L
Ф
3.8), đồng thời phải dựa vào lƣợng nhiệt của khí luân hồi, nhiệt độ của nƣớc làm mát và cơng thức tính diện tích bề m t ngồi của ống dẫn khí ln hồi nhƣ sau:
L F n L n R L n F . .2 . . . (3.11) Trong đó: n: Số lƣợng lƣợng ống dẫn khí luân hồi. L: Chiều dài của ống dẫn khí luân hồi. R: Bán kính của ống dẫn khí luân hồi. Ф: Đƣờng kính của ống
dẫn khí luân hồi.
Ngồi ra, trong q trình thiết kế ta cịn có thể thiết kế bố trí van điều chỉnh lƣu lƣợng nƣớc làm mát từ động cơ vào ống làm mát nhƣ thể hiện trên Hình 3.9.
Ta cịn có thể điều khiển lƣợng nƣớc làm mát khí luân hồi theo độ mở của van EGR b ng điện tử ho c cơ khí thơng qua một van, lƣu lƣợng nƣớc làm mát sẽ thay đổi tỷ lệ thuận với lƣu lƣợng khí luân hồi qua ống làm mát.
Để tăng hiệu quả làm mát cũng nhƣ bố trí trên động cơ một cách hợp lý ta cần lựa chọn kích thƣớc cũng nhƣ hình dạng thích hợp cho ống làm mát sao cho phù hợp với kích thƣợc thực tế của động cơ D1146TI.
3.2.2.3. Bố trí ống làm mát khí luân hồi trên động cơ
Sau khi thiết kế ống làm mát tác giả đã vẽ mô phỏng lại ống làm mát đƣợc bố trí lắp đ t trên động cơ cùng với các cụm chi tiết khác đƣợc thể hiện nhƣ Hình 3.10.
Yêu cầu khi lắp đ t ống làm mát khí ln hồi trong khơng gian chứa động cơ của xe buýt là hợp lý, không ảnh hƣởng đến làm việc của các hệ thống khác.
tnr tnv Van
tklhv
tklhr
Hình 3.9. Sơ đồ bố trí van điều khiển lưu
Hình 3.10. Lắp đặt ống làm mát khí luân hồi trên động cơ ở luân hồi áp suất thấp [9]
1: ng venturi; 2: ng dẫn khí luân hồi; 3: Đường dẫn nước làm mát về k t mát; 4: ng làm mát khí luân hồi; 5: Đường dẫn nước làm mát vào ống làm mát; 6: Đường trích khí thải vào ống làm mát khí ln hồi; 7: Bình tiêu âm; 8: Van EGR.
Trên hình mơ phỏng ta thấy: nƣớc làm mát từ động cơ sẽ đƣợc trích một phần theo đƣờng dẫn (5) vào ống làm mát khí luân hồi (4). Tại khoang chứa nƣớc của ống làm mát, nƣớc làm mát sẽ trao đổi nhiệt với dịng khí ln hồi đƣa vào qua đƣờng trích khí thải (6) trên đƣờng thải. Nƣớc sau khi đã trao đổi nhiệt sẽ theo đƣờng (3) về két làm mát nƣớc, dịng khí ln hồi sau khi đƣợc làm mát sẽ qua van EGR (8) theo đƣờng dẫn (2) vào ống venturi (1) qua máy nén theo đƣờng ống dẫn tới két làm mát khí nạp rồi vào động cơ. Dịng khí ln hồi sau khi đƣợc làm mát sẽ hạ nhiệt.
3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển van EGR
3.2.3.1. Thiết kế mạch điều khiển van luân hồi khí thải EGR
a. Giới thiệu về dịng vi xử lý PIC16F727
Vi xử lý chính đƣợc lựa chọn và sử dụng là PIC16F727 hiện đang rất phổ biến trên thị trƣờng, và giá thành của vi xử lý cũng phù hợp trong nghiên cứu và ứng dụng.
3 4 5 8 7 6 2 1 Khí nạp Khí nạp sau MN Khí thải
Hình 3.11. Sơ đồ chân vi xử lý PIC16F727
PIC16F727 là dòng vi xử lý đƣợc thiết kế và sản xuất bởi Microchip. Đây là dòng vi xử lý thuộc họ Mid-Range với 32 tập lệnh mạnh và 8 stack point.
- Bộ nhớ flash 14k cho phép ghi đọc đến 100.000 lần - Tích hợp sẵn bộ dao động bên trong chip.
- Có các modun giao tiếp I2C, SPI, USART. - Bộ chuyển đổi ADC 8bit 14 kênh.
- Chân I/O với dòng ra 25mA - Timer 8bit và 2 timer 16bit.
- Có khả năng lập trình ngay trên mạch thơng qua giao tiếp ICSP. - Dải điện áp hoạt động tƣơng đối rộng(1.8-5.5V)
b. Giới thiệu về động cơ BLDC
Hình 3.13. Cấu tạo động cơ BLDC
Hình 3.14. Tín hiệu trả về của senser và điện áp đặt vào các phase của động cơ
BLDC hay cịn gọi là động cơ đồng bộ khơng chổi than. Hiện nay BLDC đƣợc sƣ dụng ngày càng rộng rãi vì có nhiều ƣu điểm nhƣ:
- Khơng có tiếp điểm cơ khí nên khi hoạt động khơng tạo ra tia lửa điện, thích
hợp trong các môi trƣờng làm việc dễ cháy nổ. Và do khơng có tiếp điểm cơ khí nên cũng ít phải bảo dƣỡng, sửa chữa.
- Mômen khởi động lớn.
- Tốc độ vịng quay cao, khi tích hợp với mạch điều khiển rất dễ để điều khiển
BLDC đƣợc chia làm hai loại, động cơ có senser cảm biến vị trí (Hình 15) và động cơ khơng có senser cảm biến vị trí (Sensorless)
c. Thiết kế mạch điều khiển cho động cơ
Qua tìm hiểu về cấu trúc và hoạt động của động cơ BLDC tôi đƣa ra thiết kế cho mạch điều khiển động cơ gồm các khối sau:
- Khối vi xử lý và các phím điều khiển:
Hình 3.15. Khối vi xử lý chính
Khối vi xử lý gồm vi xử lý PIC16F727, mạch tạo xung dao động thạch anh bên ngoài và mạch reset vi xử lý khi bắt đầu cấp nguồn cho vi xử lý. Với vi xử lý trang bị trên mạch cho phép ngƣời điều khiển lập trình các thuật tốn nhận tín hiệu từ cảm biến và từ đó đƣa ra các tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành một cách hợp lý và phù hợp với yêu cầu của đề tài.
Mạch tạo xung dao động bên ngoài sử dụng thạch anh 8MHz để giữ nhịp dao động của vi xử lý với độ chính xác cao (sai số gần nhƣ 0%). Việc tạo ra xung nhịp dao động nh m mục đích tính tốn thời gian trong vi xử lý đƣợc chính xác.
Mạch reset có tác dụng reset lại vi xử lý khi bắt đầu cung cấp điện áp cho vi xử lý để tránh hiện tƣợng vi xử lý bị treo.
Đồng thời, trong mạch có thiết kế các phím điều khiển Button1 và Button2 để có thể tăng ho c giảm tiết diện lƣu thơng của khí thải luân hồi qua van EGR.
- Khối chuyển đổi USB TO COM cho kết nối máy tính:
Trong q trình nghiên cứu cần hiển thị các thơng số của cảm biến trên máy tính, cũng nhƣ để điều chỉnh đƣợc lƣợng khí thải luân hồi qua van EGR trong quá trình xây dựng bộ dữ liệu tỷ lệ luân hồi tối ƣu. Việc truyền thông giữa máy tính và vi xử lý đƣợc thực hiện thơng qua bộ truyền nhận nối tiếp USB TO COM với vi xử lý Atmega8 làm vi xử lý đệm trong quá trình truyền nhận tín hiệu.
Hình 3.16. Khối truyền nhận tín hiệu USB TO COM - Khối hiển thị: - Khối hiển thị:
Để có thể nhận biết đƣợc kết quả điều khiển có đƣợc thực hiện hay khơng thì trên khối hiển thị sẽ đƣa ra kết quả điều khiển vị trí của van.
Kết quả điều khiển đƣợc đƣa ra các đèn led 7 thanh tƣơng ứng với phần trăm mở van luân hồi.
- Khối công suất điều khiển động cơ:
Q trình đƣa tín hiệu từ vi xử lý ra điều khiển các chân của động cơ BLDC đƣợc thực hiện thông qua mạch công suất. Mạch cơng suất khi có tín hiệu điều khiển từ vi xử lý sẽ làm cho các transitor Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 và Q6 thơng mạch, khi đó các cuộn dây trong động cơ BLDC sẽ khép kín mạch và dịch chuyển. Số răng mà động cơ BLDC dịch chuyển đƣợc phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển các transitor theo chiều mở van ho c theo chiều đóng van. Các transitor Q1, Q2 và Q3 điều khiển q trình mở van ln hồi, cịn các transitor Q4, Q5 và Q6 điều khiển q trình đóng van ln hồi.
3.2.3.2. Xây dựng thu t tốn và chương trình điều khiển cho động cơ điện một chiều khơng chổi than
a. Chương trình trên vi xử lý
Quá trình điều khiển van luân hồi đƣợc lập trình trên bộ vi xử lý PIC10F727. Khi có tín hiệu bắt đầu điều khiển van đƣợc thực hiện từ giao diện máy tính. Vi xử lý sẽ vào chƣơng trình tính tốn hành trình của van. Vị trí hành trình của van đƣợc ngƣời điều khiển nhập vào thơng qua phần mềm kết nối với van. Vi xử lý sẽ xác định vị trí cần đến và đƣa ra tín hiệu điều khiển động cơ đạt đến vị trí đó.
- Sơ đồ thuật tốn
Trên sơ đồ Hình 3.19 thể hiện các bƣớc thực hiện điều khiển tín hiệu cho động cơ điện một chiều khơng chổi than.
Hình 3.19. Sơ đồ thuật tốn chương trình điều khiển van EGR
Bắt đầu Gán v trí động
cơ hiện tại là 0 Nhận v trí
cần đến
Đọc giá tr senser
Lƣu giá tr senser hiện tại, lƣu v trí hiện tại của động cơ
Đúng
Lấy giá tr điện áp đ t vào các pha So sánh với v trí hiện tại Đúng Sai Sai So sánh với giá tr senser trƣớc
b. Chương trình điều khiển trên máy tính PC được thể hiện trên Hình 3.20
Chƣơng trình đƣợc xây dựng b ng phần mềm Visual Basic. Với chức năng kết nối với bộ điều khiển van luân hồi. Khi bắt đầu chƣơng trình thử nghiệm ta kết nối phần mềm với mạch điều khiển thông qua biểu tƣợng kết nối trên giao diện.
Khi bắt đầu chƣơng trình thử nghiệm ta kết nối phần mềm với mạch điều khiển thông qua biểu tƣợng kết nối trên giao diện.
Để xác định lƣợng khí ln hồi trong q trình thử nghiệm ta tiến hành thay đổi hành trình của van b ng cách đ t các tỷ lệ khác nhau và ấn vào nút “SET”. Để kết thúc quá trình điều khiển van, ấn vào nút “CLOSE VALVE” trên giao diện.\
Kết quả điều khiển van EGR
Trên Hình 3.21 thể hiện vị trí lắp đ t van luân hồi trên động cơ D1146TI, khi lắp đ t van luân hồi cần lƣu ý chiều làm việc của van sao cho trong quá trình lƣu thơng của dịng khí thải vào đƣờng nạp đƣợc dễ dàng nhất.
Hình 3.20. Giao diện chương trình điều khiển van EGR
Trong q trình làm việc do dịng khí thải đi qua làm cho van nóng lên, do đó để van làm việc đƣợc bình thƣờng thì trong khi nghiên cứu và thử nghiệm cần lắp đ t hệ thống làm mát cho van phù hợp. Trong hệ thống này sử dụng nƣớc làm mát động cơ để làm mát cho van luân hồi. Tuy nhiên trong q trình lắp ghép cần có đệm cách nhiệt giữa vật liệu của đƣờng thải và vật liệu làm van để giảm nhiệt truyền tới van luân hồi.
Để tìm ra phƣơng pháp điều khiển van luân hồi phù hợp, tác giả đã lựa chọn nghiên cứu thiết kết mạch điều khiển van đƣợc lập trình trên máy tính. Việc tính tốn vị trí van đƣợc lập trình thơng qua giao diện điều khiển từ máy tính [16].
Sau khi nghiên cứu mạch điều khiển van hồn thiện thì van đƣợc lắp lên động cơ để đánh giá lại khả năng làm việc khi có dịng khí thải đi qua nhƣ thể hiện trên
Hình 3.22.
Khả năng làm việc của van đƣợc đánh giá thông qua độ ổn định của mạch điều khiển van, mạch điều khiển phải làm việc đƣợc trong thời gian dài. Đánh giá khả năng làm việc của van khi nhiệt độ van tăng lên do thời gian làm việc kéo dài, khi đó van vẫn phải làm việc bình thƣờng. Đồng thời, van đƣợc đánh giá khả năng thay đổi vị trí của van phù hợp với chƣơng trình điều khiển từ máy tính, khơng có hiện tƣợng vị trí van bị kẹt ho c khơng thay đổi vị trí van đƣợc.
3.3. Bố trí hệ thống luân hồi khí thải trên động cơ D1146TI
Trên không gian chứa động cơ cần bố trí các cụm chi tiết và các đƣờng ống
Hình 3.22. Vị trí lắp van điều khiển luân khồi khí thải trên động cơ D1146TI
Van EGR Van
dẫn khí luân hồi và ống làm mát khí luân hồi hợp lý sao cho không ảnh hƣởng đến làm việc của các hệ thống khác. Hình 3.23 thể hiện vị trí lắp đ t ống làm mát khí luân hồi trong phƣơng án luân hồi áp suất thấp trên động cơ.
- Ống làm mát khí luân hồi đƣợc bố trí trên động cơ, khí thải sẽ đƣợc trích một phần đi qua ống làm mát, tại đây khí thải có nhiệt độ cao sẽ trao đổi nhiệt với nƣớc làm mát (nƣớc làm mát đƣợc trích từ hệ thống làm mát của động cơ). Khí thải đi ra từ bộ trao đổi nhiệt có nhiệt độ thấp hơn và sẽ trở lại động cơ.
Hình 3.23. Lắp đặt hệ thống luân hồi khí thải trên động cơ D1146TI [12]
- Để khí thải có thể quay ngƣợc trở lại động cơ ta phải sử dụng ống venturi có kết cấu thích hợp đã đƣợc lựa chọn thiết kế ở phần trên và phải đảm bảo áp suất và lƣu lƣợng khí thải đi qua ống làm mát.
Kết luận chƣơng 3
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu nhƣ đã trình bày ở trên có thể đƣa ra các kết luận sau:
- Đƣa ra đƣợc phƣơng án thiết kế hệ thống luân hồi áp suất thấp lắp trên động cơ diesel tăng áp.
- Thiết kế tính tốn đƣợc hệ thống ln hồi áp suất thấp cho động cơ D1146TI - Thiết kế thành công bộ điều khiển van luân hồi EGR để lắp trên hệ thống luân hồi áp suất thấp.
- Lựa chọn phƣơng án lắp đ t hệ thống luân hồi trên động cơ D1146TI .
- Việc xác định tỷ lệ luân hồi theo từng chế độ sẽ đƣợc thực hiện theo đ c tính của van. Phần nội dung này sẽ đƣợc trình bày trong chƣơng sau.
Chƣơng 4. NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN VAN EGR TRONG HỆ THỐNG LUÂN HỒI ÁP SUẤT THẤP LẮP TRÊN ĐỘNG CƠ D1146TI 4.1. Mục đích điều khiển van EGR
Tỷ lệ khí luân hồi phụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ và độ mở van luân hồi. Vì vậy để xác định đƣợc tỷ lệ luân hồi cần phải nghiên cứu điều khiển van với độ mở khác nhau tại các chế độ làm việc của động cơ từ đó xác định đƣợc đ c tính của van luân hồi ứng với các chế độ làm việc của động cơ tức là xác định tỷ lệ luân hồi theo chế độ làm việc và độ mở van luân hồi.
4.2. Nội dung thử nghiệm
Để thực hiện mục tiêu trên, nghiên cứu thử nghiệm sẽ thực hiện các nội dung sau:
- Lắp đ t động cơ D1146TI trên băng thử.
- Kết nối các thiết bị thí nghiệm với động cơ D1146TI trên băng thử. - Vận hành động cơ và các thiết bị thí nghiệm.
- Thực hiện đo tỷ lệ khí luân hồi ở các mức độ mở van EGR và các chế độ làm việc khác nhau.
- Đo và đánh giá khả năng giảm NOx và mức độ tăng PM theo các tỷ lệ luân hồi.
- Thử theo chu trình ECE R49 và đánh giá kết quả
4.3. Đối tƣợng thử nghiệm
Sử dụng động cơ D1146TI, là loại động cơ đƣợc lắp phổ biến trên các loại xe xe bus đang đƣợc lƣu hành ở Việt Nam làm đối tƣợng thử nghiệm. Các thông số cơ bản của động cơ D1146TI đƣợc thể hiện nhƣ ở Bảng 4.1
Bảng 4.1. Các thông số kỹ thuật động cơ D1146TI
TT Thông số Ký hiệu Giá tr Đơn v
1 Kích thƣớc (L × W × H) 1169x812x1003 mm
2 Trọng lƣợng khô 745 kg
Hình 4.1. Sơ đồ bố trí thết bị thử nghiệm động cơ nghiệm động cơ Hình 4.2. Sơ đồ bố trí phịng thử động lực cao 4 Đƣờng kính xy lanh D 111 mm 5 Hành trình piston S 139 mm
6 Chiều dài thanh truyền L 230 mm
7 Mô men định mức (1400v/ph) Memax 735 Nm
8 Công suất định mức (2000v/ph) Nemax 151 kW
9 Suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất ge 206 g/kW.h
10 Tỷ số nén ε 16,7 . 11 Góc mở sớm xu páp nạp φ1 16 độ 12 Góc đóng muộn xu páp nạp φ2 36 độ 13 Góc mở sớm xu páp thải φ 3 46 độ