100
d. Mạch điện kết nối và điều khiển
Các cảm biến Loadcell, Encoder, Servo motor, modun PWM kết nối với máy tính thơng qua board mạch vi điều khiển Arduino Uno R3. Thuật tốn chương trình
điều khiển được viết đảm bảo yêu cầu thiết kế của bộ tạo tải, giúp cho người sử
dụng dễ dàng điều khiển và ln đảm bảo an tồn trong q trình vận hành.
Hệ thống có thể kết nối với máy tính điều khiển với khoảng cách xa (sử dụng dây USB nối dài tối đa 25m). Có thể điều khiển vị trí bướm ga, phần điều khiển bướm ga phải đảm bảo khi có sự cố về điện hoặc hệ thống truyền lực từ động cơ đến bộ tạo tải phải tự động ngắt ga của động cơ và tắt máỵ Có thể tự động thay đổi
tải và ổn định tốc độ động cơ theo yêu cầụ
Toàn bộ thiết bị của bộ tạo tải động cơ xe gắn máy thử nghiệm được trình bày trên hình 4.4. 4 5 1 6 3 2
Hình 4.4: Sơ đồ cấu tạo bộ tạo tải động cơ xe gắn máy
1. Động cơ thử nghiệm, 2. Khớp truyền động, 3. Loadcell, 4. Khung, 5. Phanh điện, 6. Quạt làm mát 6 5 4 3 2 1
101
4.2.2. Thiết bị phân tích khí xảđộng cơ MGT5
Hình 4.5: Sơ đồngun lý xác định nồng độ khí thải của thiết bị MGT5 [90] 1. Đường lấy ga chuẩn; 2. Cảm biến độ chênh lệch áp suất; 3. Buồng đo phân tích khí CO, CO2, HC, NOx; 4. Cảm biến áp suất khí quyển; 5. Bộ phân tích O2; 6. Bơm khí; 7. Van đóng mởđiện; 8. Bộ lọc khí; 9. Bộ lọc than hoạt tính; 10. Bộ tách nước; 11. Bơm nước; 12. Đường nước ra; 13. Đường lấy mẫu; 14. Đường lấy khí sạch; 15. Đường khí ra; 16. Hệ thống dẫn khí; 17. Chi tiết làm kín; 18.Phần tùy chỉnh; 19. Giao diện điều khiển; 20. Bộ phận hiển thị; 21. Bộ chuyển đổi tín hiệụ
MGT 5 là thiết bị phân tích khí xả của hãng MAHA-Đức. Với thiết kế nhỏ gọn nhưng tích hợp nhiều chức năng như phân tích khí xả động cơ xăng, động cơ LPG hay động cơ sử dụng khí thiên nhiên CNG. Thiết bị có thể sử dụng di động
hoặc sử dụng ở các Trung tâm Đăng kiểm xe cơ giới với khả năng nối mạng
(Eurosystem) và giao diện phần mềm đơn giản, dễ sử dụng.
Nguyên lý đo của thiết bị dựa trên hiện tượng hấp thụ tia hồng ngoại của các
thành phần khí có trong khí xả. Khi chiếu tia hồng ngoại đi qua các khí như là CO, CO2, HC, NOx ta sẽ nhận được thành phần quang phổ thể hiện thành phần các khí nàỵ
102
(a) (b)
(c)
Hình 4.6: Thiết bị phân tích khí xảđộng cơ xăng MGT5ạ Buồng phân tích khí xảđộng cơ xăng; b. Đầu lấy mẫu khí xả; ạ Buồng phân tích khí xảđộng cơ xăng; b. Đầu lấy mẫu khí xả;
c. Phần mềm điều khiển Eurosystem.
Mẫu khí xả cần kiểm tra được lấy từ ống xả xe gắn máy thông qua đầu lấy mẫu (hình 4.6b). Khí xả sẽ được tách hơi nước và đưa vào buồng đọ Buồng đo là một ống tròn dài, hai đầu được lắp bộ phát và bộ thu tia hồng ngoạị Phụ thuộc vào khả năng hấp thụ tia hồng ngoại của từng khí, khi đi qua buồng đo các tia này sẽ thay đổi về bước sóng thể hiện qua quang phổ nhận được ở đầu thụ Thơng qua
quang phổ thiết bị tính tốn sẽ phân tích được nồng độ các chất có trong lượng khí xả và hiển thị lên chương trình trên màn hình máy tính (hình 4.6c).
Thiết bị phân tích khí xả động cơ xăng MGT5 đã được chuẩn hoá bởi nhà sản xuất; đồng thời định kỳ hằng năm, thiết bị này đã được Cục Đăng kiểm Việt Nam
tiến hành kiểm tra, kiểm chuẩn thiết bị, cấp phép hoạt động cho Trung tâm Đăng
kiểm, nên thiết bị đạt u cầu với độ chính xác caọ Vì vậy, sai số của các phép đo thành phần khí thải của thiết bị là rất thấp. Thông số kỹ thuật thiết bị phân tích khí xả MGT5 được trình bảy ở bảng 4.1.
103
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật thiết bị phân tích khí thải MGT5
Đặc điểm Thành phần khí thải CO [%Vol] CO2 [%Vol] HC [ppm Vol] O2 [%Vol] NOx [ppm Vol] Dải đo 0-15 0-20 0-2000
(đối với Hexan)
0-4000
(đối với propan)
0-25 0-5000
Độ sai số 0,03 0,5 10 0,1
32-120 (phụ thuộc vào dải đo)
Phương pháp đo Phân tích hồng ngoại khơng phân tán Phân tích hồng ngoại khơng phân tán Phân tích hồng ngoại khơng phân tán Phân tích điện hóa Phân tích điện hóa Độ chính xác 0,001 0,01 0,1 0,01 1
4.3. Chuyển đổi xe gắn máy chạy xăng sang chạy bằng LPG-ethanol
4.3.1. Hệ thống phun xăng PGM-FI của động cơ J52C xe Honda RSX
Hệ thống phun xăng điện tử (PGM-FI-Programmed Fuel Injection) chia làm 03 nhóm chính: các cảm biến cung cấp các tín hiệu vào, ECM động cơ với vai trị là bộ xử lý trung tâm và các cơ cấu chấp hành thực hiện tín hiệu đầu rạ
Khác với bộ chế hịa khí, việc cung cấp nhiên liệu xăng của hệ thống phun
xăng điện tử được thực hiện thơng qua một vịi phun trên đường ống nạp, đặt sau bướm gạ Khi bật khóa điện, bơm xăng được cấp điện và bắt đầu làm việc vận
chuyển xăng đến vòi phun với một áp suất nhất định. Áp suất phun được giữ ổn
định nhờ bộ điều áp được bố trí bên cạnh bơm xăng đặt trong bình nhiên liệụ Lượng nhiên liệu phun ra từ vòi phun ở một chế độ nhất định được quyết định bởi
tín hiệu của các cảm biến gởi về cho ECM. ECM xử lý các tín hiệu đó theo một
104
cơng tác của động cơ. Các cảm biến sử dụng làm tín hiệu điều khiển lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ bao gồm: cảm biến áp suất khí nạp (MAP), cảm biến vị
trí bướm ga (TP), cảm biến nhiệt độ khí nạp (IAT), cảm biến nhiệt độ dầu động cơ
(EOT), cảm biến oxygen, cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP). Hình 4.7 giới thiệu vị trí của các cảm biến trên xe và trên động cơ [89].
3 4 1 2 6 5 7 8 9 10 11 1 ECM 6 3 2 5 4 7 8 9 10
Hình 4.7: Bố trí các cảm biến trên động cơ và trên xe gắn máy Honda RSX 1. Cảm biến áp suất khí nạp (MAP), 2. Cảm biến vịtrí bướm ga (TP), 3. Cảm biến 1. Cảm biến áp suất khí nạp (MAP), 2. Cảm biến vịtrí bướm ga (TP), 3. Cảm biến
nhiệt độ khí nạp (IAT), 4. Cảm biến oxygen, 5. Cảm biến nhiệt độ dầu động cơ (EOT), 6. Cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP), 7. Bơm nhiên liệu, 8. ECM, 9. Accu,
10. Khóa điện, 11. Hub đấu dây dữ liệu
Từ tốc độ cầm chừng đến tốc độ cao, vòi phun phun một lượng nhiên liệu chính xác vào cổ góp của đường trong ống nạp, trên cơ sở tính tốn lượng khơng
khí nạp cung cấp vào động cơ. Khoảng thời gian mở vòi phun được tính bởi giản đồ
được lưu trong bộ nhớ ECM theo cơng thức dựa vào tín hiệu của các cảm biến MAP, IAT, TP...
Khi động cơ lạnh, ECM điều chỉnh lượng nhiên liệu bằng cách kéo dài thời
gian mở kim phun tương ứng với tín hiệu điện áp từ cảm biến ECT, trong khi đó
ECM điều khiển van IACV để đưa thêm lượng khơng khí vào để duy trì tốc độ cầm
105
Khi gia tốc, bướm ga bị mở đột ngột, ECM điều chỉnh lượng nhiên liệu theo
điện áp đầu ra của cảm biến TP, phụ thuộc vào điều kiện hoạt động của động cơ, kim phun được mở lâu hơn để phun nhiều nhiên liệu hơn vào trong xylanh, tạo ra hệ
số tương đương lý tưởng. Khi bướm ga đóng nhanh và phanh động cơ, ECM phát
hiện vị trí bướm ga và áp suất nạp qua cảm biến TP và cảm biến CKP và chuyển
thời gian phun về vị trí phun cầm chừng.
4.3.2. Thiết kế mạch điều khiển phun nhiên liệu xăng-LPG-ethanol
4.3.2.1. Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu lỏng/khí
Trên cơ sở nghiên cứu hệ thống PGM Fi trên đây, tôi tiến hành thiết kế hệ
thống phun nhiên liệu lỏng/khí cho xe gắn máy Honda RSX Fi 2014. Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu lỏng/khí được giới thiệu trên hình 4.8.
Xăng/Ethanol Bơm Ổnáp Lọc Arduino EC U Điều chỉnh Tỉ lệ nhiên liệu B C C A B 1 2 3 4 5 6 7
Hình 4.8: Sơđồ hệ thống cung cấp đa nhiên liệu liệu xăng-ethanol-LPG cho động cơ xe gắn máy
1. Cảm biến vịtrí bướm ga, 2. Cảm biến áp suất khí nạp, 3. Cảm biến áp suất nhiên liệu, 4. Cảm biến tốc độ, 5. Cảm biến kích nổ, 6. Cảm biến nhiệt độ thành xi lanh,
7.Cảm biến oxygen, Ạ Tín hiệu điều khiển vịi phun nhiên liệu lỏng, B. Tín hiệu điều khiển vịi phun nhiên liệu khí, C. Tín hiệu điều khiển đánh lửa
106
Hệ thống gồm 02 vịi phun được lắp phía sau bướm ga: vòi phun nhiên liệu lỏng để phun ethanol, xăng hay các loại nhiên liệu lỏng khác, vòi phun nhiên liệu
khí để phun LPG. Vịi phun nhiên liệu lỏng là vịi phun xăng được giữ ngun vị trí.
Vịi phun LPG không nhất thiết phải lắp thẳng vào đường nạp mà có thể lắp ở bất kỳ vị trí nào thuận tiện gần nơi đặt ống phun (nozzle). Ống phun LPG được nối với miệng vòi phun LPG bằng ống mềm. Hình 4.9 giới thiệu họng nạp sau khi đã cải
tạo và lắp ống phun LPG.
(a) (b) (c) Hình 4.9: Họng nạp nguyên bản (a), lỗkhoan để lắp vòi phun thứ hai (b),
họng nạp sau cải tạo (c)
Khi bật khóa điện, bơm nhiên liệu được cấp điện và bắt đầu bơm nhiên liệu
đến vòi phun. Áp suất nhiên liệu luôn ổn định nhờ bộ điều áp được bố trí bên cạnh
bơm nhiên liệụ Đồng thời van điện từ mở, LPG được dẫn đến vịi phun nhiên liệu
khí sau khi qua bộ ổn áp.
Như đã mô tả trên đây, khi động cơ chạy bằng xăng thì thời gian nhấc kim phun xăng do ECU cung cấp dựa trên thông tin từ các cảm biến gửi về: cảm biến áp
suất khí nạp (MAP), cảm biến vị trí bướm ga (TP), cảm biến tốc độ động cơ, cảm
biến oxygen.
Khi động cơ chạy bằng hai nhiên liệu lỏng/khí được cấp qua hai vịi phun độc lập thì thời gian mở các vòi phun được cung cấp bởi vi điều khiển Arduinọ Vi điều khiển nhận tín hiệu điều khiển vịi phun xăng (ngun thủy) sau đó chia thành
hai nhánh tín hiệu điều khiển với thời gian mỗi nhánh được xác định theo tỷ lệ nhiên liệu cần cung cấp. Phương pháp này giúp chúng ta tận dụng được toàn bộ cấu
107
trúc của hệ thống phun xăng cũ, giúp cho việc cải tạo hệ thống nhiên liệu của động
cơ gọn nhẹ, đơn giản.
VÒI PHUN 1 VÒI PHUN 2 VỊI PHUN 3 (-) (+) (-) (+) Acquy OUT (+) PWM GND DC (-) DC (+) OUT (-) OUT (+) PWM GND DC (-) DC (+) OUT (-) OUT (+) A R D U I N O U N O 0 1 2 3 4 5 6 8 9 10 7 11 12 13 AREF A0 A1 A2 A3 A4 A5 RESET 5V GND PO WE R D IGITA L (P WM ) VIC AN AL O G IN PWM GND DC (-) DC (+) OUT (-) MP1584 GND 3,5V GND Rgỉ l?p GND VCC SDA SCL bỉn tr?
Hình 4.10: Sơđồ nối dây mạch vi điều khiển
Sơ đồ mạch vi điều khiển hệ thống phun đa nhiên liệu được trình bày trên
hình 4.10. Trong sơ đồ này chúng ta thiết kế thêm cổng điều khiển vòi phun thứ ba
để sử dụng khi nghiên cứu phun 3 loại nhiên liệu xăng, ethanol và LPG riêng rẽ.
4.3.2.2. Sơ đồ kết nối ICU điều khiển phun LPG-ethanol và ECM của động cơ
Sơ đồ kết nối cụ thể của ICU điều khiển phun LPG-ethanol và ECM của động cơ như hình 4.11. Xung điều khiển vòi phun xăng của động cơ trước khi cải
tạo được đưa vào chân số 3 của vi điều khiển Arduino thông qua IC cách ly quang PC817. Tín hiệu điều khiển vịi phun LPG được xuất ra từ chân 8 cịn tín hiệu điều
108
khiển vòi phun ethanol được xuất ra từ chân 9. Biến trở điều chỉnh tỉ lệ độ rộng xung ethanol/LPG được đấu vào cực GND, cực dương 5V và chân analogue Ao.
Các tín hiệu điều khiển vòi phun dẫn đến chân điều khiển các Mosfet cách ly quang.
Dòng điện điều khiển các vịi phun có điện áp 12V được cấp thơng qua Mosfet.
Hình 4.11: Sơ đồ kết nối ICU điều khiển phun LPG-ethanol và ECM của động cơ
Nguyên lý hoạt động của ICU như sau:
Khi ECM phát xung điều khiển vòi phun xăng (như trước khi cải tạo), vi điều khiển sẽ nhận thông tin ở chân số 3 với trạng thái RISING. Khi kết thúc xung
phun, chân số 3 ở trạng thái FALLING. Các mốc thời gian ở hai trạng thái này cho
phép chúng ta tính tốn được độ rộng xung phun xăng và thời điểm phun. Biến trở
cung cấp thông tin qua chân Ao, thông qua hàm MAP, độ rộng xung được chia thành tp_LPG và tp_Ethanol để phát tín hiệu điều khiển các vòi phun LPG và ethanol
tương ứng. ECM ARDUINO GND 3 Ao 8 +5V 9 PC817
Xung điều khiển vòi phun xăng
Vòi phun LPG
Vòi phun Ethanol +12V
Mosfet HW-532BLR7843
109
4.3.2.3. Sơ đồ thuật toán điều khiển các vịi phun
Hình 4.12. Sơ đồ thuật tốn điều khiển các vịi phun
Hình 4.12 giới thiệu sơ đồ thuật tốn điều khiển các vịi phun được cài đặt vào
vi điều khiển. Ethanol ở trạng thái lỏng, có nhiệt ẩn bốc hơi cao nên cần được phun
trước để lợi dụng lúc nhiệt độ đường nạp còn cao cho việc bốc hơi, LPG phun ngay sau đó. Hình 4.13 giới thiệu xung xác định ĐCT, xung đánh lửa, xung vòi phun LPG
- Khai báo tham số - Khai báo các thư viện Arduino sử dụng
- Gán các chân vi điều khiển
Cài đặt trạng thái ban đầu các chân vi điều khiển
- Chân 3 : INPUT_PULLUP - Chân 8 : OUT PUT
- Chân 9 : OUT PUT
Điều kiện kích hoạt chân 3
RISING/FALLING
Xác định trạng thái chân 3
RISING : Thời điểm bắt đầu xung phun xăng FALLING: Thời điểm kết thúc xung phun xăng
Độ rộng xung phun xăng
Độ rộng xung phun
Ethanol
Thời điểm bắt đầu phun Ethanol
Thời điểm kết thúc phun Ethanol
Thời điểm bắt đầu phun LPG
Thời điểm kết thúc phun LPG
Độ rộng xung phun
110
và xung vòi phun ethanol. Xung điều
khiển các vòi phun chỉ xuất hiện trong kỳ nạp. Xung đánh lửa chỉ xuất hiện vào cuối kỳ nén.
Hình 4.13: Xung xác định ĐCT, xung phun LPG, xung phun ethanol và xung phun LPG, xung phun ethanol và xung
đánh lửa
Các hình 4.14 a, b, c, d giới thiệu sự thay đổi độ rộng các xung phun khi tăng tải động cơ.
Hình 4.14: Biến thiên độ rộng các xung điều khiển vòi phun ethanol và LPG khi tăng tải động cơ ethanol và LPG khi tăng tải động cơ
Khi bướm ga mở rộng, độ rộng xung điều khiển vòi phun xăng do ECM phát ra tăng, khi đó ICU tự động điều chỉnh độ rộng các xung phun LPG, ethanol tương
111
ứng. Luận án này chỉ tập trung nghiên cứu hệ thống điều khiển các vịi phun ethanol
và LPG, khơng nghiên cứu điều chỉnh góc đánh lửa sớm. Vì vậy xung đánh lửa do ECM của động cơ điều khiển.
4.4. Thử nghiệm xe gắn máy chạy bằng nhiên liệu LPG-ethanol trên
đường thực
4.4.1. Chuẩn bị nhiên liệu
Xe gắn máy Honda Wave RSX 2014 sau khi cải tạo động cơ J52C sang hệ thống nhiên liệu để cung cấp nhiên liệu khí/lỏng xong được tiến hành thử nghiệm trên đường thực. Để có thể so sánh hiệu quả trong việc sử dụng nhiên liệu, thử
nghiệm được tiến hành với nhiên liệu xăng-ethanol và LPG-ethanol với các thành phần nhiên liệu khác nhaụ Thành phần nhiên liệu được tính theo tỷ lệ khối lượng.
Đối với xăng-ethanol, nhiên liệu được cân và hòa trộn trước theo tỷ lệ thay đổị Hỗn
hợp nhiên liệu sau đó được cung cấp qua vịi phun xăng. Hỗn hợp nhiên liệu được
cân trước và sau mỗi thử nghiệm để tính qng đường trung bình ứng với 1 kg hỗn
hợp nhiên liệụ Đối với nhiên liệu LPG-ethanol, quá trình cung cấp nhiên liệu được