Có hai loại cảm biến Hall. Một loại có đầu ra là tín hiệu Analog và một loại có đầu ra Digital. Loại cảm biến đầu ra là tín hiệu Analog thường được sử dụng làm cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến có đầu ra là tín hiệu digital thường được sử dụng làm cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến tốc độ xe.
Cảm biến có đầu ra là tín hiệu digital chỉ cung cấp hai trạng thái đầu ra, “ON” hoặc “OFF”. Các loại cảm biến này có thêm phần tử Schmitt Trigger (giữ chậm) cung cấp độ trễ hoặc hai ngưỡng khác nhau để đầu ra cao hoặc thấp.
2.1.2. Bộ điều khiển
2.1.2.1. Công dụng và nhiệm vụ của bộ điều khiển
Bộ điều khiển đảm nhận nhiệm vụ là kiểm soát mọi thứ liên quan đến hoạt động cũng như hiệu suất động cơ như: vòng tua máy (RPM) hay phun LPG và thời điểm phun LPG cùng thời điểm đánh lửa, cường độ dòng điện đánh lửa hay điều chỉnh hỗn hợp LPG – gió (hồ khí),… và cịn nhiều cơng dụng nữa tùy vào từng loai động cơ. Sau đó, nó được truyền về bộ điều khiển xử lý tín hiệu và đưa ra mệnh lệnh yêu cầu các cơ cấu chấp hành phải thực hiện các nhiệm vụ như: điều khiển nhiên liệu, góc đánh lửa. Mặt khác, cơ cấu chấp hành này phải luôn đảm bảo thực hiện theo hiệu lệnh bộ điều khiển và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ cảm biến để đem lại sự chính xác và thích ứng cần thiết. Với mục đích làm giảm tối đa chất độc hại trong khí thải và giúp cải thiện lượng tiêu hao nhiên liệu và đảm bảo công suất ở các chế độ hoạt động của động cơ đã được cài đặt trước. Đặc biệt là giúp cho việc chẩn đoán “bệnh” của động cơ một cách nhanh chóng.
2.1.2.2. Cấu tạo của bộ điều khiển
Bộ điều khiển trên ơ tơ và xe máy dịng EFI (điều khiển điện tử) hay còn gọi là ECU là sự tập hợp của nhiều modul khác nhau: ổn áp, mạch khuyếch đại, chuyển đổi Analog sang Digital và ngược lại, vi điều khiển, thạch anh tạo dao động, mạch tách tín hiệu,… Tất cả được tích hợp trên một bo mạch cứng qua đó tín hiệu được truyền cho nhau với tốc độ nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng và ổn định hơn.
2.1.2.3. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển
Việc điều khiển góc đánh lửa sớm và góc ngậm điện sẽ được máy tính đảm nhận. Các thống số như tốc độ động cơ, tải, nhiệt độ được các cảm biến mã hóa tín hiệu đưa vào ECU xử lý và tính tốn để đưa ra góc đánh lửa sớm tối ưu theo từng chế độ hoạt động của động cơ [7]. Cuối cùng, các bộ phận thực thi sẽ phải thực hiện đúng
theo những dữ liệu mà bộ điều khiển truyền đến để đảm bảo động cơ vận hành ổn định và hiệu quả nhất.
2.1.3. Cơ cấu chấp hành
Ba yếu tố quan trọng của động cơ đánh lửa cưỡng bức là: Hỗn hợp khơng khí nhiên liệu (hịa khí) tốt, sức nén tốt và đánh lửa tốt. Hệ thống đánh lửa tạo ra một tia
lửa mang năng lượng phù hợp, vào thời điểm chính xác để đốt cháy sạch hỗn hợp hịa khí.
Bao gồm bét phun, các rơle, công tắc điện từ, sử dụng điện áp 12V và tiêu thụ công suất lớn hơn rất nhiều so với điện áp cung cấp từ cổng ra của vi điều khiển. Vi điều khiển đưa ra tín hiệu dạng xung để điều khiển cơ cấu chấp hành.
2.1.3.1. Đánh lửa
Hình 2. 3: Hệ thống đánh lửa điện tử
a. Bobin đánh lửa
Chức năng và nhiệm vụ: Bobin nằm giữa ECM và Bugi, Bobin có khả năng
biến hiệu điện thế thấp từ 6 đến 24V từ hai cực của bình ắc quy thành xung điện có hiệu điện thế lên 12000 - 40000V để phát ra tia lửa điện trên Bugi. Nhờ vậy mà nó có vai trị cực kỳ quan trọng trong việc hỗ trợ bugi đánh lửa.
Cấu tạo: Cấu tạo của bobin gồm có: cuộn dây sơ cấp, cuộn dây thứ cấp và dây
Hình 2. 4: a IC tích hợp bobbin, b đầu chụp nến đánh lửa
Một cuộn dây có ít vịng được gọi là cuộn sơ cấp, quấn xung quanh cuộn dây sơ cấp nhưng nhiều vòng hơn là cuộn dây thứ cấp. Cuộn thứ cấp có số vịng lớn gấp hàng trăm lần cuộn sơ cấp [2]. Điện thế cao hơn được sinh ra chính là nhờ cảm ứng từ giữa hai cuộn dây này.
Nguyên lý hoạt động: Dòng điện bắt đầu chạy từ cuộn sơ cấp. Tại thời điểm
được đánh lửa, ECM sẽ làm cho dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp và sẽ ngắt đột ngột. Đến lúc dịng điện sơ cấp này bị ngắt thì từ trường điện do cuộn sơ cấp sinh ra sẽ bị giảm một cách đột ngột. Đúng theo nguyên tắc, lúc này, cuộn dây thứ cấp lại sinh ra một dòng điện để chống lại sự biến đổi do từ trường. Số vòng của cuộn thứ cấp lớn gấp nhiều lần cuộn sơ cấp nên dòng điện sẽ được tăng cao hơn. Đây chính là dịng điện giúp bugi đánh lửa thông qua cuộn dây cao áp.
b. Bugi
Chức năng và nhiệm vụ: Bugi xe là một bộ phận quan trọng ảnh hưởng đến khả năng vận hành của động cơ xe máy. Bugi có nhiệm vụ bật tia lửa điện giữa 2 điện cực – cực trung tâm và cực bên nối mát – để đốt cháy hỗn hợp hồ khí đã được nén ở buồng đốt, bên cạnh đó bugi phải tản nhiệt thật nhanh để giảm bớt áp lực trong buồng đốt [2].
Cấu tạo: Cấu tạo như hình vẽ bên gồm ba phần chính: Điện cực trung tâm, vỏ cách điện và vùng nhiệt bugi.
b a
Hình 2. 5: Cấu tạo Bugi [2]
Nguyên lý hoạt động: Về lý thuyết thì khá đơn giản, nó là cơng cụ để nguồn điện phát ra hồ quang qua một khoảng trống (giống như tia sét). Nguồn điện này phải có điện áp rất cao để tia lửa có thể phóng qua khoảng trống và phát ra tia lửa mạnh. Thơng thường, điện áp giữa hai cực của nến điện khoảng từ 12.000 đến 40.000V.
2.1.3.2. Phun nhiên liệu
a. Bộ điều áp
Bộ điều áp có tác dụng làm giảm áp suất của các luồng khí đi qua nó. Nó được cấu tạo từ hợp kim đồng với độ bền bỉ cùng độ an tồn cao, bên cạnh đó nó có thể làm việc ở điều kiện áp suất lớn. Bộ điều áp được ứng dụng nhiều trong các khu công nghiệp, nhà máy sản xuất và ở các hộ gia đình.
Cấu tạo của bộ điều áp gồm những phần chính sau:
- Thân van làm từ chất liệu đồng, gang, đồng mạ crom, là nơi làm việc trực tiếp của khí gas.
- Núm điều chỉnh đùng để điều chỉnh áp suất tăng, giảm của khí gas. - Đầu lắp bình khí dùng để kết nối với bình gas.
- Đầu khí ra là nơi kết nối với hệ thống gas.
Hình 2. 6: Cấu tạo của bộ điều áp
Nguyên lý hoạt động: Ở đầu ra của van giảm áp luôn được cài đặt áp lực bé hơn ở đầu vào. Khi có dịng lưu chất qua van, tùy vào áp lực của dòng chảy, áp lực càng bé khoảng cách của piston và đầu ra càng bé, áp lực lớn hơn sẽ đẩy lò xo áp lực lên, kéo piston lên cao hơn, khe hở giữa piston và đầu ra sẽ lớn hơn.
b. Họng phun nhiên liệu
Cấu tạo của họng phun gồm có:
- Vỏ kim: giúp bảo vệ và liên kết các chi tiết trong kim phun. - Giắc cắm: kết nối với bộ điều khiển để điều khiển.
- Cuộn dây: tạo ra từ trường dể hút ti kim khi có tín hiệu điện áp gởi từ bộ điều khiển.
- Ti kim: đóng kín vịi phun, cho nhiên liệu đi qua khi được hút lên nhờ từ trường của cuộn dây.
- Vòi phun: định hướng phun và làm tơi nhiên liệu.
Nguyên lý hoạt động của họng phun: Trong quá trình hoạt động của động cơ, bộ điều khiển liên tục nhận tín hiệu đầu vào từ các cảm biến sau đó mã hố, tính được lượng nhiên liệu cần cung cấp cho động cơ và làm thay đổi thời gian đóng, mở kim phun. Q trình đóng mở diễn ra ngắt quãng. Thời gian đóng mở phụ thuộc vào thời gian bộ điều khiển gửi tín hiệu điện áp tới cuộn dây làm hút ti kim để mở vòi phun. Sự thay đổi thời gian phun phụ thuộc vào tín hiệu cảm biến. Ví dụ như độ mở bướm ga làm thay đổi khối lượng khơng khí nạp hay độ rộng xung từ cảm biến Hall.
2.2.1. Giới thiệu arduino Mega 2560
Hình 2. 7: Arduino Mega 2560
Arduino là một bo mạch vi điều khiển, được thiết kế bởi arduino dot cc. Bộ vi điều khiển được sử dụng trong bảng Arduino này là At mega 2560. Nó đi kèm với nhiều khơng gian bộ nhớ hơn và các chân đầu ra đầu vào, so với các bảng arduino khác. Arduino mega này có 54 chân kỹ thuật số, bắt đầu từ 0 đến 53. Các chân kỹ thuật số này được sử dụng để giao tiếp các cảm biến và module kỹ thuật số với Arduino Mega. Hơn nửa, cịn có 16 chân Analog từ chân 0 đến chân 15 dùng để giao tiếp với các cảm biến Analog.
2.2.2. Cấu tạo Arduino Mega 2560
Hình 2. 8: Cấu tạo của Arduino Mega 25602.2.2.1. Chân điều khiển 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 tồn 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 thơng số kỹ thuật của Arduino Mega 2560 sẽ được nếu ở chương 3.
2.3. Tính tốn các thơng số ảnh hưởng quá trình cháy của LPG
2.3.1. Tỷ số khơng khí/nhiên liệu (A/F)
2.3.1.1. Đối 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)
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 + 83 ckgO2 + 113 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:
O0=8
3c+8h−onl(kg/kg nhiênliệu) (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: LO= O0 0,232= 1 0,232( 8 3c+8h−onl)(kg khơngkhí/kgnhiênliệu) (2.6)
2.3.1.2. Đối 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 cơng thức trên:
LO= 1
0,232(83×0.823+8×0,177−0)=15,56(kgkhơngkhí/kgnhiênliệu)(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:
¿ L L0=
L
15,5(2.8)
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:
mLPG=maLPG
15,56(2.9)
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