Báo cáo tốt nghiệp bộ môn động cơ đốt trong

Bộ môn: Động Đốt Đồ án tốt nghiệp Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ mơn: Động Đốt Đồ án tốt nghiệp Chương I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đặt vấn đề Theo thống kê cục đăng kiểm nước ta có gần 25 triệu xe máy mà đa phần số dó sử dụng hệ thống nhiên liệu dùng chế hịa khí có nhiều nhược điểm như: • Chất lượng hồ khí phụ thuộc nhiều vào biên dạng kim ga điều chỉnh xác lượng chất hỗn 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 cơ.thì hệ số nạp vào xylanh thấp Do khí hỗn hợp có lẫn xăng nặng nên lưu thơng • Động dùng chế hịa khí cho dù ống góp hút thiết kế quy cách động lực học λ =1 • Khi muốn lắp thêm xúc tác khí xả khơng trì nên hiệu xuất xúc tác khơng cao • Kết cấu chế hịa khí đơn gian, để đáp ứng nhu cầu việc thải khí hơn, tiêu hao nhiên liệu kinh tế hơn, cải thiện khả tải ,bộ chế hịa khí ngày phải lắp đặt thiết bị hiệu chỉnh khác nhau, trở thành hệ thống phức tạp Do nhược điểm mà tính kinh tế kỹ thuật động xe máy không cao vấn đề phát thải khí thải độc hại động Xuất phát từ yêu cầu thực tế nhằm khắc phục nhược điểm nhóm tiến hành nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển phun xăng điện tử EFI cho xe máy Hệ thống phun xăng điện tử có nhiều ưu điểm, số ưu điểm bật là: • Có thể đạt tỷ lệ khí nhiên liệu xác với tất dải tốc độ tải trọng động Hệ số nạp nâng cao khơng có họng khuyếch tán • Dễ dàng cung cấp lượng thành phần hỗn hợp đáp ứng kịp thời với thay đổi góc mở bướm ga Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động Đốt Đồ án tốt nghiệp • Khả hiệu chỉnh hỗn hợp khí nhiên liệu dễ dàng: làm đậm hỗn hợp nhiệt độ động thấp cắt nhiên liệu giảm tốc động vượt tốc độ cho phép λ =1 • Có thể điều khiển hệ số dư lượng khơng khí chế độ hoạt động động kết hợp với xúc tác khí xả ba thành phần làm giảm nồng độ thành phần độc hại khí thải động 1.2 So sánh chung chế hịa khí hệ thống phun xăng điện tử Chế hịa khí (hay cịn gọi bình xăng con), sử dụng xe máy ô tô năm đầu nghành công nghiệp Nhiệm vụ hịa trộn khơng khí xăng cho động Khơng khí nhiên liệu sau qua chế bị hút vào xilanh thực hiên quy trình nén nổ Khơng khí vào qua đường dẫn hẹp (cửa phun) tạo thành chân không phần Do chênh lệch áp suất cửa phun bình chứa nên nhiên liệu qua ống phun hịa lẫn vào dịng khơng khí Hình 1.1 Ngun lý hoạt động chế hịa khí Một số xe sử dụng loại cửa phun cố định (Fixed Venturi-VV) Ở loại cửa phun biến thiên, kích thước đường dẫn khơng khí thay đổi theo thay đổi để điều khiển lượng nhiên liệu phân phối Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ mơn: Động Đốt Đồ án tốt nghiệp Mục tiêu tất chế hịa khí tạo nên hịa khí có tỷ lệ khối lượng tối ưu khơng khí nhiên liệu 14,7:1 Với hịa khí đạt tỷ lệ trên, cháy hồn tồn Một hỗn hợp có tỷ lệ thấp gọi "giàu" có q nhiều nhiên liệu so với khơng khí Ngược lại, hỗn hợp coi "nghèo" Hỗn hợp giàu không cháy hết thừa nhiên liệu gây hao xăng Trong đó, hỗn hợp nghèo không sinh công tối đa, khiến động làm việc yếu thiếu ổn định Để thực điều này, chế hịa khí phải kiểm sốt lượng khơng khí vào động thơng qua cung cấp lượng nhiên liệu phù hợp Tuy nhiên, điểm yếu loại chế hịa khí đáp ứng tỷ lệ lý tưởng khoảng vận hành định nên xe hoạt động không hiệu Hệ thống phun nhiên xăng điện tử Xuất sau kiểu phun nhiên liệu chế hịa khí khoảng 70 năm hệ thống phun nhiên liệu điện tử EFI (Electronic Fuel Injection) nhanh chóng trở nên phổ biến khắc phục nhược điểm chế hịa khí Hình 1.2 Kim phun hệ thống phun nhiên liệu EFI Do vận hành tự động nên hệ thống EFI cần có thơng số nhằm cảm nhận chế độ làm việc động để điều khiển kim phun đóng mở khoảng thời gian cho lượng nhiên liệu vừa đủ để tạo nên hỗn hợp lý tưởng Các thông số đầu vào cần thiết để EFI hoạt động ổn định góc quay tốc độ trục khuỷu, lưu lượng khí nạp, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ nước làm mát (nhiệt độ thân động cơ), điện áp accu, tỷ lệ Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ mơn: Động Đốt Đồ án tốt nghiệp hỗn hợp, nồng độ oxy khí thải Những số liệu thu thập từ cảm biến đặt vị trí khác động Có nhiều cách phân loại hệ thống phun xăng phổ biến cách phân loại theo vị trí đặt kim phun, hệ thống phun xăng EFI chia thành hai loại phun đa điểm MFI (Multipoint Fuel Injection) phun xăng đơn điểm (kim phun đặt trước bướm ga) Ở MFI, xi-lanh có kim phun tức động V6 có kim phun V8 có kim Khơng khí nhiên liệu hịa trộn xi-lanh Trong đó, loại phun xăng tập trung có kim phun đặt ống nạp chung cho xi-lanh Ưu nhược điểm loại Sự phổ biến phun xăng điện tử EFI chứng tỏ ưu điểm lớn Khác với hệ thống nhiên liệu dùng chế hịa khí, hệ thống nhiên liệu EFI mà đặc biệt loại đa λ =1 điểm MFI tạo nên hịa khí có tỷ lệ gần ngưỡng lý tưởng ( ) tất xilanh, tùy theo điều kiện vận hành chúng Điều có nghĩa hịa khí xilanh điều chỉnh đồng mmọt cách xác lượng chất tăng khả sinh công động lượng nhiên liệu tiêu thụ mức vừa đủ Do cải thiện đáng kể tiêu kinh tế kỹ thuật động Ngoài ưu điểm trên, EFI điều chỉnh lượng xăng theo chế độ vận hành động Chẳng hạn khởi động, hịa khí cần đậm xăng để cháy (do khí sót nhiều nhiệt độ động cịn thấp làm giảm q trình bay hịa trộn xăng khơng khí để tạo thành hỗn hợp…), hệ thống phun xăng nhiều Khi động ổn định, ECU điều khiển cho lượng nhiên liệu mức vừa đủ Như vậy, xét phương diện sử dụng nhiên liệu, EFI rõ ràng có nhiều ưu điểm so với chế hịa khí Tuy nhiên, rắc rối EFI bắt nguồn từ phức tạp Nếu xảy hỏng hóc, người sử dụng cách mang xe vào garage, nhờ kỹ thuật viên dùng máy đọc lỗi để xác định ngun nhân Trong với chế hịa khí, người thợ bình thường chẩn đốn khắc phục Ngoài ra, EFI sử dụng nhiều cảm biến nên cần bị hỏng, hệ thống bị ảnh hưởng, động làm việc ổn định đặc biệt cảm biến tốc độ cảm biến lưu lượng khí nạp Hỏng hóc thường xảy với loại xe sử dụng EFI Việt Nam tắc đầu kim phun Nguyên nhân chất lượng xăng nước ta chưa cao nên dễ tạo cặn đầu kim, gây tắc khiến động không khởi động chết máy Hiện nay, vài hãng giới thiệu sản phẩm có khả làm đầu kim cách pha vào xăng Tuy nhiên, với chất gây tác động đến hệ thống Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động Đốt Đồ án tốt nghiệp cung cấp nhiên liệu, tới hiệu suất làm việc xúc tác khí xả chất phụ gia không nên dùng mà cần tham khảo thêm nhiều nguồn Cách tốt sử dụng sản phẩm nhà sản xuất tên tuổi có đảm bảo từ hãng xe mà sử dụng Để giảm thiểu khí thải độc hại xe đại thường sử dụng thêm xúc tác khí xả Hiệu suất xúc tác hoạt động tốt xung quanh khoảng λ =1 hẹp quanh hệ thống EFI thường có chế độ điều khiển vịng kín nhằm λ =1 trì thơng qua cảm biến lamda 1.3 Phương pháp nghiên cứu Nhằm nâng cao tiêu kinh tế, kỹ thuật, giảm thiểu phát thải khí thải độc hại Trên sở xe Super Dream nhóm tiến hành tính tốn thiết kế, cải tiến hệ thống nạp, khơng có thay đổi đến kết cấu động kết cấu xe Sau tham khảo phân tích hệ thống EFI sử dụng tới chọn việc điều khiển lượng nhiên liệu phun điều chỉnh theo tải trọng tốc độ động cơ, đặc biệt việc điều khiển lượng nhiên liệu phun theo chế độ vịng kín chế độ ổn định kết hợp với việc sử dụng xúc tác khí xả ba thành phần góp phần giảm bớt khí thải độc hại động 1.4 Nội dung nghiên cứu • Tìm hiểu sở lý thuyết hệ thống phun xăng đánh lửa điều khiển điện tử • Nghiên cứu, tính tốn thiết kế chế tạo thử hệ thống đường nạp, thải vị trí đặt cảm biến, vịi phun động • Xây dựng mạch nguyên lý thiết kế chế tạo điều khiển ECU cho động • Xây dựng thuật tốn điều khiển viết chương trình điều khiển • Tiến hành thực nghiệm tìm liệu tối ưu cho ECU • Tiến hành đo đạc băng thử để so sánh tiêu kinh tế kỹ thuật xe ngun dùng chế hịa khí xe lắp hệ thống phun xăng điện tử • Chạy xe đường để đánh giá so sánh tính sử dụng xe với xe nguyên Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ mơn: Động Đốt Đồ án tốt nghiệp Chương GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ Hệ thống điều khiển phun xăng EFI ( Electronic Fuel Injection) bao gồm loạt cảm biến liên tục đo đạc trạng thái hoạt động động cơ, phận điều khiển điện tử ECU ( Electronic Control Unit) đánh giá tín hiệu vào cảm biến cách so sánh với giá trị tối ưu nhớ, sau tính tốn hình thành xung điều khiển đưa đến thiết bị thực ( định thời điểm thời gian mở kim phun) 2.1 Lịch sử phát triển phân loại 2.1.1 Lịch sử phát triển Vào kỷ 19, kỹ sư người Mỹ - ông Stevan – nghĩ cách phun nhiên liệu cho máy nén khí Sau thời gian, người Đức cho phun nhiên liệu vào buồng cháy không mang lại hiệu Đầu kỷ 20, người Đức áp dụng hệ thống phun nhiên liệu động kỳ tĩnh (nhiên liệu dùng động dầu hoả nên hay bị kích nổ hiệu thấp) Tuy nhiên, sau sáng kiến ứng dụng thành công viêc chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu cho máy bay Đức Đến năm 1966, hãng BOSCH thành công việc chế tạo hệ thống phun xăng kiểu khí.Trong hệ thống phun xăng nhiên liệu phun trực tiếp vào trước supap hút nên có tên gọi tên K - Jetronic (K – Konstan - liên tục, Jetronic phun) K - Jetronnic đưa vào sản xuất ứng dụng xe hãng Mercedes số xe khác, tảng cho việc phát triển hệ thống phun xăng hệ sau như: KE - Jetronic, Mono - Jetronic, L - Jetronic, Motronic Do hệ thống phun xăng khí cịn nhiều nhược điểm nên đầu năm 80, BOSCH cho đời hệ thống phun xăng sử dụng kim phun điều khiển điện Có loại: hệ thống L – Jetronic (lượng nhiên liệu xác định nhờ cảm biến đo lưu lượng nạp) D – Jetronic (lượng nhiên liệu xác định dựa vào áp suất đường ống nạp) Đến năm 1984, người Nhật (mua quyền BOSCH) ứng dụng hệ thống phun xăng L - Jetronic D – Jetronic xe hãng Toyota (dùng với động 4A - ELU) Đến năm 1987, hãng Nissan dùng L - Jetronic thay chế hịa khí xe Nissan Sunny Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ mơn: Động Đốt Đồ án tốt nghiệp Việc điều khiển EFI chia làm hai loại, dựa khác phương pháp dùng để xác định lượng nhiên liệu phun Một loại mạch tương tự, loại điều khiển lượng phun dựa vào thời gian cần thiết để nạp phóng tụ điện Loại khác loại điều khiển vi xử lý, loại sử dụng liệu lưu nhớ để xác định lượng phun Loại hệ thống EFI điều khiển mạch tương tự loại TOYOTA sử dụng lần hệ thống EFI Loại điều khiển vi xử lý bắt đầu sử dụng vào năm 1983 Loại hệ thống EFI điều khiển vi xử lý sử dụng xe TOYOTA gọi TCCS (TOYOTA Computer Controled System – Hệ thống điều khiển máy tính TOYOTA), khơng điều khiển lượng phun mà cịn bao gồm ESA (Electronic Spark Advance – Đánh lửa sớm điện tử) để điều khiển thời điểm đánh lửa; ISC (Idle Speed Control – Điều khiển tốc độ không tải) hệ thống điều khiển khác chức chuẩn đốn dự phịng Hai hệ thống phân loại sau: Hình 2.1 Sơ đồ phân loại hệ thống phun xăng điện tử Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ mơn: Động Đốt Đồ án tốt nghiệp Loại EFI mạch tương tự điều khiển vi xử lý giống nhau, nhận thấy vài điểm khác lĩnh vực điều khiển độ xác 2.1.2.Phân loại hệ thống phun xăng gián tiếp Tùy thuộc vào tiêu chí mà ta có cách phân loại hệ thống phun xăng khác Dựa vào cách thức phun người ta phân thành hệ thống phun xăng đơn điểm hệ thống phun xăng đa điểm Hệ thống phun xăng đơn điểm ( single – point) hay gọi hệ thống phun xăng trung tâm, tồn động có vòi phun đường ống nạp chung cho tất xilanh Còn hệ thống phun đa điểm (Multi-point) xilanh có vịi phun bố trí sát xupap nạp Hệ thống phun đa điểm so với hệ thống phun đơn điểm có ưu điểm xăng phun vào xupap nơi có nhiệt độ cao nên có điều kiện bay tốt giảm tượng đọng bám xăng đường ống nạp Dựa vào cách thức diều khiển vòi phun người ta phân thành hệ thống điều khiển điện tử hệ thống điều khiển khí hay hỗn hợp khí-điện tử Dựa vào việc tổ chức trình phun người ta phân thành hệ thống phun xăng liên tục hay gián đoạn Với cách phân loại trên, thực tế có nhiều hệ thống phun xăng với đặc điểm phun tổ hợp hình thức phân loại như: - Hệ thống K-Jetronic: Đây hệ thống phun xăng đa điểm, liên tục điều khiển khí - Hệ thống L-Jetronic D-Jetronic: Đây hệ thống phun xăng đa điểm, phun gián đoạn điều khiển điện tử D-Jetronic: lượng xăng phun xác định dựa vào áp suất sau cánh bướm ga cảm biến áp suất khí nạp MAP (manifold absolute pressure sensor) hiệu chỉnh theo nhiệt độ khí nạp L-Jetronic lượng xăng phun tính tốn dựa vào lưu lượng khí nạp lấy từ cảm biến đo gió loại cánh trượt Sau có phiên bản: LH-Jetronic với cảm biến đo gió dây nhiệt, LU-Jetronic với cảm biến đo gió kiểu siêu âm - Mono-Jetronic: Đây hệ thống phun xăng đơn điểm Theo phương án xăng phun vào ống nạp chung để cung cấp hỗn hợp cho xilanh Về mặt nguyên tắc sử dụng biện pháp phun liên tục hay gián đoạn Vịi phun bố trí Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động Đốt Đồ án tốt nghiệp bướm tiết lưu, vận tốc dịng khí lớn tạo điều kiện tốt cho trình xé tơi xăng hịa trộn với khơng khí - Loại MPI : Đây hệ thống phun đa điểm, với kim phun cho xilanh bố trí gần xupap nạp Đường ống nạp thiết kế cho đường khơng khí từ bướm ga đến xilanh dài, nhờ vậy, nhiên liệu phun hòa trộn tốt với khơng khí nhờ xốy lốc Nhiên liệu khơng thất đường ống nạp 2.2 Kết cấu nguyên lý hoạt động hệ thống phun xăng điện tử 2.2.1 Kết cấu hệ thống EFI điển hình Hình 2.2 Hệ thống EFI điển hình 2.2.2 Nguyên lý hoạt động EFI chia thành ba hệ thống: hệ thống nhiên liệu hệ thống nạp khí, hệ thống điều khiển điện tử EFI chia thành điều khiển phun nhiên liệu điều khiển hiệu chỉnh Ba hệ thống mô tả chi tiết sau 10 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ mơn: Động Đốt Đồ án tốt nghiệp 2.3.6 Chế độ giảm tốc đột ngột (Q trình khơng tải cưỡng bức) Trong q trình giảm tốc, động chạy với tốc độ cao bướm ga đóng kín Do lượng khí nạp vào xylanh giảm xuống độ chân khơng đường nạp trở nên lớn Ở chế hòa khí, xăng bám thành ống đường ống nạp bay vào xylanh độ chân không đường ống nạp tăng đột ngột, kết hỗn hợp q đậm, q trình cháy khơng hồn tồn làm tăng lượng xăng cháy khơng hết (HC) khí xả Ở động EFI, việc phun nhiên liệu bị loại bỏ bướm ga đóng động chạy tốc độ lớn giá trị định, nồng độ HC khí xả giảm xuống giảm lượng tiêu hao nhiên liệu 2.4 Các chất thải độc hại động xăng: 2.4.1 Tác hại phụ thuộc thành phần khí thải độc hại với λ : Trên hình 1.1 trình bày tỷ lệ trung bình tính theo khối lượng chất độc hại khí thải động xăng theo chương trình thử đặc trưng châu Âu Trong số có số thành phần có tính độc hại môi trường sức khoẻ người nên gọi thành phần độc hại Cụ thể sau: + CO sản phẩm cháy C nhiên liệu điều kiện thiếu ôxy Hàm lượng CO tăng λ nhanh < hồ trộn khơng nhiên liệu khơng khí nhiên liệu khơng hồn tồn trạng thái CO dạng khí khơng màu, khơng mùi Khi kết hợp với sắt có sắc tố máu tạo thành hợp chất ngăn cản trình hấp thụ ô xy hê-mô-glô-bin máu, làm giảm khả cung cấp ôxy cho tế bào thể CO độc, với hàm lượng nhỏ khơng khí gây cho người tử vong Hàm lượng cực đại cho phép [CO] = 33 mg/m3 21 Sinh viên: Nguyễn Đức Cương Lương Minh Báu Lê Đăng Việt Lớp: Động Cơ – Khóa 50 Bộ môn: Động Đốt Đồ án tốt nghiệp + HC: Chất thải Hydrocacbon chưa cháy HC phần lớn cháy khơng hồn tồn nhiên liệu xylanh động gây Hàm lượng HC chưa cháy khí thải chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ khơng khí nhiên liệu Nồng độ chúng tăng hỗn λ hợp đậm hơn, đặc biệt với