Nghiên cứu thay thế bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun nhiên liệu cho xe gắn máy

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRƢƠNG VIỆT HƢNG NGHIÊN CỨU THAY THẾ BỘ CHẾ HỊA KHÍ BẰNG HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU CHO XE GẮN MÁY Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 60.52.01.16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỶ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng- Năm 2019 Cơng trình hoàn thành TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng Phản biện 1: TS Phạm Quốc Thái Phản biện 2: TS Phùng Xuân Thọ Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ ngành Kỹ thuật khí động lực họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 26 tháng 04 năm 2019 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trƣờng Đại học Bách khoa  Thư viện Cơ khí giao thơng, Trường Đại học Bách khoa - ĐH DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT EFI (Electronic Fuel Injection) ECU (Engine Control Unit) MAP (Manifold Absolute Pressure) IAT (Intake Air Temperature) ECT (Engine Coolant Temperature) TDC (Top Dead Center) BDC (Bottom Dead Center) WOT (Wide Open Throttle) RPM (Revolutions Per Minute) NTC (Negative Temperature Coefficient) VVT (Variable Valve Timing) GPS (Global Positioning System) LCD (Liquid Crystal Display) ADC (Analog to Digital Convert) TPS (Throttle Position Sensor) MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện động xe máy sử dụng chế hòa khí ngày cũ sử dụng công nghệ lạc hậu làm việc đốt cháy triệt để nhiên liệu bị giảm đi, khí thải độc hại tăng Mặc khác, động sử dụng hệ thống phun nhiên liệu giải khuyết điểm chế hòa khí chọn đề tài “Nghiên cứu thay chế hòa khí hệ thống phun nhiên liệu cho xe gắn máy” để góp phần làm giảm tiêu hao nhiên liệu khí thải thải mơi trường Mục đích nghiên cứu Tận dụng ưu điểm hệ thống phun nhiên liệu làm giảm tiêu hao nhiên liệu giảm lượng khí thải thải mơi trường bên Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Động Honda Wave RSX 110 Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống phun xăng điện tử Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lắp đặt cảm biến lên động cơ, thay chế chế hòa khí hệ thống phun xăng Nghiên cứu phần mềm Arduino, viết chương điều khiển hệ thống phun xăng Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Sử dụng hệ thống phun xăng thay cho chế hòa khí động đốt làm giảm mức độ phát thải khí CO2, NOx, HC, CO … góp phần thực cơng ước quốc tế môi trường mà Việt Nam cam kết tham gia CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Hiện nước ta xe máy đa phần sử dụng hệ thống nhiên liệu dùng chế hòa khí hệ thống đánh lửa thơng thường, hệ thống có nhiều nhược điểm như: + Thành phần hòa khí phụ thuộc chủ yếu vào áp suất đường ống nạp tốc độ động cơ, thực tế thành phần hòa khí phụ thuộc vào nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí nạp, độ mở bướm ga…Hơn cấu điều chỉnh lượng nhiên liệu khí, khơng đảm bảo điều khiển xác lượng chất hổn hợp phù hợp với chế độ làm việc động + Do sử dụng họng tiết lưu nên làm tăng tổn thất khí, giảm hệ số nạp động + Khi muốn lắp thêm xúc tác khí xả khơng trì  = nên hiệu suất xúc tác khơng cao + Góc đánh lửa sớm giữ cố định khơng phù hợp với tải trọng tốc độ động Do nhược điểm mà tính kinh tế kỹ thuật động xe máy không cao, vấn đề phát thải khí thải độc hại Cùng với đời phát triển động đốt trong, hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động đốt ngày phát triển để đảm bảo u cầu giảm khí thải, giảm nhiễm môi trường, tiết kiệm tối đa nhiên liệu Suốt thời gian qua, hệ thống nhiên liệu xe thay đổi nhiều, yêu cầu cho ngày khắt khe Cùng với phát triển chế hòa khí ngày phức tạp hóa hơn, để đảm bảo động hoạt động cách hiệu Tuy chế hòa khí ngày phát triển tồn khuyết điểm khắc phục Sự đời hệ thống phun xăng khắc phục nhược điểm chế hòa khí, ngày động hầu hết dùng hệ thống phun xăng điện tử để đáp ứng nhu cầu gắt gao khí xả tính tiết kiệm nhiên liệu với ưu điểm bật hệ thống phun xăng: - Có thể cung cấp hỗn hợp khơng khí nhiên liệu đồng đến xilanh - Đạt tỉ lệ hòa trộn khơng khí nhiên liệu xác tất dải tốc độ - Lượng nhiên liệu cung cấp cho động thay đổi kịp thời với thay đổi góc mở bướm ga - Có khả thay đổi tỉ lệ hỗn hợp khơng khí nhiên liệu để phù hợp với tình trạng làm việc động chế độ khởi động, tăng tốc, toàn tải giảm tốc - So với kiểu cung cấp nhiên liệu dùng chế hòa khí hệ thống phun xăng có hiệu suất nạp cao giảm cản đường nạp - Sự hòa trộn khơng khí nhiên liệu tốt nhờ dòng khí tăng xoáy lốc giảm thất thoát nhiên liệu bám đường ống nạp - Nhờ tỉ lệ khơng khí nhiên liệu hòa trộn theo tỉ lệ lí tưởng có hệ thống xử lí khí thải nên động phun xăng ô nhiễm môi trường Xuất phát từ yêu cầu thực tế nhằm khắc phục nhược điểm nêu động xe máy sử dụng chế hòa khí mong muốn nghiên cứu tiếp cận làm chủ công nghệ đại lĩnh vực ôtô xe máy Tôi tiến hành “Nghiên cứu thay chế hòa khí hệ thống phun nhiên liệu cho xe gắn máy” CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Lý thuyết hệ thống phun xăng điện tử Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống phun xăng điện tử Tùy theo tốc độ động lượng khí nạp đo cảm biến lưu lượng khí ECU thơng báo cho vòi phun nhiên liệu cần phun hỗn hợp khí- nhiên liệu tạo bên đường ống nạp Khái niệm “ lượng phun bản” sử dụng để lượng nhiên liệu cần phun để tạo tỷ lệ hỗn hợp lý thuyết  Hệ thống nạp khí: Khơng khí từ lọc gió qua cảm biến áp suất khí nạp đến bướm ga van khí phụ (nếu có điều khiển khơng tải), qua đường dẫn khí đến xilanh động  Hệ thống nhiên liệu: Nhiên liệu từ bình xăng đưa đến bơm nhiên liệu, qua lọc nhiên liệu đến vòi phun khởi động lạnh (nếu có) ổn định áp suất tới vòi phun  Hệ thống điều khiển điện tử: Bao gồm ECU, cảm biến hệ thống điều khiển cấu chấp hành Trên sở thông tin từ cảm biến đầu vào tín hiệu đánh lửa, ECU tiến hành tính tốn để điều khiển cấu chấp hành cuộn đánh lửa, vòi phun… Yêu cầu hệ thống phun xăng điện tử Để động sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử hoạt động bình thường ECU cần nhiều thơng số vị trí trục cam, trục khuỷu, lưu lượng khí nạp, nhiệt độ động cơ, nồng độ O2 khí thải… Những số liệu thu thập từ cảm biến đặt khắp nơi động Sau nhận tín hiệu từ cảm biến ECU tính toán để điều khiển lượng phun nhiên liệu phù hợp với chế độ làm việc khác động Trên động nguyên thủy sử dụng chế hòa khí khơng có bơm xăng mà xăng đưa vào bình xăng từ bình xăng lớn, động hoạt động tạo áp suất để hút xăng khơng khí vào theo tỷ lệ canh chỉnh sẵn bình xăng con, hệ thống phun xăng sử dụng bơm nhiên liệu để tạo áp suất vòi phun để phun nhiên liệu dạng sương tinh vào khơng khí nạp Nhờ làm tăng diện tích bề mặt hóa nhiên liệu Vì nhiên liệu hóa nhanh hơn, giúp hòa trộn với khơng khí tốt làm cháy hết hồn tồn phát thải nhiễm Hệ thống phun phải luôn phun lượng nhiên liệu phương pháp điều chỉnh thay đổi thời gian phun + So với động sử dụng chế hòa khí động hệ thống phun xăng có thêm số phận: - Các cảm biến: Tiếp nhận thông số động - Bộ điều khiển: Nhận tín hiệu từ cảm biến, điều khiển vòi phun để hòa khí có tỷ lệ phù hợp với chế độ làm việc động - Vòi phun: Phun nhiên liệu điều khiển tín hiệu điện - Bơm xăng: Đưa nhiên liệu từ bình chứa đến vòi phun với áp suất định Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động phun xăng điện tử 2.1 Điều khiển lượng phun Lượng không khí cảm nhận cảm biến đo lưu lượng gió chuyển hóa thành điện áp, điện áp gửi đến ECU tín hiệu 10 - Cảm biến vị trí trục cam, biến vị trí trục khuỷu Lý thuyết mạch điện tử Hình 2.3: Board Arduino Mega 2560 Ta chọn Board mạch Arduino Mega 2560 có tốc độ xử lí cao, khả chống nhiễu tốt, lập trình dễ dàng, phần mềm hỗ trợ từ nhà sản xuất nên phù hợp với việc điều khiển hệ thống phun nhiên liệu.[13] 11 Thiết bị phần mềm thu nhận tín hiệu Màn hình LCD 20x4B Hình 2.4: Sơ đồ chân hình LCD 20x4B 12 CHƢƠNG THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM Thiết kế lắp đặt hệ thống phun nhiên liệu lên động sử dụng chế hòa khí 1.1 Phƣơng án lắp đặt hệ thông phun nhiên liệu lên đông sử dụng chế hòa khí Chọn họng ga bình xăng động Honda Wave RSX Fi để thay cho chế hòa khí bình xăng động thử nghiệm gồm chi tiết: Hình 3.1: Bộ họng ga 13 Hình 3.2: Bình xăng 1.2 Thiết kế lắp đặt mặt bích lắp ống nạp hệ thống phun nhiên liệu lên động ngun thủy Hình 3.3: Bản vẽ mặt bích 14 Tính thời gian phun theo số tín hiệu động 2.1 Đặc tính vòi phun Gnl = x.K.t0 + K.t (g), với < x < [3] Bảng 1: Phun nhiên liệu với thời gian ti số lần phun 5000 lần ti(ms) lần phun wFuel(gam) 5000 1.1 5000 3.9 1.2 5000 4.3 1.3 5000 4.8 1.4 5000 5.5 1.5 5000 1.6 5000 6.2 1.7 5000 6.7 1.8 5000 1.9 5000 7.6 5000 8.2 2.5 5000 10.2 5000 12.4 3.5 5000 14.7 5000 17.2 5000 22.4 5000 27.6 5000 34 5000 39.5 5000 44.5 10 5000 49.15 15 Sử dụng hàm xấp xỉ ta xác định x = 0.6; K = 0.0018, t = 0.5 2.2 Điều khiển thời gian phun nhiên liệu Thời gian phun nhiên liệu thực tế xác định hai đại lượng sau: - tb: Thời gian phun chủ yếu dựa vào áp suất khí nạp tốc độ động - tc: Thời gian hiệu chỉnh dựa vào cảm biến lại Thời gian phun nhiên liệu tổng đại lượng trên: t= tb + tc Trong khuôn khổ đề tài này, ECU điều khiển kim phun theo chế độ sau: + Chế độ khởi động với λ nhỏ + Chế độ chuyển tiếp từ khởi động sang khơng tải + Chế độ hâm nóng máy (khơng tải nhiệt độ động thấp) + Chế độ chuyển tiếp từ khơng tải sang có tải + Chế độ tăng tốc + Chế độ giảm tốc + Chế độ ổn định + Chế độ cắt nhiên liệu động bị kéo + Chế độ cắt nhiên liệu tốc độ + Điều khiển kín với λ= tải trung bình động ó núng 16 NE TPS Cắt nhiên liệu Làm giàu tăng tốc tb Cảm biến áp suất TW Làm giàu khởi động tc Làm giàu chuyển tiếp ST TA Điện áp Accu Làm giàu lúc sấy nóng ti kim phun Cảm biến Lambda Điều chỉnh Lambda = Hình 3.4: Sơ đồ điều khiển thời gian phun theo chế độ làm việc động 2.3 Thời gian phun xăng Ta xét tốc độ n = 500v/p, độ mở bướm ga 25%, Vh= 109.1cm3, i= 4, ρ = 0.00129 g/cm3, ν = 0.9  mkk = Vh x ρ = 109.1 x 0.00129 = 0.140739 (g) Tỷ lệ hỗn hợp lý tưởng 1/14,7 gọi lý tưởng lượng oxy khí hỗn hợp hồn tồn thích ứng với lượng hydrocacbon xăng giúp cho trình cháy khí hỗn hợp hồn chỉnh 17 VE = Lượng khơng khí thực tế nạp / tỷ lệ hòa trộn khơng khí xăng Thời gian phun:t = (VE – x.K.t0)/K  Ở tốc độ n = 500v/p, độ mở bướm ga 25%, hệ số nạp ν = 0.9 Thì mkktt = mkk x ν x 25% = 0.140739 x 0.9 x 25% = 0.0317 (g) Mơ chế tạo mạch điều khiển Hình 3.5: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phun nhiên liệu 18 Hình 6: Mạch điều khiển hệ thống phun nhiên liệu đánh lửa điện tử hoàn chỉnh 19 CHƢƠNG KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN Nhằm đánh giá tính kỹ thuật xác định chất lượng động sau thay chế hòa khí hệ thống phun nhiên liệu ta tiến hành thí nghiệm đo cơng suất tiêu hao nhiên liệu động thử nghiệm Tỷ số truyền truyền lực xác định từ điều kiện đảm bảo cho ô tô đạt vận tốc cực đại tay số cao hộp số khí xe đầy tải nên ta chọn tay số động hoạt động để thử nghiệm Dưới kết đo được: Ne (KW) V (Km/h) Bộ chế hòa khí Phun xăng điện tử 45 2.2 2.6 50 2.4 2.8 60 2.9 3.1 70 3.3 3.3 80 3.3 3.5 90 2.6 3.1 Bảng 2: Bảng kết đo cơng suất ứng với đặc tính ngồi tay số động dùng chế hòa khí thông thường dùng hệ thống nhiên liệu phun xăng Công suất (KW) 20 3.5 2.5 1.5 0.5 0 20 40 60 80 100 Tốc độ xe(Km/h) xe dïng bé chÕ hßa khÝ xe phun xăng điện tử Hỡnh 4.1: So sỏnh c tính ngồi động dùng chế hòa khí dùng hệ thống phun xăng điện tử ge (g/KW.h) V (Km/h) Bộ chế hòa khí Phun xăng điện tử 45 317 312 50 312 310 60 314 313 70 320 317.5 80 324 321 90 331 325 Bảng 3: Bảng so sánh suất tiêu hao nhiên liệu động dùng chế hòa khí dùng hệ thống nhiên liệu phun xăng 21 Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kW.h) 335 330 325 320 315 310 305 20 40 60 80 100 Tốc xe(Km/h) chế hòa khí hệ thống phun xăng Hình 4.2: So sánh suất tiêu hao nhiên liệu động dùng chế hòa khí dùng hệ thống phun xăng điện tử Qua hai đường đặc tính ta thấy tính hiệu động nâng lên rõ rệt thể đường đặc tính ngồi động dùng hệ thống nhiên liệu điện tử cao so với dùng chế hòa khí Suất tiêu hao nhiên liệu giảm chút cải thiện tính kinh tế động 22 KẾT LUẬN-KIẾN NGHỊ Qua kết đề tài tơi có kết luận sau: - Động sử dụng hệ thống phun xăng thay cho chế hòa khí động xe Honda Wave RSX hoạt động ổn định chế độ làm việc - Điều chỉnh thời điểm phun lượng phun nhiên liệu tùy vào chế độ làm việc động - Có thể dùng hệ thống điều khiển điện tử cho xe loại - Ở tốc độ 70km/h động cơng suất động sử dụng chế hòa khí động thay hệ thống phun xăng điện tử nhau, dải tốc độ khác động sử dụng hệ thống phun xăng sinh công suất lớn động nguyên thủy - Qua kết đo, tốc độ xe suất tiêu hao nhiên liệu giảm thay chế hòa khí hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử Trong q trình thực đề tài nhóm thực có số kiến nghị sau: - Trên board mạch thử nghiệm dừng lại việc phun xăng đánh lửa.Cần phát triển board mạch hoàn thiện không dừng lại việc phun xăng, đánh lửa mà thêm số chức khác điều khiển chạy khơng tải, chức dự phòng ECU số mạch chẩn đốn mã lỗi - Chưa tối ưu hóa lượng tiêu hao nhiêu liệu, công suất động hàm lượng khí thải thải mơi trường bên 23 - Chưa kiểm tra mức độ phát thải ô nhiễm động sau thay chế hòa khí hệ thống phun xăng điện tử Hướng phát triển đề tài: - Tối ưu hóa lượng phun góc đánh lửa sớm ứng với chế độ làm viêc khác động cho tiêu hao nhiêu nhiên liệu nhỏ lượng khí thải thấp mà đảm bảo công suất động hoạt động ổn định - Phát triển đề tài để thực động nhiều xi lanh 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] - Chuyên ngành kỹ thuật ô tô xe máy đại (Bản dịch tiếng Việt từ ấn tiếng Đức lần thứ 30 ký ngày 18-10-2013) Nhà xuất Europa Lehmittel, 784 trang [2] - Nguyễn Tất Tiến Nguyên lý động đốt NXB giáo dục, Hà Nội 2003 [3] - Lê Minh Tiến, Phạm Quốc Thái, Huỳnh Tấn Tiến, Võ Anh Vũ (2018), “THIẾT KẾ CHẾ TẠO BĂNG THỬ VỊI PHUN XĂNG”, Tạp chí KHCN ĐHĐN, Số 1(122).2018, tr 90-94 [4] – Nguyễn Oanh (1997), Ơ Tơ Thế Hệ Mới, Phun Xăng Điện Tử EFI, NXB Đồng Nai [5] - Xuân Hinh - Đông Nghi, “Báo động ô nhiễm môi trường từ xe máy cũ nát”, 04/2017 https://petrotimes.vn/bao-dong-o-nhiem-moi-truong-tu-xe-may-cunat-493810.html [6] - João Filipe Ferreira Vicente, December 2009, Engine Control Unit Unidade de Controlo de Motor, Dissertation submited to obtain the degree of Masterin Electronic Engineering ... điểm chế hòa khí tơi chọn đề tài Nghiên cứu thay chế hòa khí hệ thống phun nhiên liệu cho xe gắn máy để góp phần làm giảm tiêu hao nhiên liệu khí thải thải mơi trường Mục đích nghiên cứu Tận... máy sử dụng chế hòa khí mong muốn nghiên cứu tiếp cận làm chủ công nghệ đại lĩnh vực ôtô xe máy Tôi tiến hành Nghiên cứu thay chế hòa khí hệ thống phun nhiên liệu cho xe gắn máy 6 CHƢƠNG 2:... cứu: Hệ thống phun xăng điện tử Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lắp đặt cảm biến lên động cơ, thay chế chế hòa khí hệ thống phun xăng Nghiên cứu phần mềm Arduino, viết chương điều khiển hệ thống