khí luân hồi
3.3.2.4. Bơm nước làm mát khí luân hồi
Do hệ thống làm mát trên động cơ R180 là hệ thống làm mát đối lưu tự nhiên nên để có thể làm mát được khí luân hồi đi qua ống làm mát, tác giả sử dụng bơm điện của Isuzu (Hình 3.18) có áp suất là 3 bar và lưu lượng là 25 l/p. Nước làm mát trong thùng nước làm mát của động cơ được bơm hút qua bơm rồi đẩy vào ống làm mát khí luân hồi sau đó quay về thùng chứa nước làm mát. Lưu lượng nước và áp suất nước có để điều chỉnh được để điều khiển nhiệt độ khí luân hồi phục vụ nghiên cứu thực nghiệm.
3.4.2. Lắp đặt hệ thống EGR
Sau khi tính toán, chọn lựa các chi tiết cần thiết để có thể thiết kế hệ thống luân hồi khí thải, nhóm tác giả thực hiện việc lắp đặt hệ thống EGR
Để đảm bảo độ chính xác khi nghiên cứu các mối ghép trên đường ống thải và đường ống nạp được làm kín bằng đệm kim loại hoặc đệm giấy
Các đường ống mềm dẫn khí luân hồi được lắp sao cho khả năng lưu thông là tốt nhất
Bơm nước và ống làm mát khí luân hồi được kiểm nghiệm nhiều lần để tránh hiện tượng nước có thể lẫn vào khí thải rồi đưa vào buồng đốt gây nên hư hỏng cho động cơ nghiên cứu
76
Hình 3. 19 Hệ thống EGR cho động cơ R180 sau khi hoàn thiện Ống luân hồi; 2. Van EGR; 3. Bơm nước làm mát khí luân hồi Ống luân hồi; 2. Van EGR; 3. Bơm nước làm mát khí luân hồi
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển EHSy
3.5.1. Sơ đồ tổng quát
Hệ thống điều khiển EHSy bao gồm 3 khối chính: khối cảm biến, khối ECU và khối cơ cấu chấp hành. Sơ đồ nguyên lý được thể hiện ở Hình 3.20, sơ đồ cấu tạo được trình bày trên Hình 3.21, sơ đồ bố trí thực tế được trình bày ở Hình 3.22.
77
Hình 3. 21 Sơ đồ cấu tạo hệ thống EHSy
1. Cảm biến tốc độ và thời điểm phun nhiên liệu hydro; 2. Cảm biến vị trí tay điều khiển; 3. Công tắc chọn chế độ làm việc; 4. Tín hiệu người thí nghiệm;
5. Card HDL 9090; 6. Phần mềm Labview; 7, 8. Mạch công suất; 9. Vòi phun hydro; 10. Van EGR; 11. Động cơ servo.
Hình 3. 22 Sơ đồ bố trí trong thực tế
1. Van EGR; 2. Vòi phun hydro; 3. Động cơ Servo; 4. Cảm biến tốc độ động cơ; 5. Động cơ R180; 6. Bệ thử công suất; 7. ECU; 8. Máy tính cài đặt Labview.
3.5.2. Các cảm biến và công tắc
3.5.2.1. Cảm biến tốc độ động cơ và thời điểm phun hydro
Trên trục khởi động bằng tay quay của động cơ, tác giả chế tạo một vấu xung. Trên thân động cơ chế tạo đồ gá để lắp đặt cảm biến phần tử Hall (Hình 3.23). Khi động cơ làm việc, cảm biến sẽ xuất hiện xung 5V gửi về ECU để kích hoạt để vòi phun bắt đầu làm việc, thời gian mở vòi phun do ECU quyết định để có lượng hydro mong muốn. Trên giá đỡ cảm biến có chế tạo rãnh bầu dục để có thể thay đổi thời điểm phun (Hình 3.24). Ngoài ra tín hiệu từ cảm biến còn dùng để đếm số vòng quay của động cơ, tín hiệu này được đưa vào ECU để phục vụ cho các nhiệm vụ khác.
78
Hình 3. 23 Vị trí lắp đặt cảm biến phun hydro hydro
Hình 3. 24 Cấu tạo cảm biến tốc độ động cơ 1.Vỏ cảm biến; 2. Giắc; 3. Mạch điện tích hợp; 4. 1.Vỏ cảm biến; 2. Giắc; 3. Mạch điện tích hợp; 4.
Nam châm vĩnh cửu; G. Khe hở từ
3.5.2.2. Cảm biến vị trí tay điều khiển
Cảm biến vị trí tay điều khiển (Hình 3.25) có chức năng nhận biết góc xoay của tay điều khiển của người vận hành. Cảm biến là loại biến trở (sơ đồ hình 3.26), tín hiệu ra của cảm biến dựa trên sự biến đổi điện áp đầu ra theo góc quay của tay điều khiển. Tín hiệu điện áp này được gửi về ECU và từ đó ECU sẽ tính toán được tốc độ mong muốn của người vận hành.
Hình 3. 25 Cảm biến vị trí tay điều khiển Hình 3. 26 Sơ đồ mạch điện cảm biến
3.5.2.3. Công tắc chọn chế độ làm việc
Công tắc chọn chế độ làm việc là tín hiệu đầu vào cho ECU. Tùy thuộc vào trạng thái của công tắc, ECU sẽ điều khiển động cơ làm việc ở các chế độ mong muốn như: động cơ thuần diesel, động cơ thuần diesel có luân hồi khí thải, động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-hydro, động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-hydro có luân hồi khí thải.
3.5.2.4. Tín hiệu điều khiển của người thí nghiệm
Tín hiệu điều khiển của người thí nghiệm bao gồm các loại tín hiệu cơ bản để xác định tỉ lệ EGR và tỉ lệ HES như: thay đổi lượng nhiên liệu diesel, thay đổi vị trí van EGR, thay đổi thời gian phun hydro. Ngoài ra còn có các tín hiệu điều khiển khác để thuận tiện cho việc thí nghiệm như: bật tắt bơm nước làm mát khí luân hồi, mở van cung cấp hydro, điều khiển mô tơ hỗ trợ kênh xú-páp để dễ dàng khởi động, điều khiển máy khởi động, tắt nguồn khẩn cấp...
79
3.5.3. Các cơ cấu chấp hành 3.5.3.1. Động cơ servo 3.5.3.1. Động cơ servo
Động cơ servo dùng để điều khiển góc xoay của bơm cao áp để thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp trong một chu trình. Động cơ servo được kết nối với thước nhiên liệu thông qua cơ cấu dẫn động đảm bảo góc quay động cơ tỉ lệ với góc xoay bơm cao áp (góc quay động cơ servo đã được khuyếch đại để đảm bảo điều khiển với độ phân giải mịn hơn)( Hình 3.27). Vì vậy để điều khiển thay đổi lượng diesel cung cấp chỉ cần thay đổi góc quay của động cơ servo. Để đảm bảo mô-men kéo động cơ servo được chọn là động cơ MG995, Hình 3.28 với các thông số kỹ thuật nêu ở Bảng 3.5.
Hình 3. 27 Mô tơ kéo thước nhiên liệu Hình 3. 28 Mô tơ servo MG995
Bảng 3. 5 Các thông số kỹ thuật động cơ servo MG995
Thông số Giá trị Đơn vị
Khối lượng 50 gam
Kích thước 40x20x47 mm
Điện áp hoạt động 3,5-8,4 Volt
Lực kéo 10 kgf.cm (6V)
Tốc độ quay 0,16s/60o (6V)
Tần số hoạt động 50 Hz
Nhiệt độ hoạt động 0-55 oC
Động cơ servo MG995 quay được một góc giới hạn từ 0o đến 180o phụ thuộc vào tín hiệu gửi đến mạch điều khiển của động cơ servo từ ECU. Tín hiệu điều khiển từ ECU là tín hiệu xung vuông có độ rộng xung khác nhau. Khi độ rộng xung thay đổi thì góc quay của động cơ thay đổi.
Mạch điều khiển trong động cơ servo là một mạch hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu từ ECU gửi đến vi điều khiển trong động cơ servo sẽ được so sánh với tín hiệu xung được tạo ra bởi Vi điều khiển trong động cơ servo. Khi có tín hiệu điều khiển gửi đến servo, vi điều khiển sẽ cấp điện áp cho motor để khởi động quay motor thông qua các cặp bánh răng giảm tốc. Trục quay đầu ra của motor có bánh răng ăn khớp với bánh răng gắn trên một biến trở xoay, vì vậy khi trục động cơ quay thì biến trở cũng quay theo làm thay đổi tín hiệu điện áp cấp vào vi điều khiển. Vi điều khiển sẽ tính toán và chuyển tín hiệu điện áp này thành dạng số và so sánh với tín hiệu điều khiển gửi từ ECU điều tốc, khi sai số của phép so sánh này bằng 0 thì động cơ đã đạt được vị trí mong muốn và lúc này motor sẽ dừng. Đặc tính kéo của động cơ servo được trình bày ở Hình 3.29
80
3.5.3.2. Vòi phun hydro
Hình 3. 29 Đặc tính của động cơ servo Hình 3. 30 Đặc tính của vòi phun hydro
Vòi phun hydro dùng để cung cấp khí hydro vào đường ống nạp. Vòi phun là loại chuyên dùng để cung cấp khí cho động cơ đốt trong. Hydro được cấp vào đường nạp của động cơ thông qua vòi phun, lượng hydro cung cấp trên một chu trình làm việc của động cơ được thay đổi dựa trên thay đổi thời gian mở vòi phun. Ngoài ra để đảm bảo lượng hydro cung cấp chỉ phụ thuộc vào thời gian mở vòi phun thì độ chênh áp trước và sau vòi phun đã được duy trì ổn định là 3 bar. Vòi phun hydro trong hệ thống này được sử dụng là loại kiểu van điện từ, đảm báo đóng cắt dứt khoát, thời gian tác động nhanh, làm việc ổn định. Loại vòi phun này được điều bằng tín hiệu điện với nguồn điện là 12V. Độ mở của vòi phun không phụ thuộc vào áp suất của nhiên liệu khí mà phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển từ ECU. Thông số kỹ thuật của vòi phun hydro được trình bày ở Bảng 3.2. Đặc tính lưu lượng vòi phun được công bố bởi nhà sản xuất ở tốc độ 1500 v/p được trình bày trên Hình 3.30.
3.5.3.3. Van EGR
Van EGR có nhiệm vụ luân hồi một phần khí thải quay lại đường nạp của động cơ. Để tránh muội than trong khí luân hồi có thể là nguồn lửa đốt cháy nhiên liệu hydro trên đường ống nạp, khí luân hồi sẽ được làm mát trước khi đưa vào van EGR. Van EGR là van thương mại do Honda sản xuất. Độ mở được điều khiển bằng xung PWM, ngoài ra trong van còn tích hợp luôn cảm biến vị trí độ mở của van. Thông số kỹ thuật của van được trình bày trong Bảng 3.4. Đặc tính làm việc của van EGR được trình bày trong Hình 3.31 và 3.32 ở hai tốc độ 1500 v/p và 2600 v/p
Hình 3. 31 Tỉ lệ EGR theo độ mở van EGR ở tốc độ 1500 (v/p)
Hình 3. 32 Tỉ lệ EGR theo độ mở van EGR ở tốc độ 2600 (v/p) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 1 1,5 2 G óc qu ay se rv o( độ ) Độ rộng xung (ms) servo 0 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 L ưu lư ợn g h yd ro (l /p ) Độ rộng xung (ms) Lưu lượng hydro
0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70 80 100 T ỉ l ệ E GR ( % ) Độ mở van EGR (%) 1kW_1500 2kW_1500 3kW_1500 4kW_1500 0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70 80 100 T ỉ l ệ E GR ( % ) Độ mở van EGR (%) 1kW_2600 2kW_2600 3kW_2600 4kW_2600 5kW_2600
81
3.5.4. Thiết kế ECU điều khiển
ECU dùng để thu thập các tín hiệu của cảm biến và tín hiệu điều khiển từ con người để điều khiển các cơ cấu chấp hành một cách chính xác (tự động hoặc theo ý muốn). ECU bao gồm phần cứng và phần mềm.
3.5.4.1. Phần cứng
Phần cứng của ECU bao gồm: máy tính, card NI (hình 3.33), các mạch khuếch đại công suất. Để đảm bảo nhiệm vụ trên thì kết cấu phần cứng của ECU bao gồm các khối chính như sau:
- Khối nguồn: Có nhiệm vụ tạo ra các mức điện áp khác nhau cung cấp cho ECU. Khối nguồn được lấy từ mạch cấp nguồn đã được thương mại hóa LM2596.
- Khối vi điều khiển: Là card HDL 9090 đã được thương mại hóa. Khối vi điều khiển dùng để nhận xử lý các tín hiệu của cảm biến, tính toán và xuất các xung điều khiển bộ chấp hành theo code được lập trình. Code lập trình được nạp vào Card HDL 9090 thông qua phần mềm Labview.
- Mạch công suất: có nhiệm vụ nhận các tín hiệu từ ECU, khuếch đại để điều khiển các cơ cấu chấp hành có dòng tiêu thụ lớn. Mạch công suất gồm LM2596 để điều khiển động cơ servo. Hai bộ BTS7960 dòng 43A để điều khiển vòi phun và van luân hồi khí thải.
- Khối hiển thị: Dùng để hiển thị các thông số làm việc của động cơ trên màn hình máy tính thông qua phần mềm Labview. Các thông số bao gồm: tốc độ động cơ, vị trí tay điều khiển, công tắc chọn chế độ làm việc, thời gian mở vòi phun, độ mở van EGR.
- Công tắc chọn chế độ làm việc: tùy thuộc vào trạng thái công tắc này mà ECU sẽ điều khiển 1 trong bốn chế độ làm việc: thuần diesel, thuần diesel có EGR, lưỡng nhiên liệu diesel-hydro, lưỡng nhiên liệu diesel có EGR để phục vụ thí nghiệm.
Hình 3.32 thể hiện ECU đã được chế tạo hoàn chỉnh và lắp lên động cơ có kết nối máy tính để thuận lợi cho quá trình điều khiển trong thí nghiệm.
Hình 3. 33 Sơ đồ mô tả các tín hiệu của card HDL 9090 HDL 9090
Hình 3. 34 ECU điều khiển hệ thống EHSy EHSy
1. Động cơ; 2. ECU
3.5.4.2. Phần mềm
Phần mềm hệ thống được viết bằng ngôn ngữ lập trình Labview. Chương trình này cho phép thu thập, điều khiển, thay đổi các thông số cảm biến và hiển thị giá trị trên
82 màn hình máy tính.
Lập trình điều khiển cho ECU có 2 khối:
- Lập trình khối ECU để nhận các tín hiệu từ cảm biến và điều khiển các cơ cấu chấp hành.
- Lập trình kết nối ECU và máy tính để điều khiển và hiển thị một số thông số làm việc của động cơ.
3.5.5. Thuật toán và code chương trình
3.5.5.1. Thuật toán xác định tốc độ thực, tốc độ đặt và vị trí van EGR của động cơ
a) Thuật toán xác định tốc độ thực (Hình 3.35)
Hình 3. 35 Sơ đồ thuật toán xác định tốc độ thực của động cơ
Tốc độ của động cơ được đo thông qua đo chu kỳ của một xung tín hiệu gửi về từ cảm biến tốc độ của động cơ. Thuật toán này cho kết quả tính toán tốc độ vòng quay với độ chính xác cao và dễ dàng lắp đặt cảm biến cũng như chế tạo vấu từ trên trục khởi động của động cơ một cách dễ dàng. Cảm biến tốc độ của động cơ gửi tín hiệu dạng xung vuông về ECU. Xung đó được tạo ra khi vấu từ quét qua đầu cảm biến. Chu kỳ xung được xác định bằng cách sử dụng chức năng ngắt ngoài của vi điều khiển.
Bằng những phép tính đại số được lập trình trong VĐK, có thể tính được chu kỳ của tín hiệu xung µs/vòng và từ đó tính ra tốc độ vòng quay của động cơ vòng/phút theo công thức: 6 60.10 n T = (vòng/phút) (3. 7)
83 T là chu kỳ xung tính toán được (µs)
b) Thuật toán xác định vị trí tay điều khiển và tốc độ mong muốn của động cơ (Hình 3.36)
Hình 3. 36 Sơ đồ thuật toán xác định vị trí tay điều khiển
Sau khi mở khóa điện tín hiệu điện áp từ cảm biến vị trí tay điều khiển (0V-5V) liên tục được đọc sau đó đưa vào bộ biến đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC) của vi điều khiển để chuyển đổi mức điện áp đọc được thành giá trị số (0- 1024). Giá trị nhận được kết hợp với giá trị ứng với vị trí tay điều khiển 0% và 100% được lưu trong bộ nhớ thì VĐK sẽ tính toán ra phần trăm vị trí tay điều khiển theo công thức:
𝑏 = 𝑎 − 𝑚𝑖𝑛
𝑚𝑎𝑥 − 𝑚𝑖𝑛. 100
(3. 8) Trong đó:
b: là phần trăm vị trí tay điều khiển (%); a: là giá trị số sau khi chuyển đổi ;
min: là giá trị lưu trong bộ nhớ ứng với vị trí tay điều khiển 0% ; max: giá trị lưu trong bộ nhớ ứng với vị trí tay điều khiển 100%.
Tốc độ đặt của động cơ được tính từ giá trị vị trí tay điều khiển. Tốc độ tối đa của động cơ là 2600 vòng/phút, vì vậy có công thức tuyến tính đơn giản xác định tốc độ đặt của động cơ như sau: n=26.b (v/p).
c) Thuật toán xác định vị trí van EGR (Hình 3.37)
84
Hình 3. 37 Thuật toán xác định vị trí van EGR
3.5.5.2. Thuật toán điều khiển góc quay servo, thời gian mở vòi phun, van EGR
Sau khi tính toán được góc quay của servo và thời gian mở vòi phun, độ mở van EGR cần có các thuật toán để tạo tín hiệu thích hợp gửi các cơ cấu chấp hành để thay