình Kết quả luận văn cho thấy khả năng ứng dụng rộng rãi của vi điều khiển trong điều khiển lập trình hoạt động cho nhiều kết cấu cơ

khí và thiết bị điện phức tạp

Phần 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI:

Đề tài có hai mục đích chính đó là:

dụng bơm cao áp VE theo yêu cầu sử dụng

tử

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

Đề tài được thực hiện dựa trên các phương pháp nghiên cứu sau:

III NỘI DUNG:

III. 1 Kế hoạch thực hiện đề tài:

¾ 01.08 – 02.08: Nghiên cứu cơ sở của việc lắp bộ điều tốc trên động cơ Diesel

¾ 03.08 – 05.08: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết điều chỉnh tự động tốc độ động cơ

Diesel, kỹ thuật vi điều khiển

¾ 06.08 – 09.08: Thiết kế, chế tạo bộ điều tốc điện tử

¾ 10.08: Thực nghiệm kiểm tra sản phẩm chế tạo

¾ 11.08: Đánh giá kết luận và viết thuyết minh

III.2 Cơ sở lý thuyết cho việc lắp bộ điều tốc

III.2 1 Bộ điều tốc trên động cơ đốt trong

III.2.1.1 Đại cương về điều chỉnh tự động chuyển động của động cơ

Động cơ đốt trong thường xuyên phải thay đổi chế độ làm việc một cách đột ngột, nghĩa là các chế độ làm việc ổn định của động cơ luôn bị phá vỡ (đặc biệt là ở động cơ diesel) Chế độ làm việc ổn định của động cơ chỉ tồn tại khi công suất động cơ

(Ne) cân bằng với công suất cản (Nc) hoặc ở một tốc độ nào đó mà mômen có ích (Me) của động cơ cân bằng với mômen cản (Mc) của máy công tác, nói cách khác là Me- Mc=0

Như vậy, khi phụ tải thay đổi, tốc độ của động cơ cũng thay đổi theo, mặc dù theo phương pháp Whenbauer khối lượng bánh đà có thể bù một phần độ chênh lệch giữa công suất động cơ và công suất cản nhưng nó chỉ mang tính chất tạm thời Hơn nữa, kích thước của bánh đà càng nhỏ tác dụng bù trừ càng ít và có trị số không đáng kể Vì vậy, việc thiết lập một cơ cấu tự động điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình làm việc của động cơ là cần thiết, qua đó giữ cho số vòng quay động cơ không thay đổi đó là bộ điều tốc

Mục đích của việc điều chỉnh tự động là giữ cho thông số đặc trưng của quá trình ở một giá trị nhất định hay biến thiên theo một qui luật cho trước cho dù có những kích động bất thường từ bên ngoài Thông số này được gọi là thông số điều chỉnh Trong phạm vi đề tài này, thông số điều chỉnh là tốc độ của động cơ và đối tượng điều chỉnh là động cơ đốt trong

Thiết bị tự động dùng để điều chỉnh một thông số nào đó gọi là bộ điều chỉnh tự động Bộ điều chỉnh tự động thường gồm những phần cơ bản như sau:

- Bộ cảm biến: phát hiện độ lệch của thông số điều chỉnh so với yêu cầu khi có

sự kích động từ bên ngoài

- Bộ chấp hành: tiếp nhận tín hiệu từ bộ cảm biến và điều chỉnh thông số về giá

trị yêu cầu

Hệ thống gồm bộ điều chỉnh và đối tượng điều chỉnh gọi là hệ điều chỉnh tự động Hệ điều chỉnh tự động thường được bố trí thành chu trình như trên sơ đồ khối hình 2.1 Đối tượng điều chỉnh chịu tác động của nguồn kích động Tác động này có thể làm sai lệch các thông số điều chỉnh so với yêu cầu Sai lệch sẽ được bộ cảm biến nhận biết và chuyển thành tín hiệu dưới dạng số truyền tới bộ chấp hành Khi đó bộ phận chấp hành sẽ hoạt động để đưa thông số điều chỉnh trở về giá trị yêu cầu Mạch truyền tác động từ đối tượng về bộ điều khiển gọi là mạch phản hồi Như vậy hệ điều chỉnh tự động kín là hệ điều chỉnh có phản hồi

Hình 1 Hệ điều chỉnh tự động kín

Ngoài mạch phản hồi chính nói trên của hệ, trong một hệ thống điều chỉnh tự động còn có thể có các mạch phản hồi phụ của một vài bộ phận trong hệ có tác dụng nâng cao chất lượng của quá trình điều chỉnh tự động Nhiều khi do kích động nhỏ, tín hiệu từ bộ phận này phát ra không đủ để làm bộ phận chấp hành hoạt động Để hệ thống có thể hoạt động ngay khi kích động nhỏ, giữa bộ cảm biến và bộ chấp hành có bố trí bộ phận khuếch đại dùng để khuếch đại từ bộ phận cảm biến, sơ đồ khối sẽ có dạng như hình 2

Hình 2 Hệ điều chỉnh tự động kín có bộ phận khuyếch đại

III.2.1.2 Tính ổn định của động cơ đốt trong:

1- Sự cân bằng năng lượng:

Chế độ làm việc của động cơ đốt trong được đặc trưng bằng một tổ hợp những thông số công tác chủ yếu của động cơ (phụ tải, số vòng quay, trạng thái nhiệt…) Chế độ làm việc luôn thay đổi theo đặc điểm của động cơ

Nhân tố chính thể hiện công của động cơ là công suất có ích Ne (KW) là mối

n (vòng/phút) của trục khuỷu thể hiện qua biểu thức sau:

n Me n

Me Me

Trong quá trình làm việc của động cơ Me, n luôn thay đổi Tốc độ nhỏ nhất phụ

thuộc vào điều kiện làm việc ổn định của động cơ Tốc độ lớn nhất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: các điều kiện bảo đảm cho chu trình công tác được tiến hành tốt, mức độ tăng của lực quán tính, ứng suất nhiệt của các chi tiết, độ giảm của hệ số nạp và các yếu tố gây ảnh hưởng xấu đến chu trình công tác, tuổi thọ và độ tin cậy của động cơ

Ứng với mỗi chế độ tốc độ, công suất hay moment có thể thay đổi từ không (chế độ không tải) tới trị số lớn nhất ứng với chế độ tốc độ ấy Vậy, tổng hợp mọi chế độ

làm việc của động cơ ta được đồ thị mà trục hoành là số vòng quay n và trục tung là công suất Ne hay moment Me là diện tích được giới hạn bởi bốn đường: trục hoành, hai

đường thẳng vuông góc với trục hoành ứng với số vòng quay nhỏ nhất và lớn nhất, đường nối các điểm có công suất hay moment cực đại ứng với mỗi chế độ tốc độ (phần gạch chéo trên hình 3

Hình 3 Các chế độ làm việc của động cơ

Công suất cản Nc hay moment cản Mc cũng được đặc trưng bằng các đường

cong thể hiện bằng mối quan hệ với số vòng quay của động cơ trong các điều kiện khác nhau (ví dụ: trạng thái mặt đường đối với ôtô …) như hình 2.4

Hình 4 Đường đặc tính công suất có tích và công suất cản của động cơ ở các chế độ

khác nhau

Trên hình 4 các đường cong 1, 2, 3, 4 thể hiện hàm Ne=f(n) tương ứng với một

vị trí điều khiển của cơ cấu điều khiển động cơ (vị trí bướm ga hoặc thanh răng bơm

cao áp) Các đường cong từ I đến IV biểu diễn sự biến thiên công suất cản Nc=f(n) với

bốn mức cản khác nhau (độ dốc và trạng thái của mặt đường đối với ôtô) Để xác định chế độ làm việc của động cơ chỉ cần đặt đồ thị công suất cản lên đồ thị công suất có ích của động cơ

Giao điểm giữa các đường cong 1, 2, 3, 4 và I, II, III, IV đều là những điểm làm việc ổn định của động cơ Nếu thay đổi một trong hai yếu tố công suất có ích hoặc công suất cản thì điểm làm việc ổn định sẽ thay đổi

lượng sẽ bị phá hủy Công suất động cơ Ne sẽ lớn hơn công suất cản Nc một lượng ab,

phần năng lượng thừa này sẽ làm tăng số vòng quay của hệ thống cho đến khi đạt được

bất kỳ sự thay đổi nào về mặt công suất đều tạo ra cân bằng mới về công suất ở số vòng quay mới

2- Nhân tố ổn định:

Hình 5 giới thiệu hai trường hợp khác nhau về vị trí tương quan giữa đặc tính

moment động cơ Me = f(n) và moment cản Mc = f(n)

Hình 5a Chế độ làm việc ổn định của động cơ

Trường hợp 1 (Hình 5a)

động cơ Me Vào lúc này moment Mc >Me, sự cân bằng năng lượng bị phá vỡ, số vòng

Nếu chế độ cân bằng bị phá hủy, bản thân động cơ có thể phục hồi ở chế độ ban đầu, ta nói chế độ làm việc này là ổn định

Trường hợp 2: (Hình.5 b)

Hình 5b Chế độ làm việc không ổn định của động cơ

tốc độ động cơ tiếp tục tăng mãi hoặc giảm mãi đến khi động cơ chết máy (giống như viên bi lăn trên đỉnh mặt cầu lồi) Muốn hồi phục chế độ làm việc ban đầu cần có tác động từ bên ngoài Chế độ làm việc như vậy là không ổn định và động cơ không có khả năng tự điều chỉnh

Để đánh giá tính ổn định của động cơ về mặt lượng người ta dùng nhân tố ổn

càng thấp và động cơ càng nhanh chóng rời khỏi chế độ làm việc ổn định

Nếu lấy hai đoạn thẳng, tiếp tuyến tại điểm cắt của hai đường đặc tính moment động cơ và moment cản, thay cho hai đường đặc tính đó trong phạm vi biến thiên rất

Mc Me

Mc F

πωω

30 d

Trường hợp 1 có F đ > 0 Vậy nếu F đ > 0 chế độ làm việc của động cơ là ổn

định, động cơ có khả năng tự điều chỉnh

e

M

Δ

bằng cách cắt bớt nhiên liệu

III.2.1.3 Những điều kiện làm việc của động cơ cần sử dụng bộ điều tốc

Động cơ đốt trong cần phải sử dụng bộ điều tốc trong các trường hợp:

- Cần phải giữ không đổi số vòng quay của động cơ

- Trong trường hợp do đặc tính động cơ mà số vòng quay của nó dễ dàng vượt quá giới hạn cho phép gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức bền động cơ và ảnh hưởng xấu đến quá trình làm việc

- Bảo đảm số vòng quay ổn định nhỏ nhất ở chế độ không tải để tiêu hao nhiên liệu giảm và hao mòn chi tiết ít hơn, nhất là bảo đảm động cơ không bị chết máy

- Cung cấp thêm một lượng nhiên liệu cần thiết theo yêu cầu tăng tải của động

cơ

Ta cần phân tích đường đặc tính tốc độ của động cơ Diesel nhằm thấy rõ hơn nhu cầu phải lắp bộ điều tốc trên loại động cơ này

Đặc tính tốc độ của động cơ thể hiện quan hệ giữa các thông số của động cơ như

công suất, moment, suất tiêu hao nhiên liệu với số vòng quay động cơ

Đặc tính tốc độ biểu thị công suất cực đại của động cơ ứng với chế độ cung cấp nhiên liệu cực đại gọi là đặc tính ngoài Khi thay đổi vị trí cơ cấu điều khiển cung cấp nhiên liệu ta được các mức công suất động cơ thấp hơn công suất cực đại, lúc này ta xác định được các đường đặc tính bộ phận

Hình 6 Đường đặc tính ngoài của động cơ Diesel

Qua kết quả phân tích so sánh ta rút ra những nhận xét sau

• Về đặc điểm biến thiên moment

Sự biến thiên moment Me và Ne (công suất) phụ thuộc vào:

- Tỷ số giữa hiệu suất chỉ thị và hệ số dư lượng không khí

α

lượng của chu trình công tác

- Hiệu suất cơ giới ηm: Thể hiện tổn thất năng lượng bên trong động cơ trong quá trình truyền năng lượng từ xylanh động cơ đến máy công tác

Hình dạng đường đặc tính Me và Ne phụ thuộc sự biến thiên của 3 yếu tố nói trên

theo số vòng quay trục khuỷu

Đặc điểm biến thiên momen được thể hiện qua hệ số thích ứng K:

N Me

Me

K = max

Trong đó:

max

điều khiển cung cấp nhiên liệu

N

Hệ số thích ứng K biểu hiện chất lượng động học ở động cơ Đối với động cơ Diesel không có bộ điều tốc, giá trị K khoảng 1,1 Nếu hệ số thích ứng K càng lớn, khi

tăng moment cản, tốc độ động cơ thay đổi càng ít càng nên động cơ càng dễ điều khiển và tốc độ nhanh chóng ổn định

Trong khi đó hệ số thích ứng K của động cơ Diesel hầu như không đổi và không

phụ thuộc vào vị trí thanh răng bơm cao áp

• Về chế độ không tải

Ở động cơ Diesel không thể có chế độ không tải tại số vòng quay nhỏ hơn số vòng quay thiết kế

a Động cơ làm việc ở chế độ không tải

Chế độ không tải của động cơ có ý nghĩa quan trọng trong quá trình sử dụng Động cơ thường làm việc ở chế độ không tải khi chạy ấm máy, khi sang số hay lúc ôtô tạm dừng… Nếu chế độ không tải của động cơ không ổn định, động cơ sẽ chết máy hoặc gây nhiều khó khăn cho người điều khiển

Hình 7 Chế độ không tải của động cơ Diesel

mức tiêu hao nhiên liệu và mài mòn các chi tiết động cơ là ít nhất Vì vậy, vị trí của thanh răng bơm cao áp phải ở mức cung cấp nhiên liệu ít nhất

Ở động cơ Diesel, khi chạy ở chế độ không tải, nếu tăng số vòng quay thường

tính bơm cao áp nếu giữ không đổi vị trí cơ cấu điều khiển thì lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình của hầu hết bơm cao áp điều tăng khi tăng số vòng quay

Nếu vì một lý do nào đó số vòng quay của động cơ tăng lên cao hơn số vòng quay

trạng thái nhiệt) cũng đủ làm tốc độ động cơ tăng nhanh hay động cơ bị chết máy Như vậy, ở chế độ không tải nhân tố ổn định của động cơ là âm và động cơ không có khả năng tự điều chỉnh

Muốn cho động cơ Diesel chạy ổn định ở chế độ không tải cần phải lắp bộ điều

làm việc ổn định

a Số vòng quay của động cơ vượt quá số vòng quay thiết kế

Hình 8 Đường đặc tính tốc độ của động cơ Diesel 1- Đặc tính ngoài; 2- đặc tính bộ phận; 7- giới hạn khói đen

Hình 2.8 cho thấy rằng động cơ diesel có thể tăng số vòng quay không giới hạn ở mọi vị trí thanh răng bơm cao áp

Động cơ diesel thường rất nhạy cảm với chế độ tốc độ Nếu tốc độ động cơ vượt quá số vòng quay thiết kế sẽ làm giảm nhanh chất lượng của quá trình công tác vì lúc

Lúc ấy một mặt, thời gian cháy bị rút ngắn mặt khác quá trình cháy bị xấu đi Nhiên liệu cháy không hết và quá trình cháy kéo dài trên đường ống xả làm động cơ rất nóng, tốn nhiều nhiên liệu và sinh nhiều muội than

Như vậy chế độ chạy vượt số vòng quay thiết kế là chế độ nguy hiểm cần tránh đối với động cơ diesel Chính vì vậy tất cả các loại động cơ diesel, trong mọi điều kiện hoạt động điều cần đến bộ điều tốc nhằm hạn chế số vòng quay cực đại

c Động cơ làm việc ở chế độ tốc độ nhỏ hơn số vòng quay thiết kế

Dựa vào biểu thức tính moment:

Kết hợp với đặc tính ngoài (hình 2.6), ta thấy khi số vòng quay n tăng do ảnh

trình luôn tăng khi tốc độ động cơ tăng Điều này dẫn đến đặc tính Me = f(n) có dạng

gần như nằm ngang

áp bằng cách dùng cơ cấu hiệu chỉnh gắn trên bộ điều tốc hay dùng van tiết lưu

d Động cơ làm việc trong điều kiện tĩnh tại

Trong trường hợp này phải giữ cho động cơ chạy ở chế độ nhất định, chỉ cho phép số vòng quay động cơ biến động trong một phạm vi rất hẹp Trường hợp có nhiều động

cơ chạy song song cần phải điều chỉnh số vòng quay rất tỉ mỉ bảo đảm cho động cơ luôn là hằng số khi phụ tải của động cơ thay đổi đột ngột từ không đến cực đại Muốn vậy cần phải sử dụng bộ điều tốc để điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ tương ứng với phụ tải của chúng

Ngoài những trường hợp riêng mà ta đã xét ở trên, khi sử dụng bộ điều tốc trên động cơ diesel còn có những thuận lợi sau:

- Cải thiện điều kiện làm việc của con người

- Nâng cao năng suất lao động nhờ độ nhạy cao

- Bảo quản động cơ tốt hơn

- Tiết kiệm nhiên liệu khi động cơ làm việc không tải

III.2.1.4 Công dụng bộ điều tốc

Bộ điều tốc trên động cơ diesel có nhiệm vụ như sau:

- Điều hòa tốc độ động cơ cho dù có tải hay không có tải (giữ vững tốc độ hay trong một phạm vi cho phép) Có nghĩa là lúc có tải hay không có tải phải tự thêm hoặc bớt dầu để ổn định tốc độ động cơ khi cần ga đứng yên

- Đáp ứng mọi tốc độ theo yêu cầu của động cơ

- Phải giới hạn mức tải để tránh gây hư hỏng máy

- Phải tự động cúp dầu khi số vòng quay vượt mức quá quy định

III.2.1.6 Phân loại bộ điều tốc

Hiện nay có nhiều loại điều tốc Động cơ sử dụng loại nào tuỳ thuộc vào loại động

cơ, đặc điểm của máy công tác và yêu cầu của các thiết bị Khi phân loại người ta căn cứ vào các đặc điểm sau:

- Bộ điều tốc tác dụng trực tiếp

- Bộ điều tốc tác dụng gián tiếp

- Loại một chế độ

- Loại hai chế độ

- Loại nhiều chế độ

- Loại di chuyển, loại này đặt trên máy di chuyển

- Loại tĩnh tại, loại này đặt trên các động cơ tĩnh tại, đảm bảo điều chỉnh tốc độ với độ chính xác cao

- Loại cơ khí khí với phần tử cảm biến kiểu ly tâm

- Loại áp thấp

- Loại thuỷ lực

- Loại cơ - thuỷ lực

- Loại điện

III.2.2 Bơm cao áp VE trên động cơ D4BB

III.2.2.1 Tổng quan về bơm cao áp VE

Hình 9 Bơm cao áp VE trên động cơ D4BB

Bơm cao áp model D4BB là loại bơm phun, bơm có công dụng đẩy nhiên liệu

đến từng vòi phun với áp suất rất cao theo yêu cầu của động cơ

Hình 10 Mạch nhiên liệu

Khi bật khoá điện ON, van điện từ cắt nhiên liệu được kéo vào trong, đường thông giữa thân bơm và pít tông mở Khi bơm cấp liệu quay, hút nhiên liệu từ bình nhiên liệu, qua bộ lắng đọng nước và bộ lọc nhiên liệu, đi vào thân bơm theo áp suất được điều chỉnh bởi van điều chỉnh Pít tông hút nhiên liệu từ thân bơm vào buồng áp

suất trong hành trình hút (dịch chuyển sang trái) và nén nhiên liệu với áp suất cao để dẫn đến từng van phân phối trong hành trình nén (di chuyển sang phải) Sau khi qua van phân phối, nhiên liệu được đưa vào các vòi phun qua các ống dẫn cao áp, từ đó nhiên liệu được phun vào các xi lanh Cùng lúc, các bộ phận bên trong bơm được nhiên liệu làm mát và bôi trơn Một phần nhiên liệu quay trở về bình nhiên liệu từ vít tràn để kiểm soát mức độ tăng nhiệt độ của nhiên liệu trong bơm

Bơm có các chức năng sau:

1 Hút

Hình 11 Hoạt động phân phối và phun nhiên liệu

Hình 12 Hoạt động của bơm ở giai đoạn hút

Khi pít tông di chuyển sang trái, một trong 4 rãnh hút trong píttông bơm sẽ thẳng hàng với cửa hút trong đầu phân phối Do vậy, nhiên liệu được hút vào buồng áp suất và đi vào trong píttông

2 Cung cấp

Hình 13 Hoạt động của bơm ở giai đoạn cung cấp

Khi đĩa cam và píttông quay, cửa hút của đầu phân phối đóng, cửa phân phối của píttông sẽ thẳng hàng với đường phân phối Khi đĩa cam chạy trên con lăn, píttông

di chuyển sang phải và nén nhiên liệu Khi áp suất nhiên liệu đạt giá trị ấn định trước, nhiên liệu sẽ được phun ra qua vòi phun

3 Kết thúc

Hình 14 Hoạt động của bơm ở giai đoạn kết thúc

Khi đĩa cam quay tiếp và píttông dịch chuyển sang phải, 2 cửa tràn của píttông

bị đẩy ra ngoài vành tràn Khi đó, nhiên liệu có áp suất cao sẽ quay trở lại thân bơm qua các cửa tràn Kết quả là áp suất nhiên liệu giảm đột ngột và kết thúc nạp nhiên liệu

4 Kiểm soát lượng phun

Bộ điều tốc điều khiển lượng phun và công suất động cơ Bộ điều tốc có chức năng kiểm soát tốc độ tối đa của động cơ để ngăn động cơ chạy quá tốc độ và giữ ổn định tốc độ chạy không tải

4 Kiểm soát thời điểm phun

Hình 15 Cấu tạo và đặc tính bộ định thời

Bộ định thời điều khiển thời điểm phun theo tỷ lệ thuận với tốc độ động cơ

• Hành trình hữu ích

Hình 16 Biểu đồ hành trình hữu ích

Hành trình hữu ích là khoảng cách píttông dịch chuyển từ khi bắt đầu nén nhiên liệu tới khi kết thúc Vì các hành trình bơm là không đổi, nên sự thay đổi vị trí đặt vành tràn làm thay đổi hành trình hữu ích để tăng hoặc giảm lượng phun nhiên liệu Khi hành trình hữu ích kéo dài hơn thì hành trình nén sẽ lâu kết thúc hơn và lượng nhiên liệu nạp tăng Ngược lại, hành trình nén kết thúc sớm hơn và lượng nhiên liệu nạp giảm khi hành trình hữu ích ngắn hơn

• Chống quay ngược

Hình 18 Cấu tạo bộ phận chống quay ngược

Động cơ Diesel có thể quay ngược nếu nhiên liệu được phun vào khi không khí được hút vào từ phía xả và được nén lại thì động cơ sẽ quay ngược Tuy nhiên, bơm được thiết kế để cho động cơ không thể quay ngược Nếu bơm quay ngược, nhiên liệu sẽ được đưa trở lại thân bơm khi píttông bơm di chuyển sang phải và cửa hút mở

Ngoài ra, nhiên liệu không được nén do píttông bơm di chuyển sang trái khi cửa phân phối mở Do đó, nhiên liệu không được phun và động cơ không thể quay ngược

• Các vít điều chỉnh

Hình 18 Các vít điều chỉnh bơm cao áp

Bơm phun nhiên liệu có các vít điều chỉnh sau:

1 Vít điều chỉnh tốc độ tối đa:

Kiểm soát tốc độ tối đa của động cơ

2 Vít điều chỉnh tốc độ không tải

Điều chỉnh tốc độ của động cơ khi chạy không tải

3 Vít điều chỉnh toàn tải

Điều chỉnh lượng nhiên liệu nạp

II.2.2.2 Thông số kỹ thuật bơm cao áp VE

động lạnh, thiết bị bù không tải nhanh

III.2.2.3 Nguyên lý hoạt đông bộ điều tốc cơ khí của bơm cao áp VE

Cần thiết phải kiểm soát lượng phun nhiên liệu phù hợp với vị trí bàn đạp ga và tải trọng của động cơ, bởi vì công suất động cơ diesel do lượng nhiên liệu nạp điều khiển Do vị trí vành tràn quyết định lượng phun nhiên liệu nên bộ điều tốc phải điều chỉnh vị trí vành tràn để động cơ có thể chạy ổn định

1 Điều khiển theo mức nhấn bàn đạp ga

Aán xuống: Lượng nhiên liệu nạp tăng (tốc độ động cơ tăng)

Nhả ra: Lượng nhiên liệu nạp giảm (tốc độ động cơ giảm)

2 Kiểm soát khi vị trí bàn đạp ga không đổi nhưng trọng tải của động cơ thay đổi

Trọng tải tăng: Lượng nhiên liệu nạp tăng

Trọng tải giảm: Lượng nhiên liệu nạp giảm

Bộ điều tốc còn đóng các vai trò: Ngăn động cơ không chạy quá tốc bằng việc kiểm soát tốc độ tối đa của động cơ và giữ cho động cơ chạy ổn định ở tốc độ thấp

• Cấu tạo và chức năng của bộ điều tốc mọi tốc đo

Bộ điều tốc kiểu cơ khí kiểu VE có các quả văng quay cùng với trục dẫn động của bơm phun nhiên liệu; chúng bung rộng ra nhờ lực li tâm tuỳ theo sự tăng tốc độ quay của trục Chuyển động này được truyền đến vành tràn (thông qua ống nối và cần điều khiển của bộ điều tốc) để điều chỉnh lượng phun nhiên liệu trong toàn bộ dải tốc độ của động cơ Bộ điều tốc dịch chuyển vành tràn làm thay đổi hành trình hữu ích và điều chỉnh lượng phun

• Các chế độ hoạt động

1 Khởi động

Hình 20 Hoạt động khi khởi động

Khi nhấn bàn đạp ga xuống và cần điều chỉnh được gạt theo hướng toàn tải tại thời điểm khởi động lò xo điều khiển kéo cần căng cho đến khi tiếp xúc với chấu vặn

Do tốc độ bơm tại thời điểm khởi động còn thấp và lực li tâm của quả văng rất nhỏ thậm chí lò xo khởi động (lò xo đĩa) với sức căng nhỏ cũng có thể đẩy cần điều khiển tì vào ống trượt làm quả văng cụp lại hoàn toàn Lúc này cần điều khiển quay ngược chiều kim đồng hồ quanh điểm tựa A và dịch chuyển vành tràn tới vị trí khởi động (lượng phun tối đa) để cung cấp nhiên liệu cần thiết khi khởi động

2 Chạy không tải

Hình 21 Hoạt động khi chạy không tải

Sau khi khởi động động cơ và nhả bàn đạp ga, cần điều khiển quay về vị trí không tải Do sức căng của lò xo tại thời điểm này là 0, quả văng có thể bung ra ngoài kể cả khi tốc độ chậm, ống trượt bộ điều tốc nén lò xo không tải lại Lúc này cần điều khiển quay cùng chiều kim đồng hồ quanh điểm tựa A và dịch chuyển vành tràn tới vị trí không tải Bằng cách đó có thể đạt được tốc độ ổn định khi lực ly tâm của các quả văng và sức căng của lò xo không tải cân bằng

3 Đầy tải

Hình 22 Hoạt động khi đầy tải

Khi bàn đạp ga được ấn xuống hoàn toàn, cần dịch chuyển theo vị trí toàn tải và cần căng sẽ tiếp xúc với chấu vặn giống như khi khởi động Trong trường hợp này lò

xo điều khiển có sức căng cao và lò xo giảm chấn bị ép lại hoàn toàn và không hoạt động Khác với khi khởi động, lúc này lực ly tâm của quả văng có tác động mạnh, ống trượt của bộ điều tốc đẩy cần điều khiển sang phải Sau đó cần điều khiển quay theo chiều kim đồng hồ đến điểm tựa A cho đến khi điểm tựa B tiếp xúc với cần căng, từ đó dịch chuyển vành tràn tới vị trí toàn tải Kết quả lượng nhiên liệu sẽ giảm so với khi khởi động

4 Tốc độ tối đa

Hình 23 Hoạt động khi tốc độ tối đa

Khi tốc độ động cơ cao hơn mức quy định, lực ly tâm của quả văng trở nên lớn hơn làm cho lực ép của ống trượt bộ điều tốc cao hơn sức cản trong lò xo điều khiển Khi đó, cần điều khiển và cần căng cùng dịch chuyển quay theo chiều kim đồng hồ quanh điểm tựa A để dịch chuyển vành tràn theo hướng giảm nhiên liệu Nhờ khống chế được tốc độ tối đa nên động cơ không bị chạy quá tốc cho phép

5 Tải cục bộ

Hình 24 Hoạt động khi tải cục bộ

Khi cần điều chỉnh ở vị trí trung gian giữa đầy tải và không tải, lò xo điều khiển có lực căng yếu cho phép vành tràn dịch chuyển theo hướng giảm nhiên liệu phun ở tốc độ thấp hơn trong khi kiểm soát tốc độ tối đa Kết quả là tốc độ động cơ được kiểm soát phù hợp với mức độ nhấn bàn đạp ga

Đặc điểm phun nhiên liệu trong trường hợp này cũng giống như trường hợp đầy tải, khi tốc độ động cơ còn thấp (trước khi vành tràn dịch chuyển để giảm lượng phun) Khi tốc độ tăng, lượng phun sẽ giảm để kiểm soát tốc độ

III.2.3 Hiện trạng sử dụng bộ điều tốc điện tử trên động cơ Diesel

Trước đây, để điều chỉnh tốc độ cho động cơ Diesel người ta thường điều khiển thanh răng bơm cao áp thông qua cơ cấu chấp hành là một motor bước hay motor servo

điều khiển trực tiếp thanh răng bơm cao áp một cách tối ưu theo tải và tốc độ động cơ

dựa vào chương trình nạp sẵn từ mạch điều khiển Kiểu điều tốc điện tử này hiện còn được sử dụng trên các loại xe công trình như xe cuốc, xe ủi, xe cẩu…hay các máy phát điện kiểu cũ dùng nhiên liệu Diesel

Hiện nay, theo đà phát triển của khoa học kỹ thuật, các hãng đã đưa ra rất nhiều phương thức nhằm điều khiển tốc độ động cơ Diesel một cách tối ưu, một trong số đó là sử dụng bộ điều tốc điện thông qua việc điều khiển lượng phun nhiên liệu ngay trên

cơ cấu phun nhiên liệu như hệ thống UI (Unit Injector), hệ thống UP (Unit Pump), hệ thống VE- EDC (Electronic Diesel Control), hệ thống CR (Common Rail) hay CDI (Common Rail Direct Injection)

Với hệ thống UI (Unit Injector) có kim liên hợp được gá lắp trực tiếp vào nắp máy của động cơ, vòi phun được thiết kế chung một khối với kim liên hợp, đầu vòi phun có một phần ló vào trong buồng đốt và kim liên hợp này được dẫn động bằng trục

được đặt trên đầu xylanh động cơ và được dẫn động trực tiếp bởi một bộ phận truyền

trong suốt quá trình phun

dẫn động bởi trục cam, chuyển động quay của trục cam sẽ làm cho piston di chuyển lên, xuống trong xilanh bơm, nhiên liệu bị nén, đồng thời được đưa đến kim phun bằng

một đường ống cao áp rất ngắn Nguyên lý làm việc của hệ thống tương tự như hệ thống UI, điểm khác nhau với hệ thống UI là trong hệ thống UP bơm và kim được làm thành hai khối khác nhau và được nối với nhau bằng một đường ống cao áp Nó được thiết kế giống như hệ thống PF, tức mỗi bơm riêng lẻ sẽ cung cấp dầu cho một kim

này mỗi bơm UP có thể sẽ được điều khiển khác nhau tùy vào điều kiện làm việc của từng xylanh riêng lẻ

Hệ thống VE- EDC vẫn sử dụng bơm cao áp VE kiểu cũ nhưng được lắp thêm một số cảm biến như vị trí bàn đạp ga, lưu lượng khí nạp, tốc độ động cơ, nhiệt độ nước làm mát, áp suất khí quyển, vị trí van điều khiển lượng nhiên liệu…bộ điều khiển (Electronic Control Unit) và cơ cấu chấp hành (bơm cao áp, hệ thống xông máy, bộ dẫn đóng van EGR Bơm VE – EDC có các chức năng và hoạt động tương tự như bơm

VE nhưng nó chỉ khác là thời điểm phun dựa vào hai tín hiệu của van điều khiển lượng phun SPV (Spill Control Valve) và Bộ phun sớm tự động TCV (Timing Control Valve) Người ta thường dùng bơm VE - EDC vì bơm có kết cấu gọn nhẹ, làm việc với độ chính xác cao Tại thị trường Việt Nam, hệ thống VE - EDC được lắp trên xe Isuzu Hilander 2005, Toyota Prado…

Trong những năm gần đây, hệ thống điều khiển mới – hệ thống common rail với việc điều khiển kim phun bằng điện đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi Điều quan trọng nhất của những sự phát triển này không chỉ là việc tăng công suất mà còn là nhu cầu giảm tiêu thụ nhiên liệu, giảm tiếng ồn và khí thải hệ thống common rail khá linh hoạt trong việc đáp ứng thích nghi để điều khiển phun nhiên liệu cho động cơ diesel, như: phạm vi ứng dụng rộng rãi từ xe du lịch và xe tải nhỏ cho đến các xe tải

nặng, xe lửa và tàu thuỷ có công suất rất lớn, áp suất phun đạt đến khoảng 1400 bar,

có thể thay đổi thời điểm phun nhiên liệu, có thể phun làm 3 giai đoạn: phun sơ khởi,

phun chính, phun kết thúc Áp suất phun thay đổi tùy theo chế độ hoạt động của động

cơ, việc tạo ra áp suất và việc phun nhiên liệu hoàn toàn tách biệt với nhau trong hệ thống Common Rail Áp suất phun được tạo ra độc lập với tốc độ động cơ và lượng nhiên liệu phun ra Nhiên liệu được trữ với áp suất cao trong bộ tích áp áp suất cao và sẵn sàng để phun Lượng nhiên liệu phun ra được quyết định bởi tài xế, và thời điểm phun cũng như áp lực phun được tính toán bằng ECU dựa trên các biểu đồ đã lưu trong bộ nhớ của nó Sau đó, ECU sẽ điều khiển các kim phun tại mỗi xylanh động cơ để

phun nhiên liệu Tại thị trường Việt Nam, hệ thống này được trang bị trên xe Toyota

Hiace 2005, Mercedes Sprinter, Isuzu Dmax 2007

III.3 Tổng quan về điều khiển lập trình

III.3.1 Giới thiệu vi điều khiển PIC16F877A

PIC là tên viết tắt của Programmable Intelligent Computer có nghĩa là “máy tính thông minh khả trình” do hãng General Instrument sản xuất

PIC16F877A là dòng PIC phổ biến nhất, cấu trúc tổng quát gồm:

- 8 K Flash Rom

- 368 Bytes Ram

- 2546 Bytes EEPROM

- 5 Port (A,B,C,D,E) vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập

- 2 bộ định thời Timer 0 và Timer 2 8bit

- 1 bộ định thời Timer 116 bit có thể hoạt động trong cả chế độ tiết kiệm năng lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung clock ngoài

- 2 bộ Capture/ Compare/ PWM (Bắt giữ/ So sánh/ Điều biến xung)

- 1 bộ biến đổi Analog ->Digital 10bit, 8 ngõ vào

- 2 bộ so sánh tương tự (Compartor)

- 1 bộ định thời giám sát (Watch Dog Timer)

- 1 cổng song song 8 bit với các tín hiệu điều khiển

- 1 cổng nối tiếp

- 15 nguồn ngắt (Interrupt)

- Chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode)

- Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP (In-Circuit Serial Programming)

- 35 tập lệnh có độ dài 14 bit

- Tần số hoạt động tối đa 20 MHz

Vi điều khiển PIC16F877A có 40 chân, mỗi chân có một chức năng khác nhau Trong đó có một số chân đa công dụng (đa hợp): Mỗi chân có thể hoạt động như một đường xuất nhập (I/O) hoặc là một chân chức năng đặc biệt dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi

Hình 25 Sơ đồ chân của vi điều khiển 16F877A

PIC 16F877A vận hành với nguồn đơn 5V, VDD (chân nguồn dương) được nối vào chân số 11 và 32 Chân VSS (chân mass) được nối vào chân số 12 và 31 Nó có tất cả là 3 khối bộ nhớ riêng biệt bao gồm: Bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình và bộ nhớ EEPROM

Bộ nhớ dữ liệu bao gồm 4 Bank: Bank0, Bank1, Bank2 và Bank 3 Mỗi Bank có dung lượng là 128 Byte, bao gồm vùng RAM đa mục đích và vùng các thanh ghi chức năng đặc biệt SFR (Special Function Registers)

Bộ nhớ chương trình (Program Counter) dài 13 bit có thể định địa chỉ cho 8K không gian bộ nhớ, 8 ký không gian bộ nhớ được chia làm 8 trang bộ nhớ Mọi sự truy nhập ngoài vùng không gian này sẽ không có tác dụng

III.3.2 Các linh kiện khác

Ngoài VĐK chính trên đây, trên sơ đồ còn có một số linh kiện khác dùng để giao tiếp ngõ vào và ngõ ra bao gồm:

- IC 7805 biến điện thế nguồn 12V của accu thành 5V cung cấp cho mạch

- Thạch anh 20MHz tạo mạch dao động ngõ vào cho vi điều khiển

- Các Transistor TIP122 dùng để giao tiếp ngõ vào và ra, các Transistor này luôn làm việc ở chế độ bão hòa

- Các điot zener dùng để ổn định nguồn và dập sức điện động tự cảm

- Các điện trở dùng để tạo cầu phân thế, giảm dòng và tạo mạch dao động

- Các tụ điện dùng để ổn định nguồn, tạo mạch dao động và ổn định tín hiệu vào - Các diode phát quang nhận biết nguồn, xuất mã lỗi và hoạt động của bộ chấp hành

III.4 Thiết kế, chế tạo bộ điều tốc điện tử

III.4.1 Thực nghiệm thu thập số liệu điều khiển bộ điều tốc cơ khí

Để mạch điều khiển đảm nhận tốt vai trò điều tốc điện tử, vi điều khiển cần nhận biết các thông số đầu vào như tốc độ động cơ, vị trí bàn đạp ga, nhiệt độ động cơ, nhiệt độ không khí nạp, điện áp accu, công tắc A/C… Ngoài các thông số nêu trên, người nghiên cứu cần thu thập các thông số đầu điều khiển của bộ điều tốc cơ khí làm nền tảng cho việc điều khiển lập trình

Việc thu thập các thông số đầu điều khiển của bộ điều tốc cơ khí được thực hiện như sau: người nghiên cứu đã kết hợp thiết bị đo góc đặc biệt để đo góc mở bàn đạp

ga, thiết bị chuyên dùng để đo tốc độ động cơ Diesel D4BB và máy đo xung tín hiệu Snap-on Sau khi xử lý số liệu, có được kết quả như sau:

Độ mở bàn đạp ga

Bảng 1: Quan hệ giữa độ mở bàn đạp ga và tốc độ động cơ của bộ điều tốc cơ khí

Hình 26 Thực nghiệm xác định thời gian giữa 2 xung tốc độ bơm trên máy Snap-on

III.4.2 Thiết kế, chế tạo bộ điều tốc

III.4.2.1 Phương án thiết kế

Trải qua một thời gian tìm hiểu, người nghiên cứu quyết định làm theo phương án bỏ đi các quả tạ, ống trượt, lò xo khởi động, lò xo điều khiển, lò xo giảm chấn, cần căng của bộ điều tốc và thiết kế một thanh trượt duy nhất để dịch chuyển cần điều khiển Sau đó, sử dụng một motor bước có độ nhạy cao điều khiển thanh trượt này thông qua một mạch điều khiển điện tử Hệ thống này sẽ hoàn toàn thay thế cho bộ điều tốc cơ khí

III.4.2.2 Sơ đồ bố trí của hệ thống

Hình 27 Sơ đồ bố trí của hệ thống

III.4.2.3 Thiết kế và lắp đặt các thiết bị

1 Bơm tiếp vận

Bơm tiếp vận kiểu rotor con lăn được đặt bên trong thùng nhiên liệu Bơm được dẫn động bằng động cơ điện một chiều 12 Vôn với các cực từ là nam châm vĩnh cửu Khi bơm quay, nhiên liệu sẽ được hút từ thùng nhiên liệu đi qua lọc và cung cấp dưới một áp suất nhất định 3,1 kg/cm2 đến thân bơm Lượng nhiên liệu thừa qua ống hồi về

thùng chứa

Hình 28 Cấu tạo bơm tiếp vận