Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển thời điểm đánh lửa cho động cơ xăng 1 xylanh

Bài báo này trình bày nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình hệ thống điều khiển thời điểm đánh lửa sớm của động cơ xăng 1 xylanh phục vụ công tác đào tạo sinh viên chuyên ngành Công nghệ ô tô tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội. Hệ thống điều khiển thời điểm đánh lửa được thiết kế bao gồm một mạch điều khiển trên nền tảng Arduino và giao diện kết nối với máy tính được lập trình trên công cụ LabView.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỜI ĐIỂM ĐÁNH LỬA CHO ĐỘNG CƠ XĂNG XYLANH A STUDY ON DESIGN AND MANUFACTURE THE IGNITION TIMING CONTROL SYSTEM FOR ONE CYLINDER ENGINE Bùi Văn Chinh1,* , Nguyễn Văn Vinh1, Lê Văn Anh1 TĨM TẮT Bài báo trình bày nghiên cứu thiết kế chế tạo mơ hình hệ thống điều khiển thời điểm đánh lửa sớm động xăng xylanh phục vụ công tác đào tạo sinh viên chuyên ngành Công nghệ ô tô Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Hệ thống điều khiển thời điểm đánh lửa thiết kế bao gồm mạch điều khiển tảng Arduino giao diện kết nối với máy tính lập trình cơng cụ LabView Hệ thống sử dụng encoder để xác định chuyển vị piston theo góc quay trục khuỷu để từ có sở điều chỉnh thời điểm đánh lửa theo mục đích thử nghiệm Hệ thống điều khiển thời điểm đánh lửa xây dựng có chức đặt thời điểm đánh lửa ban đầu điều chỉnh online trình động vận hành Phần mềm điều khiển lập trình cơng cụ LabView với giao diện dễ trực quan dễ dàng sử dụng trình nghiên cứu động Từ khóa: Mơ hình điều khiển thời điểm đánh lửa, góc đánh lửa sớm, mơ hình động ABSTRACT This paper presents a study on design and manufacture sthe ignition timing control system for one cylinder engine aid to support training in automotive engineering in Hanoi University of Industry The system including Arduino electronic control board and LabView programe interface The position of piston during operation was determined by the signal from encder which as a function of crank angle The controlling system has been designed to adjust the ignition timing flexibly while the engine is operating The controlling software was designed on LabView tool for a visualization and easy to use interface Keywords: Igntion timing system, advanced ignition, engine model Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Email: chinhbv@haui.edu.vn Ngày nhận bài: 20/4/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 19/5/2021 Ngày chấp nhận đăng: 25/10/2021 * GIỚI THIỆU CHUNG Tại Việt Nam, trung tâm nghiên cứu trường đại học, cao đẳng đào tạo lĩnh vực công nghệ ô tô sử dụng thiết bị điều khiển động mua từ nước Việc sử dụng sản phẩm nước ngồi sản xuất có nhiều hạn chế giá thành cao, chi phí bảo dưỡng sửa chữa lớn không phù hợp với điều kiện hay nhu cầu sử dụng thiết bị khơng có khả chủ động vấn đề bảo dưỡng sửa chữa phần cứng phần mềm Trong nước có số nghiên cứu liên quan tới việc chế tạo hệ thống thu thập tín hiệu từ cảm biến để theo dõi, đánh giá tình trạng động trình vận hành đưa giao diện hiển thị; số nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch điều khiển để phục vụ nhu cầu thử nghiệm cụ thể để đảm bảo độ xác giảm thiểu thao tác vận hành trình thử nghiệm điều khiển bơm cao áp động diesel [1], điều khiển lượng nhiên liệu khí phun bổ sung đường nạp [2] Đề tài nhóm tác giả [3] thể giao diện kết nối máy tính với động cơ, phần mềm chẩn đốn hệ thống xe tô Các kết nghiên cứu xoay quanh tạo lỗi để phục vụ thực hành chẩn đoán hư hỏng đọc thông số làm việc động từ ECU nguyên đưa giao diện máy tính Trong báo này, nhóm tác giả trình bày trình nghiên cứu đưa phương án thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển thời điểm đánh lửa cho động xăng xylanh Hệ thống điều khiển xây đựng để tùy chỉnh thời điểm đánh lửa sớm mơ hình động xăng phục vụ đào tạo Hệ thống thiết kế dựa tảng phần cứng mạch Arduino giao diện kết nối với máy tính lập trình công cụ LabView Hệ thống sử dụng encoder để xác định chuyển vị piston theo góc quay trục khuỷu để từ có sở điều chỉnh thời điểm đánh lửa theo mục đích thử nghiệm Hệ thống điều khiển thời điểm đánh lửa xây dựng có chức đặt thời điểm đánh lửa ban đầu điều chỉnh online trình động vận hành Phần mềm điều khiển lập trình cơng cụ LabView với giao diện dễ trực quan dễ dàng sử dụng trình nghiên cứu động Xây dựng mô đun điều khiển thông số làm việc động thơng qua kết nối với máy tính nâng cao chất lượng chuyên môn sinh viên chuyên ngành động cán giảng viên làm công tác hướng dẫn, giảng dạy lĩnh vực 80 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (10/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên lý hệ thống điều khiển thời điểm đánh lửa động Hình thể sơ đồ khối hệ thống điều khiển thời điểm đánh lửa Hệ thống bao gồm khối tín hiệu đầu vào (tín hiệu encoder), khối nguồn, khối xử lý tín hiệu, mạch điều khiển trung tâm, mạch giao tiếp máy tính khối tín hiệu đầu Tín hiệu đầu vào từ encoder bao gồm kênh A (360 xung / vòng quay trục khuỷu) kênh Z (1 xung / vịng quay trục khuỷu) Hai tín hiệu sử dụng để xác định chu kỳ làm việc động tính tốn thời điểm đánh lửa Số chân In/Out Đầu vào Analog Dòng tối đa chân In/Out Dòng tối đa chân 3.3 V Bộ nhớ Flash Tốc độ hoạt động 14 (trong có đầu PWM) 40mA 50mA 32kB (ATmega328) 0,5kB Bootloader 16MHz Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển thời điểm đánh lửa 2.2 Khối xử lý tín hiệu đầu vào Hình Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm Tín hiệu đầu vào mạch điều khiển bao gồm hai kênh digital A Z Kênh A cho số xung tương ứng 360 xung / vòng quay trục khuỷu, xung từ kênh A tương ứng với độ góc quay trục khuỷu Kênh Z cho xung/ vòng quay trục khuỷu sử dụng làm mốc xác định thời điểm Hình thể sơ đồ kết nối dạng tín hiệu từ encoder 2.4 Khối xử lý tín hiệu đầu Tín hiệu vi điều khiển có mức điện áp 5V thiết bị hoạt động bên ngồi hoạt động điện áp cao (thường 12V) nên phải có linh kiện trung gian chuyển đổi tín hiệu 5V thành 12V (hình 4) Mosfet IRF3205 sử dụng để chuyển đổi điện áp xung Hình Sơ đồ nguyên lý khối xử lý tín hiệu từ encoder 2.3 Khối xử lý trung tâm Mạch điều khiển nghiên cứu sử dụng vi điều khiển (VĐK) Atmega328 VĐK Atmega 328 có tốc độ xử lý nhanh, khả chống nhiễu tốt giúp hệ thống vận hành ổn định tin cậy Thông số VĐK Atmega 328 thể bảng [4] Hình thể sơ đồ chân tín hiệu vào - vi điều khiển Bảng Thông số vi điều khiển Atmega 328 [4] Vi điều khiển Điện áp hoạt động Điện áp nguồn Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn ATmega328 5V - 12V Hình Sơ đồ khối đầu 2.5 Mạch nguồn Hình Sơ đồ khối nguồn cho vi điều khiển Vol 57 - No (Oct 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 81 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Mạch nguồn đóng vai trò cung cấp điện áp phù hợp cho thiết bị khác hộp điều khiển Chọn phương án chế tạo mạch nguồn IC nguồn LM2596 với tính tạo điện áp 5V có hồi tiếp; dịng cực đại lên tới 3A; điện áp đầu vào 12V phù hợp với điện áp ắc quy mơ hình động (hình 5) 2.6 Thuật tốn điều khiển thời điểm đánh lửa Để thuận tiện cho việc xác định góc đánh lửa, xung encoder đánh số từ đến 359 Do encoder gá cố định đồng trục với bánh đà động nên xung encoder cố đinh với góc quay trục khuỷu Như cần nhận biết thứ tự xung xác định vị trí piston xylanh Để không bị sai lệch nhiễu, lần chân Z có tín hiệu, tiến hành reset lại số thứ tự xung thời điểm Giá trị góc lệch xung Z với điểm chết trên, giá trị cố định lắp encoder vào bánh đà Hình Giao diện hệ thống điều khiển góc đánh lửa sớm Góc đánh lửa xác đinh cách so sánh số xung thời với số xung đặt tương ứng với góc đánh lửa u cầu ngắt tín hiệu xung đánh lửa Để đảm bảo đủ lượng đánh lửa, thời gian ngậm điện bô bin phải đủ lớn, thông thường khoảng 3ms Thời điểm bắt đầu ngậm điện xác định cách số thứ tự xung Ở tốc độ thấp, số thứ tự nhỏ tốc độ cao, số thứ tự lớn Sơ đồ thuật toán điều khiển thời điểm đánh lửa thời gian ngậm điện thể hình Hình Sơ đồ khối chức giao diện điều khiển Như thể hình 7, phần mềm điều khiển có chức điều khiển góc đánh lửa, thời gian phun nhiên liệu độ mở bướm ga Ngồi ra, thơng số động thu thập hiển thị giao diện chương trình Trong sơ đồ khối chức cho phép người dùng tùy chỉnh giá trị đặt mặc định giới hạn vùng điều khiển cho phù hợp với loại động 3.2 Hệ thống đánh lửa mơ hình động Hệ thống điều khiển thời điểm đánh lửa thiết kế, chế tạo lắp đặt thử nghiệm động Zip 100cc thể hình Hình 10 thể toàn hệ thống điều khiển cấu chấp hành khác mơ hình Hình Sơ đồ thuật toán điều khiển thời điểm đánh lửa sớm KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Chức phần mềm điều khiển Chương trình điều khiển thời điểm đánh lửa sớm thiết kế công cụ LabView [5, 6] thể hình sơ đồi khối chức thể hình 82 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (10/2021) Hình Những phận hệ thống điều khiển thời điểm đánh lửa Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 [5] www.ni.com/labview/ [6] Carey Williamson Introduction to LabView Programming Including Arduino Toolkit (http://www.marinetech.org) AUTHORS INFORMATION Bui Van Chinh, Nguyen Van Vinh, Le Van Anh Hanoi University of Industry Hình 10 Tổng thể mơ hình động sau hoàn thiện KẾT LUẬN Trong báo này, nhóm tác giả thực nội dung nghiên cứu sau:  Phương pháp nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển thời điểm đánh lửa sớm cho mơ hình động xăng xylanh  Hệ thống điều khiển chế tạo thành công thử nghiệm vận hành ổn định mô hình động Zip 100cc  Giao diện kết nối mơ hình máy tính xây dựng phần mềm LabView giúp cho việc sử dụng mơ hình trở lên đơn giản chuyên nghiệp  Hệ thống bước đầu đáp ứng nhu cầu thí nghiệm giảng dạy cơng tác đào đạo LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội hỗ trợ nghiên cứu thông qua đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo điều khiển động xăng xylanh phục vụ công tác đào tạo’’ mã số 05-2020-RD/HĐ-ĐHCN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoang Dinh Long, 2016 Experimental study on using compressed natural gas(CNG) as an alternative fuel in current diesel engines Scientific research project at Ministry of Industry and Trade [2] Nguyễn Tường Vi, 2014 Study on using LPG as an alternative fuel for current diesel engine Doctoral thesis, Hanoi University of Science and Technology [3] Vu Minh Dien, 2015 Research to connect the engine to the computer to measure the parameters and control the working processes of the engine Scientific research project at Hanoi University of Industry [4] www.alldatasheet.com/Atmega328 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 57 - No (Oct 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 83 ... TECHNOLOGY P-ISSN 18 59-3585 E-ISSN 2 615 -9 619 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2 .1 Nguyên lý hệ thống điều khiển thời điểm đánh lửa động Hình thể sơ đồ khối hệ thống điều khiển thời điểm đánh lửa Hệ thống bao gồm... 3.2 Hệ thống đánh lửa mơ hình động Hệ thống điều khiển thời điểm đánh lửa thiết kế, chế tạo lắp đặt thử nghiệm động Zip 10 0cc thể hình Hình 10 thể toàn hệ thống điều khiển cấu chấp hành khác mơ... khác mơ hình Hình Sơ đồ thuật toán điều khiển thời điểm đánh lửa sớm KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3 .1 Chức phần mềm điều khiển Chương trình điều khiển thời điểm đánh lửa sớm thiết kế công cụ LabView [5, 6]