3.1. Lựa chọn thiết bị
3.1.1.1. Giới thiệu động cơ Honda GX160
Động cơ Honda GX160 là động cơ xăng có cơng suất nhỏ, chi phí lắp đặt khơng cao nhưng vẫn đáp ứng được nhu cầu sử dụng của người dùng.
Hình 3. 1: Động cơ Honda GX160
Với những đặc điểm: nhỏ gọn, dễ dàng khởi động bằng tay do được trang bị bằng hệ thống nén dây, xylanh đặt nghiêng 25o so với phương nằm ngang làm giảm trọng lực trung tâm, nhờ đó giảm độ rung và tiếng ồn, cơng suất cực đại 4,0 kW nên động cơ được ứng dụng nhiều trong công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp,...
3.1.1.2. Thông số kỹ thuật của động cơ Honda GX160 [15]
Bảng 3. 1: Thông số kỹ thuật của động cơ máy phát điện GX160
Stt Thông số Giá trị
1 Loại máy nổ Động cơ xăng 4 kỳ, 1 xylanh
2 Dung tích xylanh 163 cm3
3 Cơng suất cực đại 4,0 kW tại 3600 v/phút
4 Nguồn điện áp 220 V/50 Hz
Nghiên cứu chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng bộ chế hịa khí thành động cơ phun LPG điều khiển điện tử
6 Khối lượng 15,0 kg
7 Dài x Rộng x Cao 304 x 362 x 335 mm 8 Moment xoắn cực đại 10,8 N.m tại 2500 v/phút 9 Dug tích dầu bơi trơn 0,6 lít
10 Dung tích bình xăng 3,6 lít 11 Chiều quay trục khuỷu Bên trái
3.1.2. Lựa chọn các chi tiết, linh kiện
3.1.2.1. Các chi tiết có trong hộp điều khiển
a. Arduino Mega 2560
Hầu hết các Shield của Arduino Uno R3 đều chạy được với Arduino Mega 2560 R3. Nhưng ở Arduino Mega 2560 R3 khơng dùng được thư viện SoftwareSerial vì đã được tích hợp sẵn 4 cổng Hardware Serial trên board.
Hình 3. 2: Arduino Mega 2560
Bảng 3. 2: Thông số kỹ thuật của Arduino Mega 2560
ST T
Thông số Mega 2560
1 Vi điều khiển chính Atmega 2560
2 IC nạp và giao tiếp UART ATmega16U2
3 Nguồn ni mạch 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngồi cắm từ giắc tròn DC
5 Số chân Analog Input 16
6 Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O
20 mA
7 Dòng điện DC Current chân 3.3V 50 mA
8 Flash Memory 256 KB trong đó 8 KB sử dụng cho bootloader 9 SRAM 8 KB 10 EEPROM 4 KB 11 Clock Speed 16 MHz 12 LED_BUILTIN 13 13 Kích thước 101,52x53,3 mm
b. Modul cơng suất HW532B-LR7843
Hình 3. 3: Module cơng suất HW532B-LR7843
Tính năng module:
- Với cách ly bộ ghép quang, tín hiệu điều khiển và cơng suất của thiết bị được điều khiển được cách ly, làm tăng đáng kể độ cứng của nhiễu.
- Tương thích với bảng điều khiển MCU và Arduino, tín hiệu 3V hoặc 5V.
- Khởi động mức cao, dừng mức thấp, điều chỉnh tốc độ PWM.
- Được sử dụng rộng rãi để điều khiển khởi động, dừng của động cơ, van điện từ và các thiết bị phụ trợ khác.
- Có nhiều thơng số kỹ thuật khác nhau của bo mạch chủ MOS để cung cấp sự lựa chọn.
- Mặt đầu vào tín hiệu có thể được hàn vào đầu cuối hoặc chính chốt, bảng mạch tương thích.
Nghiên cứu chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng bộ chế hịa khí thành động cơ phun LPG điều khiển điện tử
- Kích thước module 23mm x 16mm có hai lỗ vít đường kính 2mm, khoảng cách lỗ 8mm.
c. Màn hình LCD
Hình 3. 4: Màn hình LCD
Bảng 3. 3: Thơng số kỹ thuật của màn hình LCD
STT Thơng số Giá trị
1 Điện áp cấp 5 V
2 Kích thước 80 x 36 x 12.5mm
3 Khoảng cách 2 chân kết nối 1,78 mm
d. Module hạ áp
Hình 3. 5: Module hạ áp 12V/5V/3,3V
Mạch chuyển đổi điện áp 12V/5V/3,3V có chức năng chuyển đổi nhiều đầu ra điện áp từ điện 12V ngõ vào. Ngõ ra của mạch gồm 3 cụm điện áp gồm 12V, 5V và 3,3V phù hợp để cấp nguồn cho các linh kiện khác trong mạch.
Bảng 3. 4: Thông số kỹ thuật của module hạ áp 12/5/3,3V và LM2596-B3H13
STT Thông số Module hạ áp
12V/5V/3,3V
LM2596 - B3H13
2 Điện áp đầu ra 5V/3,3V 1.25 - 30V
3 Dịng điện đầu ra 800 mAh 3 A
4 Kích thước 30x32x10 mm 41x20x14 mm
Hình 3. 6: Module hạ áp DC-DC 3A LM2596 - B3H13
e. Opto PC817
Hình 3. 7: Opto PC817
Bảng 3. 5: Thông số kỹ thuật của Opto PC817
STT Thông số Giá trị
1 Loại transistor NPN
2 Dịng cực góp tối đa (IC) 50 mA
3 Điện áp cực góp - cực phát tối đa (VCEO) 80 V
4 Điện áp bão hịa cực góp - cực phát 0,1-0,2 V
5 Điện áp cực phát - cực gốc tối đa (VEBO) 6 V
6 Cơng suất tiêu tán cực góp tối đa (Pc) 200 mW
Nghiên cứu chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng bộ chế hịa khí thành động cơ phun LPG điều khiển điện tử
Hình 3. 8: Module cách ly nguồn B1212LS-1WR2
Bảng 3. 6: Thông số kỹ thuật của module B1212LS-1WR2
STT Thông số Giá trị
1 Điên áp đầu vào 10,8-13,2 V
2 Điện áp đầu ra 12 V
3 Dòng điện đầu ra 9,3 mA
4 Cơng suất 1 W
a. Động cơ Servo
Hình 3. 9: Động cơ Servo 9G SG90
Bảng 3. 7: Thông số kỹ thuật của động cơ Servo
STT Thông số Giá trị
1 Điện áp làm việc 4,8V-6V
2 Kích thước 23x12,5x29,5 mm
4 Tốc độ không tải 0,12 s/ 60o (4,8V)
5 Mô-men xoắn chặn 1,2-1,4 kg/cm (4,8V)
6 Cài đặt vùng chết 7 µs
7 Nâu GND
8 Đỏ VCC
9 Cam Tín hiệu đầu vào
Ngồi các linh kiện, chi tiết trên hộp điều khiển còn sử dụng một số linh kiện điện tử khác như biến trở, điện trở, tụ điện, cầu đấu Domino,…
3.1.2.2. Cảm biến Hall đo tớc độ và vị trí của trục khuỷu
Hình 3. 10:Cảm biến Hall NJK-5002C NPN
Bảng 3. 8: Thông số kỹ thuật của cảm biến Hall
STT Thông số Giá trị
1 Điện áp 5 – 30 V
2 Ngõ ra mức thấp NPN
3 Phát hiện nam châm (một cực của nam châm)
4 Khoảng cách phát hiện 0 – 10mm
5 Chiều dài dây cable 1.2 m
6 Đường kính cảm biến 12 mm
Nghiên cứu chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng bộ chế hịa khí thành động cơ phun LPG điều khiển điện tử
Hình 3. 11: (a) IC tích hợp bobbin, (b) đầu chụp bugi
3.1.2.4. Van điều áp, áp kế, công tắt từ, van lưu lượng, ớng dẫn LPG và các đầu nới
Hình 3. 12: (a) van điều áp, (b) áp kế, (c) ống dẫn LPG, (d)công tắt từ, (e) lưu lượng kế, (f) các đầu nối b a f e d c b a
Nghiên cứu chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng bộ chế hịa khí thành động cơ phun LPG điều khiển điện tử
3.2. Lắp đặt hệ thống điều khiển điện tử cho động cơ
Hệ thống điều khiển điện tử cho động cơ được lắp đặt theo sơ đồ dưới đây:
Hình 3. 13: Sơ đồ bớ trí hệ thớng phun LPG trên đường ống nạp điều khiển điện tử 1: bình LPG; 2: van điều áp; 3: áp kế; 4: cơng tắt từ chính; 5: lưu lượng kế tổng; 6:
lưu lượng kế không tải; 7: van chỉnh khơng tải; 8: cơng tắt từ có tải; 9: vịi phun có tải; 10: vịi phun khơng tải; 11: Servo motor; 12: mạch công suất chớng nhiễu; 13: vi
mạch điều khiển; 14: máy tính; 15: biến trở điều khiển phun; 16: biến trở điều khiển bướm ga; 17: biến trở điều khiển tải; 18: hộp điều khiển trải; 19: máy phát điện EP2500CX; 20: động cơ Honda GX160; 21: bộ lưu thị I, U, P; 22: aptomat; 23:
Servo motor; 24: Dimmer; 25: thiết bị gây tải
3.2.1. Lắp đặt hệ thống đánh lửa
Để cải tạo động cơ trước hết chúng ta cần lắp đặt hệ thống đánh lửa. Chúng ta tiến hành tháo bobbin đánh lửa từ động cơ nguyên thuỷ, các cần chỉnh bướm ga cũng như bộ khởi động bằng tay tại bánh đà.
Lắp một bộ domino 5 chân và bobbin đánh lửa lên khung như hình dưới đây. Nắp chụp bugi được cố định để tránh tia lửa yếu làm hồ khí cháy khơng kiệt, động cơ có thể sẽ khơng tạo đủ cơng suất, có thể sẽ ngừng hoạt động vì ngộp ga hoặc chất lượng khí xả khơng đảm bảo do q trình hoạt động gây rung lắc của động cơ.
Hình 3. 14: Hệ thớng đánh lửa thực tế
Động cơ nguyên thuỷ lấy điện từ dòng điện cảm ứng do q trình quay của bánh đà có đính nam châm tạo ra các đường sức từ qua cuộn dây bên trong bobbin. Động cơ sau cải tạo sẽ không hoạt động trên nguyên lý đó nên cần cung cấp nguồn điện 12V là ắc qui để quá trình đánh lửa diễn ra tại cuối kỳ nén của động cơ. Một cảm biến Hall sẽ được lắp đặt trên giá đỡ để biết được vị trí của piston và tốc độ của bánh đà. Tín hiệu này sẽ được đưa về hộp điều hiển dưới dạng giá trị điện áp, hộp điều khiển sẽ xử lý và ra lệnh cho cơ cấu chấp hành tạo tia lửa điện đốt cháy hồ khí.
Hình 3. 15: Kiểm tra vị trí ĐCT
Bugi Cụm đánh lửa
Nghiên cứu chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng bộ chế hịa khí thành động cơ phun LPG điều khiển điện tử
Sơ đồ mạch điện của hệ thống đánh lửa được lắp đặt như hình dưới đây:
Hình 3. 16: Sơ đồ mạch điện hệ thống đánh lửa
3.2.2. Lắp đặt hệ thống phun LPG
Sau khi chúng ta lắp đặt hệ thống đánh lửa, chúng ta tiếp tục tiến hành lắp đặt hệ thống phun LPG cho động cơ. Hệ thống phun LPG cho động cơ được lắp đặt dựa trên sơ đồ sau:
Hình 3. 17: Sơ đồ bớ trí hệ thớng phun LPG
1: bình LPG; 2: van điều áp; 3: áp kế; 4: cơng tắt từ chính; 5: lưu lượng kế tổng; 6: lưu lượng kế khơng tải; 7: van chỉnh không tải; 8: công tắt từ có tải; 9: vịi phun có
tải; 10: vịi phun khơng tải.
Hộp Điều Khiển Bô Bin domino
Ta tiến hành taro 1 lỗ để cấp khí LPG khi động cơ hoạt động khơng tải trên đường ống nạp sau bướm ga và trước xupap nạp; 1 lỗ giữa bướm ga và bướm gió để cấp khí LPG cho động cơ ở chế động tải. Tại các đầu vào và đầu ra của LPG sẽ có các van, các áp kế để có thể kiểm sốt và theo dõi tình trạng của hệ thống phun LPG. Bên cạnh đó cũng có một cảm biến Hall được gắn trên giá đỡ.
(c)
Hình 3. 18: (a) giá đỡ cảm biến Hall; (b) cần điều khiển bướm ga; (c) vòi phun Trạng thái chờ: LPG từ bình chứa đi qua bộ điều áp qua áp kế và chờ tại van
điện từ.
Đường không tải tải
Đường có tải
Ti điều chỉnh
Servo motor
(a)
Cần điều khiển bướm ga Giá đở cảm biến Hall
cảm
Nghiên cứu chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng bộ chế hịa khí thành động cơ phun LPG điều khiển điện tử
Trạng thái hoạt động: dòng điện từ ắc qui đến van điện từ và làm van mở cho
LPG đi qua. LPG tiếp tục qua van điều chỉnh lưu lượng và chia làm 2 đường. Đường thứ nhất là đường ga không tải, đường thứ hai là đường van có tải.
- Khi động cơ hoạt động ở chế độ không tải: trước khi LPG vào động cơ (sau bướm ga và trước xupap nạp) LPG sẽ đi qua một van điều chỉnh lưu lượng khơng tải. Từ đó cung cấp nhiên liệu để tạo ra hồ khí cho động cơ hoạt động.
- Khi động cơ hoạt động ở các chế độ tải khác nhau: một cơng tắt từ có nhiệm vụ điều chỉnh thời gian đóng mở van từ đó điều chỉnh được lượng phun vào sao cho phù hợp. Sau đó LPG tiếp tục vào bình giữ áp để đảm bảo rằng lượng phun luôn cung cấp đủ cho quá trình trình cháy của động cơ.
ECU sẽ nhờ vào tín hiệu gửi về dưới dạng điện áp của cảm biến Hall được lắp trên giá đỡ cạnh bánh đà, từ đó ra lệnh cho cơng tắt từ đóng mở van theo góc mở Servo và tốc độ động cơ.
Động cơ Servo xoay sẽ kéo truyền chuyển động quay cho ti điều chỉnh bướm ga thông qua cần dẫn. Biến trở được điều chỉnh bằng tay ở hộp điều khiển có nhiệm vụ làm thay đổi chuyển động quay của Servo theo ý muốn. Góc mở của bướm ga sẽ được hiển thị trên màn hình LCD.
3.2.3. Lắp đặt hệ thống điện tử lên động cơ
Sau khi đã lựa chọn được động cơ, các linh kiện, phụ kiện có sẵn trên thị trường và các chi tiết tự thiết kế. Nhóm tiến hành lắp đặt các linh kiện, phụ kiện này lên động cơ theo sơ đồ sau:
Hình 3. 19: Sơ đồ mạch điện của hộp điều khiểnHình 3. 20: Hộp điều khiển thực tế Hình 3. 20: Hộp điều khiển thực tế Biến trở điều khiến bớm ga Biến trở điều khiển phun thêm nhiên liệu
Module công
suất Module hạ
áp
Servo
Nghiên cứu chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng bộ chế hịa khí thành động cơ phun LPG điều khiển điện tử
3.2.4. Lắp đặt hệ thống điều khiển tải
Để đo thực nghiệm một cách thuận lợi và tạo ra một băng thử cơng suất thì nhóm đã lắp đặt một bộ điều khiển tải như sơ đồ hình 3.20:
Hình 3. 21: Sơ đồ mạch điện hộp điều khiển tải
Sau khi lắp đặt và nạp chương trình điều khiển thì có dạng như sau:
Hình 3. 23: Hộp điều khiển tải
3.3. Thuật toán và nguyên lý hoạt động của động cơ
3.3.1. Thuật tốn điều khiển động cơ
Hình 3. 24: Sơ đồ thuật tốn điều khiển hệ thớng phun LPG trên đường ống nạp điều khiển điện tử
Nghiên cứu chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng bộ chế hịa khí thành động cơ phun LPG điều khiển điện tử
3.3.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ
Động cơ kéo máy phát điện Honda GX160 truyền thống được cải tạo thành động cơ phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử. Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu và điều chỉnh góc đánh lửa sớm động cơ được trình bày trên hình 9.
Hình 3. 25: Sơ đồ cải tạo động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức truyền thống thành động cơ tĩnh tại phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử
Hệ thống điều khiển động cơ gồm: Cảm biến Hall 8 để làm mốc xác định thời điểm phun và thời điểm đánh lửa, đồng thời cũng cung cấp xung tín hiệu để xác định tốc độ động cơ; vi điều khiển 1 là board mạch Arduino Mega 2560 được cài đặt chương trình điều khiển vịi phun 4, servo motor 5 và hệ thống đánh lửa 6. Giao tiếp giữa cảm biến 8 và các bộ phận 4, 5, 6 với vi điều khiển 1 thông qua mạch công suất và chống nhiễu 2. Mạch 2 bảo vệ vi điều khiển, khử nhiễu phát sinh do tia lửa điện và do đóng mở vịi phun. Mạch này đóng vai trị quan trọng trong đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và vi điều khiển không bị treo. Hệ thống chỉ sử dụng duy nhất một cảm biến Hall, loại bỏ các cảm biến khác sử dụng thông thường trên động cơ ô tô, xe gắn máy.
Nguyên lý hoạt động cơ hệ thống điều khiển động cơ như sau: Khi nam châm vĩnh cửu 9 gắn trên bánh đà quét qua cảm biến Hall 8 thì một xung điện phát sinh được gửi đến vi điều khiển 1 thông qua mạch cơng suất/chống nhiễu 2. Xung tín hiệu được đưa vào chân số 3 của vi điều khiển. Chương trình cài đặt trong vi điều khiển sẽ xử lý tín hiệu, xác định độ rộng xung, loại bỏ các tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên, tính tốc độ đồng cơ, đồng thời xác định thời điểm đánh lửa và thời điểm phun nhiên liệu. Vi điều khiển được kết nối với 3 biến trở: Biến trở thứ nhất kết nối với chân Ao để điều khiển
chỉnh thời gian mở vòi phun; biến trở thứ ba kết nối với chân A2 điều chỉnh góc đánh lửa sớm. Trong quá trình thử nghiệm, tốc độ động cơ, độ mở bướm ga, thời gian mở vịi phun và góc đánh lửa sớm được hiển thị trên màn hình LCD.