Nghiên cứu thay thế hệ thống đánh lửa trên xe WAVE RSX 110 bằng hệ thống đánh lửa theo chương trình

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN DUY TRUNG NGHİÊN CỨU THAY THẾ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN XE WAVE RSX 110 BẰNG HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA THEO CHƢƠNG TRÌNH Chun 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 hồn thành TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng Phản biện 1:TS Phan Minh Đức Phản biện 2: TS.Nguyễn Văn Phụng 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 - ĐHĐN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Theo thống kê Cục đăng kiểm Việt Nam, đa phần xe máy sử dụng hệ thống nhiên liệu dùng chế hòa khí hệ thống đánh lửa thông 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 Mục đích nghiên cứu Thay hệ thống đánh lửa thường xe máy hệ thống hệ thống đánh lửa điện tử điều khiển theo chương trình kỷ thuật số nhằm để tận dụng ưu điểm 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 đánh lửa điện tử điều khiển theo chương trình kỷ thuật số Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lắp đặt cảm biến lên động cơ, thay hệ thống đánh lửa hệ thống đánh lửa Nghiên cứu phần mềm Arduino, viết chương điều điều đánh lửa theo chương trình kỷ thuật số Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Sử dụng hệ thống đánh lửa điện tử điều khiển theo chương trình kỷ thuật số thay cho hệ thống đánh lửa thường 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 NGUYÊN CỨU 1.1 Tổng quan hệ thống đánh lửa động đốt 1.2 Lịch sử phát triển Hệ thống đánh lửa 1.2.1 Kiểu điều khiển má vít Hinh 1.1 Hệ thống đánh lửa má vít 1.2.2.Kiểu bán dẫn Hinh 1.2 Hệ thống đánh lửa bán dẫn 2.3 Kiểu bán dẫn có ESA (Đánh lửa Sớm điện tử) Hinh 1.3 Hệ thống ESA 1.2.4 Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS) Hinh 1.4 Hệ thống DIS 1.2.5.Hệ thống đánh lửa điều khiển kỹ thuật số Hinh 1.6 Sơ đồ ESA với cấu đánh lửa sớm điện tử 1.3.1.Mô tả hoạt động hệ thống ESA Hinh 1.8 Sơ đồ mạch điện mô tả hoạt động ESA 1.3.2 Khái quát việc điều khiển đánh lửa sớm Điều khiển góc đánh lửa sớm: Trong động xăng, hỗn hợp hòa khí đánh lửa để đốt cháy (nổ), áp lực sinh từ bốc cháy đẩy píttơng xuống Năng lượng nhiệt biến thành động lực có hiệu cao áp lực nổ cực đại phát sinh vào thời điểm trục khuỷu vị trí 100 sau Điểm Chết Trên (ATDC… Hinh 1.9 Góc đánh lửa sớm Hinh 1.10 Q trình cháy 1.3.3 Các giai đoạn cháy hòa khí - Giai đoạn cháy trễ - Giai đoạn lan truyền lửa 1.3.4 Điều khiển thời điểm đánh lửa Hệ thống đánh lửa điều khiển thời điểm đánh lửa theo tốc độ tải hệ thống - Điều khiển theo tốc độ động Động coi phát công suất hiệu áp suất cực đại … Vì vậy, để sản áp lực nổ cực đại 100 ATDC động chạy 2000 v/ph thời điểm đánh lửa phải sớm để bù cho góc quay trục khuỷu bị trễ Quá trình định thời điểm đánh lửa gọi đánh lửa sớm - Điều khiển theo tải trọng động Để sản áp lực nổ cực đại thời điểm 100 ATDC động mang tải nặng thời điểm đánh lửa phải muộn để bù cho góc quay trục khuỷu bị sớm Ngược lại, tải trọng động thấp thời điểm đánh lửa phải sớm 1.4 Kết luận: Để phát huy tối đa cơng suất động cơ, hỗn hợp khơng khí-nhiên liệu phải đốt cháy cho áp suất cháy tối đa xảy ra, khoảng 10 độ sau điểm chết (TDC) … Chương - GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ TRÊN XE MÁY 2.1 Cơ sở lý thuyết đánh lửa động đốt Trong động xăng, 2.1.1 Các thông số chủ yếu hệ thống đánh lửa 2.2.Lý thuyết mạch điện tử Arduino thật board mạch vi xử lý dùng để lập trình tương tác với thiết bị phần cứng cảm biến, động cơ, đèn thiết bị khác 2.2.1.Giới thiệu board Arduino Uno 2.2.2.Giới thiệu board Arduino Nano Board Arduino Nano có cấu tạo, số lượng chân vào tương tự board Arduino Uno nhiên tối giản kích thước cho tiện sử dụng Do tối giản nhiều kích thước nên Arduino Nano nạp code cung cấp điện cổng mini USB Hình 2.8: Board Arduino Nano 2.2.3 Giới thiệu board Arduino Mega 2560 Hình 2.9: Board Arduino Mega 2560 2.2.4.Q trình xử lý tín hiệu vào Arduino Ta biết vi xử lý làm việc với tín hiệu số tín hiệu từ cảm biến đưa vào Arduino phải chuyển đổi sang tín hiệu số trước đưa vào vi xử lý Các tín hiệu đưa vào Arduino bao gồm tín hiệu tương tự (ANALOG), tín hiệu xung, tín hiệu dạng on/off Dưới ta xét riêng dạng tín hiệu 2.3.Các loại cảm biến, bugi, bobine xe máy 2.3.1 Cảm biến vị trí bướm ga 2.3.2.Cảm biến oxy 10 2.5.Mơ hình nội suy phần mềm lập trình điều chỉnh góc đánh lửa sớm Như trình bày, góc đánh lửa sớm trước hết điều chỉnh theo tốc độ tải động trình chúng vận hành Tuy nhiên đồ góc đánh lửa sớm động nhận số liệu hữu hạn từ thực nghiệm (xem đồ minh họa hình 2.26); cần điều chỉnh góc đánh lửa sớm chế độ vận hành ứng với tốc độ tải khơng trùng với tập liệu có đồ góc đánh lửa sớm phải tính tốn góc đánh lửa sớm theo phương pháp nội suy từ liệu có đồ góc đánh lửa sớm Hinh 2.26: Bản đồ góc đánh lửa sớm lý tưởng theo tốc độ tải động 2.5.1 Mơ hình nội suy theo hàm biến Phương pháp nội suy theo mơ hình hàm biến có cấu trúc đơn giản, khối lượng tính tốn ít, giúp cho trình xử lý hệ thống đánh lửa theo chương trình diễn nhanh, độ trễ điều khiển thấp, dễ bảo đảm xác 11 Tuy nhiên mơ hình nội suy hàm biến áp dụng cho hàm nội suy góc đánh lửa sớm tham số tốc độ tải động cơ; tức áp dụng tải số vòng quay khơng đổi điểm lân cận điểm cần nội suy Với hàm nội suy biến số phổ biến sử dụng mơ hình nội suy Newton, hàm nội suy Lagrange hay hàm xấp xỉ phƣơng pháp bình phƣơng cực tiểu Hiện để xử lý liệu thực nghiệm kỹ thuật, thường dùng phương pháp bình phương cực tiểu chúng đơn giản với khối lượng tính tốn mà lại phù hợp với phương pháp đánh giá sai số trình thu nhận liệu thực nghiệm Theo đó, mơ hình nội suy theo phương pháp bình phương cực tiểu trình bày sau: Giả sử, thực nghiệm đo quan hệ y=f(x), khơng có đặc biệt dạng hàm y=f(x) (ví hàm khơng có tính tuần hòan), người ta thường xấp xỉ hàm f(x) đa thức đại số đơn giản có dạng: Pm(x) = a0 + a1x + a2x2 + a3x3 + + amxm (2.12) hệ hàm sở {  k (x) } có dạng: k(x) = xk với k = đến m ta có: 0(x) = x0 = 1; 1(x) = x1 = x; 2(x) = x2,………., m(x) = xm (2.12b) Các hệ số ak (k = đến m) công thức (2.12) xác lập dựa vào hệ phương trình chuẩn có dạng sau: 12 Bằng cách giải hệ phương trình chuẩn (2.13) gồm (m+1) phương trình, để tìm (m+1) hệ số (a0, a1, a2, …, am) đa thức (2.12) Về mặt thực hành, để tính hệ số ma trận hệ số vectơ hệ số hệ phương trình chuẩn (2.13) đòi hỏi cần phải lập trình để tính tốn số lượng phép tính lớn mà tập liệu lớn bậc đa thức cao (phi tuyến) Khi có hệ số số ( a 0, a 1, , a m) đa thức đại số (2.12), có nghĩa hàm xấp xỉ đa thức đại số P m(x) m =  a x k 0 k k hoàn tồn xác định Lúc độ xác hàm nội suy đánh giá với mức độ xác thơng qua đại lượng sai số trung bình phương n đa thức xấp xỉ Pm(x) so với liệu thực nghiệm cho yi = f(xi) suy từ phương sai liệu thực nghiệm tính tóan sau : n = n  yi  Pm ( xi )2 =  n i 1 n 1 n m    yi   a k  yi xik  n  i 1 k 0 i 1  (2.14) 2.5.2 Mô hình nội suy theo hàm nhiều biến Phương pháp nội suy theo mơ hình hàm nhiều biến có cấu trúc phức tạp, khối lượng tính tốn nhiều tùy vào số 13 biến bậc chúng liệu thực nghiệm cần cho hàm nội suy Tuy nhiên mơ hình nội suy hàm nhiều biến phù hợp cho hàm nội suy góc đánh lửa sớm theo hai tham số tốc độ tải động Vì tính phức tạp giới hạn luận văn, nôi dung phần tác giả xin trình bày phương pháp nội suy hàm hai biến phù hơp với yêu cầu điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo tải tốc độ động Trong phần này, luận văn trình bày phương trình xấp xỉ hàm hai biến kiểu tuyến tính Phương trình hàm xấp xỉ hai biến kiểu tuyến tính viết dạng tổng quát sau: (2.15) Trong bạc đa thức bậc (m = 1); hàm tuyến tính biến x z Trong trường hợp k = - 1; j = - r = 0, 1, , đến (m+1)2 – = 3; tức ta có số r = 0, 1, 2, , hệ số ar có dạng cụ thể sau: y(x, z) = a0x0z0 + a1x1z0 + a2x0z1 + a3x1z1 (2.16) Để giải toán này, ta áp dụng kết tổng quát nghiên cứu nêu trên, hệ hàm sở kj(x,z) có dạng: với j = k0(x,z) = xkz0 00(x,z) = x0z0 10(x,z) = x1z0 (với k = 0, 1); với j = k1(x,z) = xkz1 01(x,z) = x0z1 11(x,z) = x1z1 (với k = 0, 1) Các hệ số a0, a1, a2 a3 phải tìm xác định từ hệ phương trình gồm (m+1)2 = (1+1)2 = phương trình sau: 14 a0 C 00  a1 C10  a C 20  a3 C30  B0 a C  a C  a C  a C  B  01 11 21 31  a0 C 02  a1 C12  a C 22  a3 C32  B2 a0 C 03  a1 C13  a C 23  a3 C33  B3 (2.17) Trong đó: Cab (a = 0, 1, …, 3; b=0, 1, …, 3) số ma trận hệ số xác định theo liệu thực nghiệm biết xi zp (với i = - n p = - m điểm đo từ thực nghiệm) Còn số Bb (b = 0, 1, …, 3) xác định từ liệu thực nghiệm biết yip(xi,zp); nghĩa ta có n điểm đo xi m điểm đo zp có (n x m) số liệu yip(xi,zp) Cụ thể, với hệ phương trình (2.17), ta có số Cab(xi,zp) xác định sau (để đơn giản ta xem số điểm đo xi zp nhau; tức ta có m = n) Còn số Bb (b = 0, 1, …, 3) xác định sau: (2.18b) Khi đó, hệ số ak đa thức xấp xỉ ( = 0, 1, …3; tức a0, a1, a2 a3) xác định bằng: ab = k  (2.19) Ở  định thức ma trận hệ số Cab hệ phương trình (2.17) - mà giá trị cụ thể Cab xác định (2.18) nêu - tức là: 15 C 00 C10 C 20 C30  C C C C  01 11 21 31  =  C 02 C12 C 22 C32    C 03 C13 C 23 C 33  (2.20) Còn  định thức ma trận hệ số Cak thay cột thứ (b) ma trận Cab cột thứ (k) tương ứng ma trận Cak nhờ vec-tơ {B} = {B0, B1, B2, B3} xác định công thức (2.18b) Chẳng hạn định thức  xác định ma trận hệ số Ca1 sau: C 00 B0 C 20 C30  C B C C  01 21 31   =  C 02 B2 C 22 C32    C 03 B3 C 23 C33  (2.21) Cứ vậy, hệ số ak (k = 0, 1, …, 3) đa thức tuyến tính bậc hàm hai biến y(x,z) cơng thức (2.16) xác định hồn tồn 2.4 Kết luận Chương hai nghiên cứu lý thuyết cho thấy góc đánh sớm sớm phụ thuộc vào thơng số vận hành làm việc động đốt Vì cần có đầy đủ cảm biến để ghi nhận tất thay đổi chúng; để từ cung cấp cho hệ thống điều khiển theo chương trình nhằm điều chỉnh xác định thơng số góc đánh lửa sớm thực tế cho động đốt 16 Trong thông số điều chỉnh góc đánh lửa thơng số điều chỉnh theo số vòng quay theo tải trọng động bản, tiêu chuẩn quan trọng nhất; hệ thông điều chỉnh tác dụng động làm việc theo liệu góc đánh lửa sớm tiêu chuẩn Tiêu nhiên, thơng số tiêu chuẩn hữu hạn, chương trình độc lập xác định góc đánh lửa nội suy từ góc đánh lửa tiêu chuẩn phải xây dựng song song với liệu góc đánh lửa tiêu chuẩn 17 Chƣơng - THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM 3.1.Đặc điểm xe Honda Wave 110 3.2.Thiết kế lắp đặt hệ thống đánh lửa điện tử lên xe máy 3.2.1.Phương án lắp đặt hệ thống đánh lửa điện tử lên xe máy 3.2.1.1 Chọn phương án Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống đánh lửa Hình 3.2 Vị trí lắp đặt Bobine bugi đánh lửa 18 3.3.3.Lắp đặt cảm biến vị trí trục cam, cảm biến vị trí trục khuỷu Hình 3.6 Vị trí lắp đặt cảm biến vị trí trục cam, cảm biến vị trí trục khuỷu 3.4.Mơ chế tạo mạch điều khiển đánh lửa điện tử 3.4.2 Phương pháp điều khiển đánh lửa Ignitor 5V R T G NE Buom ga IGT ATMEGA8535 IGF + Accu Hì nh 3.8 Sơ đồ điều khiển góc đánh lửa sớm 19 3.4.3.Tính góc đánh lửa sớm Dựa vào hàm nội suy lập (2.16): y(x, z) = a0x0z0 + a1x1z0 + a2x0z1 + a3x1z1 (3.1) Để xác định hàm nội suy cụ thể cho hệ thống đánh lửa chương trình, tức xác định hệ số a0, a1, …a3 cần phải biết điểm đánh lửa ứng với tốc độ n1=500(v/ph) n2=3000(v/ph) ứng với tải từ 25% 50% Kết thử nghiệm cho bảng 3.1: Bảng 3.1: Dữ liệu thực nghiệm góc đánh lửa (độ) %V1 n1 n2 500 3000 %V2 25 13 50 Bằng phương pháp xấp xỉ nêu trên, ta tìm kết hệ số hàm nội suy (3.1) sau: a0 = 9,600000; a1 = 0,002800; a2 = - 0,104000; a3 = -0,000032 Nghĩa hàm nội suy (3.1) viết tường minh bằng: y(x, z) = 9,600000.n0%0 + 0,002800.n1%0 – 0,104000.n0%1 – 0,000032.n1%1 (3.2) Căn hàm nội suy xác lập, ta dễ dàng tính góc đánh lửa cho vị trí bướm ga tốc độ vận hành Kết tính tốn số điểm minh họa theo hàm nội suy (3.2) cho 20 Bảng 3.2: Dữ liệu nội suy góc đánh lửa theo phụ tải số vòng quay n/% 25 30 35 500 8.00 7.40 6.80 1000 9.00 8.32 7.64 1500 10.00 9.24 8.48 2000 11.00 10.16 9.32 2500 12.00 11.08 10.16 3000 13.00 12.00 11.00 3500 14.00 12.92 11.84 4000 15.00 13.84 12.68 4500 16.00 14.76 13.52 5000 17.00 15.68 14.36 3.4.5.Thuật toán điều khiển đánh lửa 40 6.20 6.96 7.72 8.48 9.24 10.00 10.76 11.52 12.28 13.04 45 5.60 6.28 6.96 7.64 8.32 9.00 9.68 10.36 11.04 11.72 50 5.00 5.60 6.20 6.80 7.40 8.00 8.60 9.20 9.80 10.40 Góc đánh lửa sớm bản= f(tốc độ, tải) + Hiệu chỉnh theo nhiệt độ động Góc đánh lửa sớm giới hạn Góc đánh lửa sớm hiệu Hỡnh 3.9 S thuật tốn điều kAhiển góc đánh lửa sớm Sau xây dựng thuật tốn điều khiển góc đánh lửa sớm động ta tiến hành viết chương trình tối ưu chúng thực nghiệm 21 3.5.Mô chế tạo mạch điều khiển 3.5.1 Bộ điều khiển trung tâm Bộ điều khiển đánh lửa sử dụng vi điều khiển Arduino Mega 2560, có 256 KB nhớ Flash, 8KB SRAM tần số hoạt động 16 MHz 3.5.2.Thiết kế mạch điều khiển hệ thống đánh lửa Hình 3.11: Thiết kế mạch điều khiển hệ thống đánh lửa 3.5.3.Chế tạo mạch điều khiển đánh lửa Sau có sơ đồ mạch in, ta in giấy chuyên dụng máy in mạch, tiếp ta đo chiều dài, chiều rộng mạch in dùng dao cắt mạch để cắt board đồng cho hợp lý 3.6.Chƣơng trình điều khiển đánh lửa arduino Tóm lại: Sau lựa chọn phương án thiết kế điều khiển đánh lửa theo chương trinh; ta tiến hành thiết kế, lựa chọn cụm chi tiết hệ thống điều khiển đánh lửa Từ đó, tính tốn góc đánh lửa sớm cho động thời gian điều khiển phun nhiên liệu; làm sở để thiết kế mạch điều khiển điện tử, lập trình lắp đặt động thử nghiệm Q trình thí nghiệm hiệu chỉnh thơng số tối ưu cho động thõa mãn tiêu kinh tế, kỹ thuật nhiễm môi trường 22 Chƣơng KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 4.1.Kiểm tra chạy thử Sau lắp đặt cảm biến; thiết kế, chế tạo, gia cơng mạch điều khiển viết chương trình hồn tất; tiến hành điều chỉnh khối tín hiệu vào, Chạy thử theo dõi tình trạng hoạt động board mạch 4.1.1.Quy trình kiểm tra 4.1.2.Các bước tiến hành kiểm tra 1.1 Chạy thử 4.2.Kết đo 4.2.1.Kết đo phòng thí nghiệm Ne (KW) V (Km/h) Đánh lửa thường Đánh lửa điện tử điều khiển chương trình 45 2.3 2.7 50 2.5 2.9 60 3.0 3.2 70 3.3 3.3 80 3.4 3.5 90 2.5 3.3 23 … Đánh lửa thƣờng Đánh lửa điện tử Hình 4.2: So sánh đặc tính ngồi động dùng Đánh lửa thường Đánh lửa điện tử điều khiển chương trình Từ hình 4.2 ta nhận thấy: Bảng 4.2: Bảng so sánh suất tiêu hao nhiên liệu động dùng dùng Đánh lửa thường Đánh lửa điện tử điều khiển chương trình ge (g/KW.h) V (Km/h) Bộ chế hòa khí Phun xăng điện tử 45 318 313 50 311 310 60 313 312 70 319 319 80 323 320 90 330 324 Hình 4.3: So sánh suất tiêu hao nhiên liệu động dùng dùng Đánh lửa thường Đánh lửa điện tử điều khiển chương trình 24 Đánh lửa thƣờng Từ hình 4.3 ta nhận thấy: … Đánh lửa điện tử ... cơ, thay hệ thống đánh lửa hệ thống đánh lửa Nghiên cứu phần mềm Arduino, viết chương điều điều đánh lửa theo chương trình kỷ thuật số Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Sử dụng hệ thống đánh lửa. .. phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Động Honda Wave RSX 110 Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống đánh lửa điện tử điều khiển theo chương trình kỷ thuật số Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lắp đặt... phù hợp với chế độ làm việc động Mục đích nghiên cứu Thay hệ thống đánh lửa thường xe máy hệ thống hệ thống đánh lửa điện tử điều khiển theo chương trình kỷ thuật số nhằm để tận dụng ưu điểm