Phần ruột của ống venturi

d. Vị trí đặt ống luân hồi

Nhƣ đã phân tích ở trên, ống luân hồi phải đ t ở vị trí bóp dịng của đƣờng nạp. Tuy nhiên để xem xét ảnh hƣởng của vị trí đ t ống đến q trình lƣu động của dịng khí nhƣ thế nào ta sẽ thay đổi vị trí đ t ống để thay đổi vị trí khí thải bắt đầu đi vào đƣờng nạp. Ta sẽ mô phỏng 3 trƣờng hợp đ t ống khác nhau (với cùng góc đ t và tiết diện thu hẹp).

Lệch trái Chính giữa Lệch phải

Hình 3.6. Các vị trí đặt ống venturi

e. Đường kính thu hẹp

Đây đƣợc coi là yếu tố quan trọng nhất, nó quyết định khả năng luân hồi khí thải vào đƣờng nạp. Với mỗi một chế độ làm việc của động cơ, ta phải xác định

đƣờng kính thu hẹp d0 đảm bảo hai yêu cầu: đáp ứng đƣợc tỷ lệ khí luân hồi và tổn

thất khí động là nhỏ nhất.

Tham khảo trong một số tài liệu [16], ống venturi có hệ số thu hẹp nhỏ nhất

rmin ≈ 0,1. Với hệ số thu hẹp r = 0,1 chắc chắn đảm bảo khí thải đi vào đƣờng nạp

với tỷ lệ tối đa. Sau đó ta sẽ tăng r đến rmax để giảm đƣợc tổn thất khí động mà vẫn

đảm bảo tỷ lệ khí luân hồi ứng với mỗi chế độ làm việc của động cơ. Việc xác định hệ số thu hẹp r sẽ đƣợc thực hiện thông qua việc mô phỏng trên Fluent với bộ dữ liệu đầu vào đƣợc xác định qua việc mô phỏng trên AVL Boost.

3.2.2. Thiết kế ống làm mát khí luân hồi

3.2.2.1. Cơ sở thiết kế

Khí ln hồi có nhiệt độ cao nên khi đƣa quay trở lại vào động cơ sẽ sấy nóng và làm giảm mật độ khí nạp. Vì vậy phải làm mát khí luận hồi. Khí luân hồi đƣợc

làm mát bởi các biện pháp: làm mát b ng khí nén và làm mát b ng nƣớc làm mát động cơ.

Trên động cơ D1146TI việc bố trí hệ thống làm mát b ng khí nén rất khó khăn hơn nữa hiệu quả làm mát kém. Do đó lựa chọn giải pháp làm mát b ng nƣớc từ hệ thống làm mát động cơ để làm mát khí luân hồi là hợp lý vì nó khơng làm ảnh hƣởng nhiều đến việc bố trí thiết bị trên động cơ. Trong phƣơng pháp này sẽ trích một phần nƣớc làm mát động cơ cho đi qua ống làm mát khí luân hồi.

Để thiết kế ống làm mát khí luân hồi vừa đảm bảo tính năng kỹ thuật đồng thời giảm đƣợc nhiệt độ khí luân hồi sau khi qua ống làm mát thì cần phải xác định đƣợc

nhiệt lƣợng làm mát khí luân hồi (Qlmklh) đi qua ống làm mát. Ta phải dựa vào

phƣơng trình cân b ng nhiệt, tức là lƣợng nhiệt làm mát khí luân hồi phải b ng với lƣợng nhiệt do nƣớc làm mát đi qua ống làm mát khí luân hồi và đƣợc thể hiện b ng phƣơng trình cân b ng nhiệt nhƣ sau:

Qlmklh Qn (3.1)

Trong đó:

* Qn: Lƣợng nhiệt nƣớc làm mát khí luân hồi đƣợc xác định theo công thức:

Qn Gn.Cn.tn (3.2)

Với: n

G : Lƣợng nƣớc tuần hoàn trong hệ thống trong 1 đơn vị thời gian và đƣợc

xác định theo công thức:

n

C : Tỷ nhiệt của môi chất làm mát (J/kgđộ). Với nƣớc Cn= 4187 J/kgđộ (1,0

kcal/kgđộ).

n

t

 : Hiệu nhiệt độ nƣớc vào và ra két làm mát, với:

tn tnvtnr (3.3)

* Qlmklh : Lƣợng nhiệt làm mát khí ln hồi.

lmklh

Do đó truyền nhiệt từ khí luân hồi (trong ống dẫn khí luân hồi) ra nƣớc làm mát (nƣớc làm mát bao xung quanh ống làm mát khí luân hồi) diễn ra trong ống làm mát khí luân hồi là sự truyền nhiệt từ môi chất này đến môi chất khác qua thành mỏng. Nhƣ vậy q trình truyền nhiệt có thể phân ra làm ba giai đoạn ứng với ba phƣơng trình truyền nhiệt thể hiện trên Hình 3.7 là:

- Giai đoạn 1: Từ khí luân hồi đến m t thành ống bên trong:  1 1 1 1  .F t t Qlm  klh (3.4)

- Giai đoạn 2: Từ m t thành ống bên trong qua thành ống đến m t ngoài ống:     1 1 2 2 .F t t Qlm   (3.5)

- Giai đoạn 3: Từ m t ngoài của thành ống đến nƣớc làm mát khí luân hồi:  n lm F t t Q 3 2. 2 2 (3.6) Vậy: 3 2 1 lm lm lm lmklh Q Q Q Q    (3.7) Với: 3 2 1, lm , lm lm Q Q

Q : Là nhiệt lƣợng của khí luân hồi truyền tới thành ống bên trong,

qua thành ống, m t ngoài thành ống đến nƣớc làm mát, đơn vị tính là (J/s).

1

 : Hệ số tản nhiệt từ khí luân hồi đến thành trong của ống dẫn khí luân hồi,

đơn vị (W/m2.độ).

: Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống dẫn khí luân hồi, đơn vị (W/m2.độ)

ho c (kcal/m.h0C). Với Đồng: λ = 83,9 ÷ 126, Thép khơng gỉ: λ = 9,3 ÷ 18,6.

 : Chiều dày của thành ống dẫn khí luân hồi (m).

2

 : Hệ số tản nhiệt từ m t thành ngồi ống dẫn khí ln hồi vào nƣớc làm mát,

đơn vị (W/m2.độ) ho c (kcal/m.h0C), trong đó 2 phụ thuộc chủ yếu vào lƣu lƣợng

nƣớc làm mát

Khí luân hồi vào Khí luân hồi ra Nƣớc làm Mát khí luân hồi Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3

Hình 3.7. Các giai đoạn trao

1

F : Diện tích tiếp xúc giữa m t trong của ống với khí luân hồi (m2).

2

F : Diện tích tiếp xúc giữa m t ngồi ống với nƣớc làm mát (m2).

2

1, 

 t

t : Nhiệt độ trung bình của m t trong và ngồi thành ống dẫn khí ln hồi.

n klh t

t , : Nhiệt độ trung bình của khí ln hồi và nƣớc làm mát qua ống dẫn khí

luân hồi.

Giải các phƣơng trình (3-4), (3-5), (3-6) ta tính đƣợc: - Nhiệt lƣợng cần làm mát cho khí luân hồi:

klh n klh n lm F t t kF t t F F F F Q       2 2 2 1 2 1 2 1 1 1 1     (3.8)

- Diện tích m t ngồi ống dẫn khí luân hồi (F2):

klh n lm t t k Q F   2 (3.9)

Với k là hệ số truyền nhiệt tổng quát của ống dẫn khí luân hồi: 2 1 2 1 2 1 1 1 1        F F F F k (3.10) 3.2.2.2. Thiết kế

Dựa vào các công thức tính tốn ở trên, ta thiết kế đƣợc ống làm mát khí luân hồi có kế cấu nhƣ trên Hình 3.8.

Số lƣợng ống dẫn khí luân hồi bên trong ống làm mát nhiều hay ít phụ thuộc vào lƣu lƣợng và nhiệt độ khí luân hồi

qua ống. Để tính số lƣợng ống dẫn khí luân hồi, ta dựa vào công thức (3.5; 3.6; 3.7;

Hình 3.8. Kết cấu ống làm mát khí luân hồi

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 ln 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 mơ 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 luân hồi trong không 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 ln 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 dòng 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 thơng giữa máy tính và vi xử lý đƣợc thực hiện thông qua bộ truyền nhận nối tiếp USB TO COM với vi xử lý Atmega8 làm vi xử lý đệm trong q 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 cơng 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 công 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 thông 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