THIẾT KẾ MÔ HÌNH TRIỂN KHAI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DIESEL ĐIỆN TỬ

Hệ thống điện điều khiển động cơ được xem là vô cùng quan trọng, đặc biệt đối với hệ thống nhiên liệu Diesel.... Thiết kế, thi công mô hình triển khai về hệ thống điều khiển động cơ Diesel điện tử common rail Toyota Hilux...

86 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH TRIỂN KHAI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DIESEL ĐIỆN TỬ - COMMONRAIL DESIGN AND MANUFACTURING DEPLOYMENT OF DIESEL ENGINE COMMON RAIL ELECTRONIC CONTROL SYSTEM Nguyễn Kim1, Lê Khánh Tân1, Vũ Trọng Tài2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Việt Nam Trường Đại học Đồng Tháp, Việt Nam Ngày soạn nhận 15/11/2017, ngày phản biện đánh giá 9/01/2018, ngày chấp nhận đăng 15/01/2018 TÓM TẮT Hiện nay, lĩnh vực công nghệ điều khiển động điện tử giới phát triển mạnh mẽ, ứng dụng hầu hết loại ôtô tải phần lớn ôtô Trong đó, hệ thống điện điều khiển động xem vô quan trọng, đặc biệt hệ thống nhiên liệu Diesel Để đào tạo kỹ thuật, người học phải biết rõ kết cấu, hoạt động kiểm tra, thu thập tín hiệu động để đưa phương pháp kiểm tra chẩn đoán hướng nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển điện tử động Diesel Tuy nhiên hầu hết trường cụ thể môn động trường ta trang bị số mơ hình động Diesel common rail, chưa có mơ hình triển khai hệ thống điều khiển động Diesel điện tử nên việc giảng dạy, học tập, nghiên cứu sinh viên gặp nhiều khó khăn Để thực tác giả nghiên cứu cấu tạo, chức hoạt động cảm biến, cấu chấp hành động tín hiệu nó, từ thiết kế, thi cơng mơ hình triển khai hệ thống điều khiển động Diesel điện tử common rail Toyota Hilux Kết mơ hình hoạt động tốt, trực quan, sinh động phục vụ cho cơng tác đào tạo Từ khóa: Động Diesel điện tử; common rail; tín hiệu; cảm biến; cấu chấp hành ABSTRACT Currently, the field of electronic engine control technology in the world has been strongly developingand applying on vehicles and mostly in cars In particular, the engine electronic control system is extremely important, especially for Diesel fuel systems In technical training, learners must be familiar with structure, operation as well as inspection and collection of signals on the engine to provide diagnostic testing methods and research directions to improve the system of electronic control on Diesel engines However, nowadays, most of departments of many universities and particularly our department of internal combustion engine are only equipped with some models of common rail Diesel engines without modules of electronic Diesel engine control systems Thus many difficulties occur during the teaching, learning and researching of students In order to the project, we have studied the structure, function of the sensors, the actuators on the engine together with its basic signals, thus designing and implementing the model of Toyota Hilux electronic common rail Diesel engine The result of the model works effectively, visually and lively for training Keywords: Electronic Diesel engine; common rail; signal; sensor; actuators GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI thập thông tin theo hướng nghiên cứu phát triển hệ thống nhiên liệu Diesel điện tử Nhằm tạo điều kiện cho người học dể dàng tiếp cận với thiết bị học tập, Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên, nhóm rèn luyện kỹ kiểm tra, chẩn đoán, thu nghiên cứu định thực đề tài “Thiết Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh kế thi cơng mơ hình triển khai hệ thống điều khiển động Diesel điện tử common rail” với mong muốn tạo sản phẩm áp dụng vào giảng dạy học phần mà đảm trách Sản phẩm đề tài sau hoàn thành cung cấp cho người học mơ hình triển khai thiết bị động Diesel điều khiển điện tử common rail Toyota Hilux có đầy đủ tất cảm biến, cấu chấp hành, điều khiển trung tâm, hiển thị thông số LED thông qua mạch thu thập tín hiệu lập trình Arduino, cổng giao tiếp máy tính thơng qua phần mềm LabVIEW, cổng giao tiếp máy chẩn đốn Testream thơng qua thiết bị OBD II Qua người học tiếp cận nhanh ứng dụng tốt vào thực hành nghiên cứu khoa học THIẾT KẾ KHUNG TRUYỀN ĐỘNG VÀ BỘ 2.1 Thiết kế khung mơ hình u= 87 n1 250 = = 0.36 n 700 (1) Với đường kính puly gối đỡ gia công d2 = 10cm Áp dụng cơng thức tính tỉ số truyền u= n1 d2 = n d1 (1-  ) (2) d1: Đường kính bánh đai dẫn d2: Đường kính bánh đai bị dẫn ε : Hệ số trượt, ε = 0.01 Kết luận: Đường kính puly motor d1 = 28cm Đường kính puly gối đỡ d2 = 10cm Tỉ số truyền hệ thống u = 0.36 Ta thiết kế truyền động bánh trục khuỷu bánh trục cam, bơm cao áp sử dụng truyền động đai sau [1] Gọi n1 số vòng quay trục khuỷu Gọi n2 số vòng quay trục cam Gọi Z1 số bánh trục khuỷu, với Z1 = 36 Gọi Z2 số bánh trục cam, với Z2 = 72 Gọi u tỉ số truyền truyền Hình Bản vẽ thiết kế khung mơ hình Bảng vẽ thiết kế khung mơ hình thực phần mềm SolidWorks Kích thước khung mơ hình thiết kế nhỏ gọn, phù hợp để di chuyển vào phòng học xếp gọn gang xưởng thực tập u= n1 Z2 72 = = =2 n Z1 36 (3) 2.4 Thiết kế mạch cấp nguồn cho hệ thống truyền động hệ thống điện điều khiển 2.2 Tính tốn đường kính puly bánh truyền động bơm cao áp Gọi đường kính puly motor d1 Gọi đường kính puly gối đỡ d2 Gọi u tỉ số truyền hệ thống Mục tiêu thiết kế: số vòng quay motor (n1) 250 rpm số vòng quay trục khuỷu (n2) 700 rpm [1] Hình Mạch điện cấp nguồn cho mơ hình [2] 88 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Nguồn điện sử dụng cho truyền động bơm cao áp: pha - 220V Nguồn điện sử dụng cho hệ thống điện điều khiển nguồn chuyển đổi điện áp 220V xoay chiều sang điện áp DC12V 40A.Mơ hình sử dụng nguồn 220V để vận hành motor bơm cao áp, đồng thời sử dụng inverter chuyển đổi từ nguồn điện AC 220V sang DC 12V để cung cấp cho tồn hệ thống điện mơ hình Các chân VCP2, VPA2, EP2 có tác dụng cung cấp tín hiệu từ bàn đạp ga để điều khiển biến tần từ điều khiển tốc độ motor [2] THIẾT KẾ, THI CÔNG LẮP ĐẶT CÁC THIẾT BỊ TRÊN MƠ HÌNH 3.1 Sơ đồ khối bố trí thiết bị mơ hình 3.2 Các thiết bị lắp ráp mơ hình Hình 5.Các thiết bị sau lắp đặt Mơ hình bố trí phận như: ECU, đồng hồ hiển thị, hộp cầu chì, cảm biến, truyền đai, bảng giắc ECU bố trí cách hợp lý giúp cho người học trực quan q trình thực tập mơ hình Hình Bản vẽ bố trí thiết bị bảng mơ hình Khung mơ hình thiết kế đủ diện tích để bố trí cảm biến, hệ thống điều khiển, cấu chấp hành hệ thống thu thập liệu kết nối với máy tính Đồng thời mơ hình thiết kế để hiển thị thông số cảm biến cấu chấp hành thao thời gian thực để sinh viên tiện theo dõi q trình học thực hành Hình Mơ hình tổng thể hệ thống điều khiển phun dầu điện tử common-rail Khung mơ hình chủ yếu nhằm để gá đặt sa bàn (hình 6) Phần khung thiết kế nhỏ gọn, chắn, có hệ thống nối đất chống rò điện để đảm bảo an tồn, dễ xếp đặt xưởng, có tính thẩm mỹ cao Đồng thời, giúp sinh viên dễ dàng di chuyển mơ hình an tồn q trình thực tập Hình Bố trí thiết bị cấp nguồn thu thập tín hiệu Mơ hình thiết kế sử dụng nguồn trực tiếp từ điện lưới cho tiện việc vận hành THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ LẬP TRÌNH BOARD MẠCH THU THẬP DỮ LIỆU 4.1 Khái quát liệu cần thu thập Chọn lọc tín hiệu cần thu thập: [2]  Nhiệt độ nhiên liệu: Chọn tín hiệu cảm biến nhiệt độ nhiên liệu (THF) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 89  Nhiệt độ nước làm mát: Chọn tín hiệu nhiệt độ nước làm mát (THW)  Nhiệt độ khí nạp: Chọn tín hiệu nhiệt độ khí nạp (THA)  Áp suất ống phân phối: Chọn tín hiệu áp suất ống phân phối (PCR)  Tốc độ động cơ: Tín hiệu cảm biến vị trí trục cam (G)  Thời gian phun: Chọn tín hiệu kim phun số (#4) 4.2 Thiết lập biểu đồ tín hiệu Hình Đồ thị liên hệ nhiệt độ nhiên liệu điện áp Hình Dạng xung tín hiệu cảm biến vị trí trục cam (G) Hình 10 Dạng xung điều khiển tín hiệu kim phun Tín hiệu cảm biến vị trí trục cam (hình 9) tín hiệu kim phun (hình 10) đo máy dao động ký chuyên dung hang Hanatech để lấy số liệu Từ liệu ta tính tốn số vòng quay động cơ, thời gian phun 4.3 Thiết kế phần cứng thu thập liệu Hình 8.Đồ thị liên hệ nhiệt độ khí nạp điện áp Đồ thị thể đặc tuyến nhiệt độ nhiên liệu điện áp (hình 7) đồ thị thể nhiệt độ khí nạp điện áp (hình 8) xây dụng dựa liệu thực cảm biến Sau đó, ta vẽ đồ thị với điểm cục nội suy tuyến tính thành cơng thức thể đặc tính cảm biến Board mạch Arduino UNO SMD R3 kết nối với LED đoạn (hình 11) nhiệm vụ Arduino UNO SMD R3 kết nối với máy tính qua cổng USB truyền liệu tốc độ động cơ, thời gian phun thời gian phun phụ lên bảng LED Để tiết kiệm chân IO board Arduino, ta sử dụng phương pháp dịch chuyển liệu với IC chuyên dùng 74HC595 90 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh việc hạn chế dòng vào chân Analog Digital Arduino, bảo vệ mạch Arduino hoạt động ổn định Đồng thời truyền liệu qua board mạch Nano (hình 13) để gửi tín hiệu hiển thị LED đoạn Hình 11 Nguyên lý hoạt động Arduino UNO SMD Mạch Arduino Nano (hình 12) thu thập tín hiệu nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ nhiên liệu, nhiệt độ khí nạp, áp suất ống rail để hiển thị lên led đoạn Hình 14 Board mạch thực tế kết hợp Arduino UNO SMD R3 Arduino NANO Hình 15 Bảng LED hiển thị LED đoạn mơ hình Hình 12 Ngun lý hoạt động Arduino NANO Board mạch thu thập liệu hiển thị dùng Arduino (hình 14) bảng LED đoạn hiển thị (hình 15) đóng hộp mica chống nước Bảng LED đoạn kế rõ ràng, quan sát thấy từ xa, thể rõ loại tín hiệu thứ nguyên tương ứng THIẾT KẾ GIAO DIỆN VÀ GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH BẰNG PHẦN MỀM LABVIEW 5.1 Bảng giao diện (The Front Panel) Hình 13 Mạch nguyên lý hoạt động kết hợp Arduino UNO SMD R3 Arduino NANO Board mạch arduino UNO mắc nối tiếp điện trở có giá trị 1kΩ nối tiếp với chân tín hiệu THA, THW, THF, PCR điện trở 10kΩ nối tiếp với chân #4 Mục đích Front Panel mặt mà người sử dụng hệ thống nhìn thấy Các VI bao gồm giao diện người dùng có tính tương tác, mà gọi bảng giao diện, mơ mặt trước dụng cụ vật lý Bảng giao diện bao gồm núm, nút đẩy, đồ thị đồ thị dụng cụ thị điều khiển khác Chúng ta nhập vào liệu sử dụng bàn phím chuột sau quan sát kết hình máy tính [3] Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 91 Giao diện hiển thị máy tính dùng phần mềm LabVIEW thiết kế trực quan giống bảng đồng hồ xe giúp người học dễ dàng quan sát nhận biết thông số vận hành Các thông số đọc thể giao diện LabVIEW: [5] Hình 16 Giao diện LabVIEW - Nhiệt độ nước làm mát: 44OC 5.2 Sơ đồ khối (The Block Diagram) - Nhiệt độ khí nạp: 27OC Block diagram [4] VI sơ đồ xây dựng mơi trường LabVIEW, gồm nhiều đối tượng hàm chức khác để tạo cấu trúc lệnh để chương trình thực - Nhiệt độ nhiên liệu: 35OC - Áp suất ống phân phối: 23 MPa - Tốc độ động cơ: 700rpm - Thời gian phun chính: 676µs - Thời gian phun phụ: 1368µs 6.2 Kết tín hiệu cảm biến cấu chấp hành xuất LED đoạn Hình 17 Sơ đồ khối Block Diagram Các đối tượng Front Panel thể thiết bị đầu cuối Block Diagram (hình 17), khơng thể loại bỏ thiết bị đầu cuối Block Diagram Các thiết bị đầu cuối sau loại bỏ đối tượng tương ứng Front panel Cấu trúc Block Diagram gồm thiết bị đầu cuối (Terminal), nút (Node) dây nối (Wire) [4] Hình 19.Tín hiệu xuất bảng LED đoạn tốc độ cầm chừng 6.3 Tín hiệu thu thập phần mềm chẩn đoán Techstream KIỂM NGHIỆM KẾT QUẢ THỰC HIỆN THÔNG QUA PHẦN MỀM TECHSTREAM 6.1 Kết tín hiệu cảm biến cấu chấp hành thu thập LabVIEW Hình 20.Tín hiệu xuất bảng LED đoạn tốc độ cầm chừng [2] Hình 18 Tín hiệu thu thập LabVIEW tốc độ cầm chừng[5] So sánh kết hiển thị LED đoạn (hình 19) kết đọc phần mềm Techstream (hình 20), ta thấy thiết bị thu thập liệu làm việc xác, có độ nhạy cao đủ đáp ứng thay đổi đột ngột chế độ vận hành 92 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh KẾT LUẬN Đề tài thiết kế thi cơng hồn chỉnh “Thiết kế thi cơng mơ hình triển khai hệ thống điều khiển động Diesel điện tử common rail” Đề tài có nhiều ý nghĩa cơng tác đào tạo mặt khoa học thực tiễn Nội dung sản phẩm đề tài hỗ trợ tốt cho công việc giảng dạy giảng viên học tập sinh viên, đồng thời sở để sinh viên nghiên cứu lĩnh vực khác liên quan đến hệ thống điện điều khiển động Sản phẩm đề tài hỗ trợ tốt, giúp cho sinh viên khả rèn luyện kỹ kiểm tra chẩn đoán phận chi tiết hệ thống dựa vào thông số thu thập mơ hình Mơ hình đáp ứng u cầu kỹ thuật, tính thẩm mỹ, tiếp tục phát triển ứng dụng công nghệ điều khiển từ xa thu thập liệu không dây công nghệ IoT nhằm phục vụ tốt cho việc giảng dạy sinh viên TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đinh Ngọc Ân, Trang bị điện ô tô máy kéo, Nhà xuất đại học trung học chuyên nghiệp Hà nội, 1980 [2] PGS-TS Đỗ Văn Dũng, Trang bị điện điện tử ô tô đại, NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2004 [3] Nationsl Instruments Corporation (2006), “LabVIEW Basic Course Manual”, North Mopac, Austin, Texas [4] S.Sumathi, P.Surekha, “LabVIEW based Advanced Instrumentation System” India, 2007 [5] James D.Halderman, “Diagnosis and Troubleshooting of Automotive Electrical, Electronic and Computer System” New Jersey, America, 2012 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Lê Khánh Tân Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Email: tanlk@hcmute.edu.vn ... Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh KẾT LUẬN Đề tài thiết kế thi cơng hồn chỉnh Thiết kế thi cơng mơ hình triển khai hệ thống điều khiển động Diesel điện tử common rail” Đề tài có nhiều ý nghĩa... trình thực tập mơ hình Hình Bản vẽ bố trí thiết bị bảng mơ hình Khung mơ hình thiết kế đủ diện tích để bố trí cảm biến, hệ thống điều khiển, cấu chấp hành hệ thống thu thập liệu kết nối với máy... Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh kế thi cơng mơ hình triển khai hệ thống điều khiển động Diesel điện tử common rail” với mong muốn tạo sản phẩm áp dụng vào giảng dạy