37
2.2.2.3. Vòi phun
Vòi phun được sử dụng trong nghiên cứu là vòi phun kiểu điện từ. Kết cấu vịi
phun điện tửđược thể hiện trên Hình 2.5. Ngun lý hoạt động của loại vòi phun là
khi chưa có dịng điện chạy qua cuộn dây (3) của nam châm điện (4), lò xo (6) ép lõi từ (5) đóng chặt đường cấp nhiên liệu từống phân phối (9) đến đầu ra vòi phun (10) nhờ gioăng cao su làm kín (8). Lúc này vịi phun ở trạng thái đóng kín. Khi có dịng điện kích thích ởđầu dây (1), nam châm điện sẽ hút lõi từ (5) mởthông đường số (9) với số (10). Nhiên liệu được cấp tới đầu ra của vòi phun (11) theo đường ống dẫn đến đường nạp của động cơ với tiết diện lưu thơng hồn tồn xác định.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Hình 2.5. Kết cấu vịi phun khí kiểu điện từ Hình 2.6. Vịi phun khí của hãng LGC Chú thích: 1- Đầu giắc điện; 2- Vỏ nhựa; 3- Cuộn dây kích từ; 4- Nam châm Chú thích: 1- Đầu giắc điện; 2- Vỏ nhựa; 3- Cuộn dây kích từ; 4- Nam châm điện; 5- Lõi từ; 6- Lò xo hồi vị; 7- Ống phân phối; 8- Gioăng làm kín; 9- Đường nhiên liệu vào ống phân phối; 10- Đường nhiên liệu ra khỏi vịi phun; 11- Đầu tuy ơ lắp với đường ống dẫn nhiên liệu.
Như vậy, việc đóng mở kim phun của vịi phun kiểu điện từ khơng phải do tác dụng của áp suất nhiên liệu như trường hợp vịi phun diesel, mà qua điều khiển bên ngồi nhờ tín hiệu điện. Nếu độchênh áp trước và sau lỗphun khơng đổi thì lượng nhiên liệu cung cấp chỉ phụ thuộc vào thời gian mở kim phun hay phụ thuộc vào độ
38
Trên cơ sở tham khảo thị trường, tác giả đã chọn mua cụm 4 vịi phun khí loại trở kháng thấp 3 omh của hãng LGC như thể
hiện trên Hình 2.6. LGC là hãng chuyên cung cấp phụ kiện, hệ
thống chuyển đổi động cơ xăng, diesel thông thường sang động cơ
sử dụng nhiên liệu khí hoặc động
cơ lưỡng nhiên liệu.
Thông số kỹ thuật của vịi
phun CNG của hãng LGC được trình bày trong Bảng 2.3.
Bảng 2.3. Thông số kỹ thuật của vịi phun
TT Thơng số Giá trị Đơn vị
1 Tần số làm việc 0 ÷ 150 Hz
2 Áp suất làm việc 0,5 ÷ 4,0 bar
3 Thời gian mở hoàn tồn ≤1,4 ms
4 Thời gian đóng hồn tồn ≤1,0 ms
5 Nguồn điện 12,0 VDC
6 Điều kiện nhiệt độmôi trường -40 ÷ 120 oC
7 Nhiệt độ nhiên liệu -10 ÷ 95 oC
8 Điện trở 3,0 ohm
Ngồi các thơng sốcơ bản nêu trên, đặc tính lưu lượng của vịi phun theo thời gian mở là thông số rất quan trọng, để có thểđánh giá được khảnăng đáp ứng lưu lượng phun cần thiết cho động cơ nghiên cứu. Hình 2.7 thể hiện đặc tính của vịi phun khi phun nhiên liệu CNG với áp suất đầu vào ống phân phối là 3 bar và áp suất ra là mơi trường. Đường đặc tính này được xây dựng qua một số thí nghiệm
đơn giản sau khi đã chế tạo hoàn chỉnh bộđiều khiển.
0 1 2 3 4 5 6 7 0 10000 20000 30000 40000 Lư u lư ợn g ( lít /p h)
Thời gian phun (μs)
Hình 2.7. Đặc tính lưu lượng theo thời gian mở vòi phun mở vòi phun
39
2.2.2.4. Các bộ phận khác a) Van điện từ
Van điện từ có tác dụng điều khiển, đóng mở CNG cao áp vào đường ống nạp của hệ thống cung cấp nhiên liệu. Van điện từ hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng
điện từ tương tự như vịi phun khí. Khi bật cơng tắc điện sẽ xuất hiện dòng điện chạy qua cuộn cảm (5), gây ra hiện tượng cảm ứng điện từ điều khiển các chi tiết của van (2), mở van cho CNG thoát ra theo đường (7) và khi ngắt dòng điện dưới áp lực của lị xo (3) van sẽ đóng lại. Kết cấu và hình ảnh van điện từ được thể hiện trong Hình 2.8 và một số thông số kỹ thuật được thể hiện trong Bảng 2.4.
6 7 5 4 3 2 1
Hình 2.8. Kết cấu van điện từ
1- Đường CNG vào; 2- Đế van; 3- Lò xo nén; 4- Chốt dẫn hướng 5- Cuộn dây van; 6- Vịng làm kín; 7- Đường CNG ra Bảng 2.4. Thơng số kỹ thuật của van điện từ
TT Thông số Giá trị Đơn vị
1 Áp suất giới hạn 400 kG/cm2 2 Áp suất làm việc 200 kG/cm2ở 10V 3 Nhiệt độ làm việc -30 ÷ 120 oC 4 Nguồn điện 12 VDC 5 Công suất tiêu thụ 15 W 6 Đường kính lỗ Ф5 mm
7 Đường kính ren ngồi M12 mm
40
2.2.3. Sơ đồ thiết kế phần cứng bộ điều khiển
Bộđiều khiển phun nhiên liệu CNG được thiết kế bao gồm 4 khối chính: Khối nguồn, Khối xử lí tín hiệu từ các cảm biến, Khối điều khiển trung tâm, Khối điều khiển các có cấu chấp hành và khối kết nối với máy tính.
Trong khn khổ luận văn, tác giả chỉ thiết kế bộ điều khiển phun với tính
năng đơn giản nhất. Lượng nhiên liệu phun, hay thời gian mở vòi phun được điều khiển trực tiếp thơng qua máy tính kết nối với bộ điều khiển. Thời gian phun tối ưu đối với từng chế độ thử nghiệm được xác định trực tiếp dựa vào các thông số kết quảđo như cơng suất, mơ men hay phát thải (ví dụnhư công suất cực đại hoặc hệ số dư lượng không khí bằng 1). Tuy nhiên, để có thể tiếp tục thực hiện các nghiên cứu tiếp theo, bộ điều khiển vẫn được thiết kế đầy đủ các khối như liệt kê ở trên, để trong tương lai có thểđưa ra được một bộđiều khiển phun điện tử hoàn chỉnh.
Sau đây, tác giả xin trình bày thiết kế một số khối chính của bộđiều khiển.
2.2.3.1. Khối nguồn
Khối cung cấp nguồn điện cho bộ điều khiển gồm có Diot an tồn, các tụ lọc nguồn, vi mạch ổn áp LM7805, đèn LED báo nguồn 5V. Sơ đồ khối nguồn được thiết kế như thể hiện trên
Hình 2.9.
Điện nguồn 12V được lấy từ ắcqui thơng qua khóa
điện (vị trí ON) và Rơle, khi bật khóa điện thì nguồn 12V cấp cho mạch nguồn của ECC. Do các thành phần,
linh kiện trong ECC sử dụng điện áp 5V nên điện áp 12V được qua vi mạch ổn áp
LM7805 cho ra điện áp 5V. Các tụ điện được sử dụng để san phẳng những dao
động điện áp nhỏ (nếu có).
41
2.2.3.2. Khối xử lý tín hiệu từ các cảm biến
Tín hiệu tốc độ qua IC thuật toán LM358 nhằm tạo ra
xung vuông đưa về VXL. Cầu
điện trở gồm R26 và R29 có cùng giá trị trở kháng 1K để tạo ra mức điện áp 2,5V. Khi tín hiệu điện áp từ cảm biến tốc độ
có biên độ lớn hơn 2,5V thì điện áp ra ở chân số 7 của LM358 ở mức cao (5V),
ngược lại khi biên độ điện áp từ cảm biến tốc độ có biên độ nhỏ hơn 2,5V thì điện áp ra ở chân số 7 ở mức thấp (0V) do đây thực chất là một mạch so sánh không đảo. Nguyên lý mạch xử lý tín hiệu tốc độđược thể hiện trên Hình 2.10.
2.2.3.3. Khối điều khiển cơ cấu chấp hành a) Điều khiển vòi phun CNG
Khi ECC nhận được tín hiệu điều khiển phun nhiên liệu, mức điện áp ở cực điều khiển phun sẽ được đẩy lên mức cao
(5V) đặt vào cực G của
IRF540N, khi đó MOSFET
nghịch này sẽ được phân cực thuận và cho dòng điều khiển vòi
phun tiếp mát, vòi phun sẽ được mở. Khi kết thúc 1 chu kỳphun, điện áp cực điều khiển được kéo về mức thấp (0V), MOSFET không được phân cực, sẽ khơng có
dịng qua, khi đó vịi phun sẽ được đóng lại. Ngun lý mạch điều khiển vịi phun
được thể hiện trên Hình 2.11.
b) Điều khiển van điện từ đóng mở đường CNG
Trên đường cung cấp nhiên liệu CNG có sử dụng van điện từđể đóng mở quá trình cung cấp nhiên liệu CNG trước khi vào bộ giảm áp. Q trình đóng mở được
Hình 2.10. Mạch xử lý tín hiệu tốc độ
42
thực hiện từ bộ điều khiển thơng qua tín hiệu từ máy tính. Để đóng mở được van
điện từ, trên bộđiều khiển có gắn thêm mạch xử lý tín hiệu điều khiển van điện từ. Mạch xử lý tín hiệu này được thiết kế với nguyên lý tương tự mạch điều khiển vòi
phun CNG. Đồng thời bộ điều khiển còn được trang bị các mạch điều khiển rơle
phục vụ các yêu cầu khác nếu cần thiết (Hình 2.12).
Hình 2.12. Mạch xử lý tín hiệu điều khiển van điện từ và rơle đóng mở CNG 2.2.3.4. Khối mạch giao tiếp với máy tính 2.2.3.4. Khối mạch giao tiếp với máy tính
Trong q trình nghiên cứu cần hiển thị các thông số của các cảm biến trên máy tính (cụ thể ở đây cần hiển thị tốc độ động cơ), cũng như để điều chỉnh được
lượng nhiên liệu CNG phun vào trong động cơ... Việc kết nối giữa máy tính và bộ điều khiển được thực hiện thông qua bộ truyền nhận nối tiếp UART RS232 (Hình 2.13).
Hình 2.13. Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối theo chuẩn RS232
Các cổng này giao tiếp theo tiêu chuẩn RS232 trên máy tính PC là COM1 và COM2. Cổng này truyền dữ liệu dưới dạng nối tiếp theo một tốc độ do người lập
trình quy định (thường là 9600 hoặc 19200 bps). Loại truyền này có khảnăng dùng
cho những khoảng cách lớn. Cổng nối tiếp chuẩn RS232 không phải là một hệ
43
máy cần trao đổi thông tin với nhau. Chiều dài dữ liệu truyền đi có thể là 7 hoặc 8 bit và kèm theo các bit start, stop, parity để tạo thành một khung truyền (frame). Do việc truyền dữ liệu là nối tiếp nên tốc độ truyền bị hạn chế do đó nó thường khơng
được sử dụng trong những ứng dụng cần tốc độ truyền cao.
Cổng nối tiếp của vi điều khiển không thể ghép nối trực tiếp với cổng nối tiếp của PC. Lý do là các tín hiệu trên đường truyền RS-232 là tín hiệu hai cực có biên
độ nằm trong khoảng +12V đến -12V, trong khi vi điều khiển ATMega32 chỉ có thể
xử lý các tín hiệu có mức tín hiệu tương thích 0 đến 5V. Thơng thường thì tín hiệu trên đường truyền RS-232 được lấy đảo. Tức là khi máy tính PC muốn một mức logic “0” thì điện áp trên đường truyền RS-232 sẽ là +12V, còn khi muốn mức logic “1” thì điện áp trên đường truyền là -12V. Như vậy đểtương thích mức logic
và điện áp giữa PC và vi điều khiển thì việc trang bị một bộ nhận và đệm đường truyền RS-232 là cần thiết. Bộ nhận và đệm đường truyền RS-232 được dùng phổ
biến nhất là loại MAX232 của công ty Maxim. Vi mạch MAX232 này nhận mức
RS232 đã được gửi tới từ máy tính và biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu sao cho
tương thích với vi điều khiển ATmega32 và nó cũng thực hiện ngược lại là biến đổi tín hiệu của vi điều khiển thành mức +12V, -12V để cho phù hợp với hoạt động của máy tính. Giao tiếp theo cách này, khoảng cách từ máy tính đến thiết bi ngoại vi có thểđạt tới trên 20m.
2.2.4. Thuật tốn đọc và tính các giá trị cảm biến tốc độ động cơ
Tín hiệu từ cảm biến tốc độ động cơ được truyền qua mạch xử lý tín hiệu để
chuyển thành tín hiệu có dạng xung vng. Sơ đồ thuật toán đọc giá trị tốc độ động
cơ được thể hiện trên Hình 2.14. Dựa vào khoảng thời gian giữa 2 xung liên tiếp để xác định được tốc độđộng cơ theo cơng thức:
zT
v= 1 (2.1)
44
Hình 2.14. Sơ đồ thuật toán đọc tốc độ động cơ
2.2.5. Chương trình điều khiển ECC
Trong quá trình hoạt động của động cơ, tại mỗi chếđộ thử nghiệm, thời gian mở kim phun được điều khiển qua bộ điều khiển ECC. Q trình mở và đóng kim
phun diễn ra ngắt quãng. Thời gian mở kim phun phụ thuộc vào độ rộng xung điều khiển, giá trị này được tùy chỉnh trong quá trình thử nghiệm để đạt được yêu cầu. Giả sử có thể tăng hoặc giảm độ rộng xung để động cơ đạt được mô men cực đại hoặc có thểđạt được tỷ lệ hịa khí theo lý thuyết (λ=1) ở mỗi chếđộ thử nghiệm. Để đảm bảo lượng CNG phun ra chỉ phụ thuộc vào thời gian mở vịi phun thì
chênh áp trước và sau vịi phun cần phải được giữổn định. Chênh áp này được giữ ổn định thông qua bộ giảm áp thơng qua 2 tín hiệu áp suất khí trước vịi phun và áp suất đường nạp.
Việc thay đổi lượng nhiên liệu phun được thay đổi bằng độ rộng xung điều khiển vòi phun còn thời điểm phun được điều khiển bằng tín hiệu thời điểm. Thời
điểm phun của máy thứ nhất được xác định dựa vào tín hiệu vị trí trục cam, còn thời
điểm phun của các máy còn lại được xác định dựa vào xung của máy thứ nhất và tốc độđộng cơ.
Hình 2.15. Nguyên lý điều khiển phun
Ví dụ giá trị số điều khiển phun do người dùng điều khiển là 1800µs thì khi xuất hiện xung điều khiển phun mạch đếm sẽ bắt đầu đếm xung nhịp đồng thời nâng mức của xung phun lên mức cao, vòi phun bắt đầu mở. Khi giá trị đếm xung
45
phun và đồng thời ngừng đếm chờ xung điều khiển thời điểm phun tiếp theo (Hình 2.15).
2.2.6. Xây dựng giao diện điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu ECC
Để hiển thị các thông số của các cảm biến và điều chỉnh lượng nhiên liệu
phun, thay đổi thời điểm phun, bật tắt các cơng tắc... trong q trình thí nghiệm thì bộđiều khiển ECC phải được điều khiển từmáy tính. Trong đề tài, việc kết nối bộ điều khiển với máy tính được thực hiện bằng phần mềm kết nối Delphi.
Hình 2.16. Giao diện phần mềm kết nối bộ điều khiển với máy tính
Với giao diện xây dựng trên phần mềm (Hình 2.16) cho phép người dùng có thể thay đổi được các thông số theo mục đích đặt ra. Trong suốt quá trình thí nghiệm, lượng CNG được điều khiển trực tiếp trên giao diện phần mềm này theo các chếđộ thử nghiệm.
Các tính năng chính của phần mềm kết nối:
- Điều chỉnh lượng phun CNG trong 1 chu trình nhờđiều khiển thời gian phun. - Điều chỉnh thời điểm phun CNG.
- Các chức năng đóng mởvan điện từvà đóng mở vịi phun.
- Thực hiện q trình đo và ghi lại kết quả trung bình của phép đo trong thời gian của phép đo do người thí nghiệm đặt trên giao diện.
46
Các khối chính cùng các chức năng chương trình được xây dựng nhằm mục
đích giúp người sử dụng dễ dàng tiếp cận với chương trình, từ đó có thể q trình phun CNG một cách hiệu quả. Đồng thời, thông qua phần mềm người sử dụng có một cách nhìn trực quan về quá trình làm việc của hệ thống, mối quan hệ giữa các tín hiệu đầu vào và cơ cấu chấp hành.
2.2.7. Kết quả
Dưới đây là một số thông tin chung về bộ điều khiển sau khi được chế tạo hoàn chỉnh:
- Bộ điều khiển được chế tạo với kích thước nhỏ gọn (50x55mm), rất thuận tiện tháo lắp các giắc cắm, dây tín hiệu vào ra như thể hiện trên Hình 2.17.
Hình 2.17. Mạch in và mạch điều khiển sau khi hoàn thành
- Các dây tín hiệu vào ra bộ điều khiển được bọc chống nhiễu để đảm bảo độ
chính xác của tín hiệu điều khiển.
- Việc điều chỉnh thời gian phun, thời điểm phun được thực hiện đơn giản qua giao diện điều khiển trên máy tính.
Để đánh giá sơ bộ kết quả nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển từ đó đưa ra
những hiệu chỉnh cần thiết trước khi tiến hành lắp đặt thử nghiệm trên động cơ, bộ điều khiển ECC được kiểm tra tín hiệu vào ra, cụ thể là khả năng điều chỉnh thời