Nghiên cứu chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng bộ chế hịa khí thành động cơ phun LPG điều khiển điện tử
2.2.2.1. Chân điều khiển
RESET: Arduino Mega 2560 có sẵn mạch reset với nút ấn để thiết lập lại hệ thống và chân này có thể được sử dụng khi kết nối các thiết bị khác để thiết lập lại bộ điều khiển.
XTAL1, XTAL2: Thạch anh(16Mhz) được kết nối với xung clock cung cấp cho bộ điều khiển.
AREF: Chân này được dùng khi sử dụng ADC để chuyển đổi tín hiệu với điện áp tham chiếu bên ngồi mà khơng muốn sử dụng điện áp tham chiếu nội bộ 1.1V hoặc 5V.
2.2.2.2. Các chân Digital (70)
Chân số: Từ 0-53 (số) và 0-15 (tương tự) có thể được sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra cho thiết bị được thiết lập bằng các hàm Mode (), digtalWrite (), digitalRead ().
Ứng dụng: Thiết bị đầu ra: Relay, LED, buzzer, LCD và các thiết bị khác. Thiết bị đầu vào: Nút ấn, cảm biến siêu âm, cần điều khiển và các thiết bị khác.
2.2.2.3. Chân analog tương tự (16)
Từ 0-15 có thể được sử dụng như chân đầu vào tương tự cho bộ ADC, nếu khơng sử dụng nó hoạt động như chân digital bình thường. Nó được thiết lập bởi các hàm pinMode () khai báo chân, analogRead () để đọc trạng thái chân và nhận giá trị kỹ thuật số cho tín hiệu analog. Lưu ý phải cẩn thận để lựa chọn điện áp tham chiếu bên trong hoặc bên ngoài và chân Aref.
Ứng dụng: Thiết bị đầu vào: Cảm biến nhiệt độ, cảm biến (như ldr, irled và độ ẩm) và các thiết bị khác.
2.2.2.4. Chân có chức năng thay thế
Chân SPI: Chân 22-SS, 23_SCK, 24-MOSI, 25-MISO các chân này được sử dụng cho giao tiếp nối tiếp với giao thức SPI để liên lạc giữa 2 thiết bị trở lên. Ứng dụng: Lập trình điều khiển AVR, giao tiếp với những người khác ngoại vi như LCD và thẻ SD.
Chân I2C: Chân 20 cho SDA và 21 cho SCK (Tốc độ 400khz) để cho phép liên lạc hai dây với các thiết bị khác. Hàm được sử dụng là wire.begin () để bắt đầu chuyển đổi I2C, với wire.Read () để đọc dữ liệu i2c và wire.Write () để ghi dữ liệu i2c.
PWM chân: Chân 2-13 có thể được sử dụng như đầu ra PWM với hàm analogWrite () để ghi giá trị pwm từ 0-255. Ứng dụng: Thiết bị đầu ra để điều khiển tốc độ của động cơ, ánh sáng mờ, pid cho hệ thống điều khiển hiệu quả.
Chân USART: Chân 0 - RXD0, chân 1 - TXD0, Chân 19 - RXD1, chân 18 - TXD1, Chân 17 - RXD2, chân 16 - TXD2, Chân 15 - RXD3, chân 14 - TXD3. Chân này được sử dụng cho giao tiếp nối tiếp giữa bo mạch với máy tính hoặc hệ thống khác để chia sẻ và ghi dữ liệu. Nó được sử dụng với hàm serialBegin () để cài đặt tốc độ truyền và bắt đầu truyền thông với serial.Println () để in mảng ký tự (mảng char) ra thiết bị khác. Ứng dụng: Bộ điều khiển truyền thơng và máy tính.
Chân ngắt: Chân digital ( 0, 22, 23, 24, 25, 10, 11, 12, 13, 15, 14) hoặc chân analog (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15). Chân này được sử dụng để ngắt. Để kích hoạt chân ngắt phải cài đặt bật ngắt toàn cục. Ứng dụng: Bộ mã hóa vịng quay, nút bấm dựa trên ngắt và các nút khác.
2.2.2.5. Các phần của Arduino Mega
Giắc cắm nguồn DC: Cấp nguồn cho Arduino Mega từ 7-12V qua cổng này. Arduino Mega R3 có bộ điều chỉnh điện áp nguồn cấp 5V và 3.3V cho bộ điều khiển Arduino và bộ cảm biến.
AVR 2560: Đây là vi điều khiển chính được sử dụng để lập trình và chạy tác vụ cho hệ thống. Đây là bộ não của hệ thống để điều khiển tất cả các thiết bị khác trên mạch.
ATmega8: Vi điều khiển này được sử dụng để liên lạc giữa bộ điều khiển chính và các thiết bị khác. Bộ điều khiển này được lập trình cho giao tiếp USB và các tính năng lập trình nối tiếp.
ICSP 1 (ATmega8) và 2 (AVR 2560): Nó có các tính năng của lập trình sử dụng bus nối tiếp với lập trình AVR sử dụng giao tiếp SPI. AVR 2560 được lập trình để chạy hệ thống và ATmega 8 được lập trình để liên lạc và lập trình nối tiếp.
Về thông số kỹ thuật của Arduino Mega 2560 sẽ được nếu ở chương 3.
2.3. Tính tốn các thơng số ảnh hưởng q trình cháy của LPG
2.3.1. Tỷ số khơng khí/nhiên liệu (A/F)
2.3.1.1. Đới với động cơ đánh lửa cưỡng bức [6]
Khi đốt cháy 1kg nhiên liệu, các thành phần c của C, h của H2 sẽ chuyển thành CO2 và H2O theo các phương trình phản ứng sau:
C + O2 => CO2 H2 + 0.5 O2 => H2O
Giả sử 1kg nhiên liệu lỏng gồm có: c kg C, h kg H2 và Onl kg O2, ta có thể viết: 12kg C +32kg O2 = 44kg CO2 (2.1)
Nghiên cứu chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng bộ chế hịa khí thành động cơ phun LPG điều khiển điện tử
2kg H2 + 16kg O2 = 18kg H2O (2.2) Chia 2 vế ở trên và ở dưới lần lượt cho 12 và 2, ta được:
ckgC + ckgO2 + ckgCO2 (2.3) hkgH2 + 8hkgO2 = 9 hkgH2O (2.4)
Nếu gọi O’o (kg/kg) là lượng O2 lý thuyết cần thiết đốt cháy 1kg nhiên liệu, ta có:
(2.5)
Lượng O2 dùng để đốt nhiên liệu trong buồng cháy động cơ là lượng O2 trong khơng khí. Khơng khí gồm hai thành phần chính là: O2 và N2. Tính theo thành phần khối lượng khơng khí khơ: O2 chiếm 0,232 (23,2%) cịn N2 chiếm ≈ 76,8%. Do đó lượng khơng khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu là L0 (kg khơng khí/kg nhiên liệu) sẽ là:
2.3.1.2. Đới với động cơ phun LPG [12]
Lượng cung cấp LPG vào động cơ được quyết định bởi thời gian nhấc kim phun.
Nhiên liệu LPG gồm có 50% Propane (C3H8) và 50% Butane (C4H10) nên thành phần khối lượng của C và H là: 0,823 C và 0,177 H, khơng có thành phần Oxy trong nhiên liệu nên Onl = 0.
Thay vào công thức trên: (2.7)
Nếu lượng khơng khí thực tế đưa vào động cơ để đốt 1kg nhiên liệu là L (kg khơng khí/kg nhiên liệu), gọi là hệ số dư lượng khơng khí, thì:
2.3.2. Một số thơng số ảnh hưởng q trình phun
Gọi maLPG là khối lượng khơng khí nạp vào trong xylanh dùng để đốt cháy LPG, mLPG là khối lượng nhiên liệu LPG cung cấp vào xylanh. Khi đó, để phản ứng đốt cháy nhiên liệu xảy ra hồn tồn theo lý thuyết thì:
Một yếu tố quan trọng trong điều khiển phun LPG là phải xác định được khối lượng khơng khí đi vào xylanh. Lượng LPG tương ứng sẽ được tính tốn để bảo đảm tỷ lệ hịa khí mong muốn. Trên thực tế, chúng ta khơng thể đo chính xác khối lượng khơng khí đi vào từng xylanh. Vì vậy, khi điều khiển động cơ phun LPG, người ta thường dựa trên lưu lượng khơng khí đi qua đường ống nạp tính bằng khối lượng.
Có hai phương pháp để xác định khối lượng khơng khí: Trong phương pháp trực tiếp, khối lượng khơng khí được đo bằng cảm ứng dây nhiệt (airmass sensor). Trong phương pháp gián tiếp, người ta sử dụng cảm biến đo thể tích khơng khí (dùng cảm biến đo gió loại cánh trượt, cảm biến Karman...) hoặc cảm biến đo áp suất trên đường ống nạp (MAP sensor), sau đó phối hợp với cảm biến đo nhiệt độ khí nạp và cảm biến đo tốc độ động cơ để tính tốn khối lượng khơng khí. Phương pháp này cịn được gọi là phương pháp tốc độ - tỉ trọng.
Đối với một thể tích khơng khí V ở điều kiện nhiệt độ T và áp suất P, tỉ trọng của khơng khí được xác định bởi:
(2.10)
Nghiên cứu chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng bộ chế hịa khí thành động cơ phun LPG điều khiển điện tử
Hay:
(2.11)
Như vậy, lưu lượng khơng khí tính bằng khối lượng Rm có thể suy ra từ lưu lượng khơng khí tính bằng thể tích Rv:
Phối hợp cảm biến đo áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp và nhiệt độ khí nạp, máy tính có thể xác định tỉ trọng da theo cơng thức:
Trong đó:
do: tỉ trọng của khơng khí ở điều kiện áp suất khí quyển ở mực nước biển po =1
atm và nhiệt độ trong phịng To = 293oK.
Lưu lượng khơng khí tính bằng thể tích đi qua piston ga thường được dựa vào cảm biến tốc độ động cơ:
Trong đó:
D: dung tích xylanh.
v: hiệu suất nạp tính bằng thể tích.
v: có giá trị thay đổi từ 0 đến 1, phụ thuộc vào áp suất tuyệt đối trên đường ống
nạp và tốc độ động cơ, thông thường được xác định bằng thực nghiệm (khoảng 0,7 – 0,9) và được ghi vào EPROM.
Vì vậy, lưu lượng khơng khí tính bằng khối lượng lúc này sẽ bằng:
Như vậy, trong quá trình làm việc của động cơ với hệ thống phun LPG D -Jetronic (sử dụng MAP sensor), lưu lượng khơng khí tính bằng khối lượng đi qua piston ga được xác định chủ yếu bởi các cảm biến: tốc độ động cơ, áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp và nhiệt độ khí nạp.
Từ đó, lượng nhiên liệu cần phun vào một xylanh:
Với:
Thời gian mở kim phun căn bản sẽ phụ thuộc vào lưu lượng của kim phun Rinj:
2.3.3. Quan hệ giữa lưu lượng khơng khí và lưu lượng nhiên liệu
Nghiên cứu các thơng số ảnh hưởng đến tính năng của động cơ chạy bằng hỗn hợp khí biogas-syngas-hydrogen. Đây là những nhiên liệu chính thu được từ sinh khối và điện phân nước. Kết quả nghiên cứu cho thấy hai thơng số chính cần điều chỉnh là hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm. Cùng chế độ vận hành động cơ, khi thành phần nhiên liệu thay đổi thì tỉ lệ nhiên liệu/khơng khí cũng như góc đánh lửa sớm phải thay đổi theo cho phù hợp.
Bảng 2.1 giới thiệu tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu tính theo khối lượng và tính theo mol ứng với điều kiện cháy hồn tồn lý thuyết (f=1). LPG có tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu cao nhất trong các loại nhiên liệu nghiên cứu trong cơng trình này. Syngas có tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu bé nhất. Tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến các thơng số của hệ thống phun.
Bảng 2. 1: Các loại nhiên liệu sử dụng trong nghiên cứu
Nhiên
liệu mol/mol Mnl (g/mol)
mkk/mnl (kg/kg) Vkk/Vnl (mol/mol) H 100H2 2 34.78 2.4 CH4 100CH4 16 17.39 9.52 LPG 50C3H8-50C4H10 51 15.69 27.59 B1 60CH4-40CO2 27.2 6.14 5.76 B2 70CH4-30CO2 24.4 7.98 6.71 B3 80CH4-20CO2 21.6 10.31 7.68 S1 25CO-10CH4-8H2-5CO2- 52N2 25.52 2 1.76 S2 20CO-12CH4-10H2- 8CO2-50N2 25.24 2.15 1.87 S3 15CO-18CH4-12H2- 10CO2-45N2 24.32 2.83 2.37 HH 1 50B1-30S1-20H 21.66 5.2 3.88 HH 2 40B2-50S2-10H 22.58 4.96 3.86 HH 3 30B3-60S3-10H 21.27 5.41 3.97
Hình 2.9 giới thiệu sơ đồ tiết diện lưu thông trên đường nạp khi thay đổi vị trí bướm ga. Góc đóng bướm ga thay đổi từ 0 (bướm ga mở hoàn tồn) đến 60 (bướm ga đóng hồn tồn). Tiết diện lưu thơng của dịng khí có thể được xem là hiệu số tiết diện hình trịn và hình elip của bướm ga chiếu lên mặt phẳng vng góc với trục đường nạp.
Nghiên cứu chuyển đổi động cơ tĩnh tại sử dụng bộ chế hịa khí thành động cơ phun LPG điều khiển điện tử