v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
3.2.3 Thuật toán điều khiển kết nối máy tính
-Thuật toán truyền giá trị từ vi xử lý lên máy tính
Mã start và stop có vai trò rất quan trọng trong truyền thông giữa máy tính và mạch ELC. Hai mã này cho phép quy định tín hiệu truyền nhận và thứ tự truyền nhận. Mã start để quy định bắt đầu quá trình truyền và mã stop quy định kết thúc quá trình truyền.
Hình 3.25 Sơ đồ thuật toán truyền giá trị
Ví dụ: cần truyền nhiệt độ LPG là 400
C - Gán mã start là 130 và mã stop là 131 - Quá trình truyền là 130/40/131. -Thuật toán nhận giá trị từ máy tính
Quá trình hoạt động của mạch được điều khiển bởi phần mền trên máy tính. Chính vì vậy mà lập trình vi xử lý ngoài lập trình cho quá trình truyền dữ liệu tới máy tính còn phải lập trình cho quá trình nhận dữ liệu và lệnh điều khiển từ máy tính.
Hình 3.26 Sơ đồ thuật toán thực thi lệnh từ máy tính
3.2.4 Chƣơng trình điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG
3.2.4.1 Chương trình điều khiển vòi phun
a) Cách thức điều khiển lượng nhiên liệu
Lượng nhiên liệu phun trong quá trình thí nghiệm được thay đổi bằng cách thay đổi độ rộng xung phun thông qua mạch đếm lập trình. Tức là khi đã xác định giá trị số của lượng nhiên liệu phun và khi có xung điều khiển phun thì mạch đếm xung nhịp sẽ đếm cho tới khi đạt đủ giá trị số bằng giá trị điều khiển ra. Khi bắt đầu đếm cũng là khi nâng xung điều khiển phun và khi giá trị đếm bằng giá trị điều khiển ra cũng là lúc hạ mức xung điều khiển phun xuống.
Hình 3.27 Nguyên lý điều khiển phun
Ví dụ: giá trị số điều khiển phun do vi xử lý tính toán 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 đủ 1800µs thì mạch đếm sẽ
-93-
hạ mức xung phun xuống mức thấp tương ứng ngừng phun và đồng thời ngừng đếm chờ xung điều khiển thời điểm phun tiếp theo.
b) Điều khiển lượng phun nhiên liệu
Lượng phun nhiên liệu thực tế được xác định bằng hai đại lượng sau:
Lượng phuncơ bản: Lượng phun cơ bản dựa vào tín hiệu tốc độ và vị trí chân ga.
Lượng phunhiệu chỉnh: Lượng phun hiệu chỉnh dựa vào các cảm biến còn lại (cảm biến nhiệt độ, áp suất LPG).
Lượng phun nhiên liệu là tổng của 2 đại lượng trên:
Lượng phun = lượng phuncơ bản + lượng phun hiệu chỉnh
Nghiên cứu này chỉ mới xác định lượng nhiên liệu phun cơ bản do quá trình thí nghiệm chủ yếu được thực hiện ở các chế độ ổn định, nhiệt độ động cơ đạt đến ổn định.
3.2.4.2 Thuật toán điều khiển vòi phun
a) Thuật toán điều khiển chung (Hình 3.28)
Sau khi bật khoá điện, ELC sẽ được cấp điện và sẵn sàng điều khiển quá trình phun nhiên liệu LPG theo các chế độ của động cơ. Quá trình phun LPG chỉ bắt đầu khi nhiệt độ động cơ lớn hơn 500C để đảm bảo nhiên liệu LPG hóa hơi hoàn toàn. Mỗi chế độ hoạt động của động cơ được đặc trưng bởi một biến trạng thái. Khi biến được đặt lên trạng thái
ON, ELC sẽ tự động chuyển xuống chương trình điều khiển lượng nhiên liệu phun ở chế độ đó. Khi biến trạng thái đặt xuống mức OFF, ELC sẽ tự động thoát khỏi chương trình cũ và chuyển đến chương trình có biến trạng thái ON khác. Khi không có biến trạng thái nào ở mức ON, ELC sẽ chuyển sang trạng thái chờ (bật khoá điện nhưng không phun nhiên liệu LPG) cho đến khi có một biến trạng thái ON được đưa về bộ điều khiển ELC.
-94-
b) Thuật toán điều khiển ở chế độ không tải (Hình 3.29)
Ở chế độ không tải, bộ điều khiển ELC sẽ kiểm tra liên tục vị trí chân ga thông qua cảm biến vị trí chân ga. Nếu giá trị vị trí chân ga đưa về ELC lớn hơn giá trị chân ga ở vị trí không tải, ELC sẽ điều khiển hệ thống chuyển sang chế độ chuyển tiếp từ không tải sang có tải (chuyen_tiep_KT_CT=on). Đồng thời, ELC sẽ kiểm tra liên tục tốc độ động cơ. Nếu tốc độ động cơ lớn hơn giới hạn tốc độ không tải chuẩn của động cơ (đối với động cơ thí nghiệm thì tốc độ đó là 900 vòng/phút) ELC sẽ điều khiển cắt nhiên liệu, quá trình phun trở lại khi tốc độ động cơ thấp hơn giới hạn tốc độ không tải chuẩn. Lượng nhiên liệu phun ở chế độ không tải là tổng của lượng phun cơ bản với lượng nhiên liệu phun hiệu chỉnh theo nhiệt độ và áp suất LPG.
Hình 3.29 Sơ đồ thuật toán điều khiển chế độ không tải c) Thuật toán điều khiển ở chế độ chuyển tiếp không tải - có tải (Hình 3.30)
Chế độ chuyển tiếp không tải - có tải nhằm mục đích để động cơ chuyển tiếp từ không tải sang có tải được êm dịu. Quá trình này diễn ra trong 20 vòng quay của động cơ bắt đầu từ khi vị trí chân ga lớn hơn vị trí không tải.
Khi có tín hiệu về chế độ chuyển tiếp, ELC sẽ kiểm tra liên tục giá trị của bien_chay (thể hiện số vòng quay của động cơ). Nếu giá trị của bien_chay > 20, ELC sẽ chuyển sang chế độ có tải bằng cách đặt biến chay_co_tai=on. Lượng nhiên liệu phun ở chế độ chuyển tiếp không tải - có tải là lượng nhiên liệu phun cơ bản và lượng nhiên liệu theo hàm của
-95-
Hình 3.30. Sơ đồ thuật toán điều khiển chế độ chuyển tiếp không tải - có tải d) Thuật toán điều khiển ở chế độ có tải (Hình 3.31)
Khi động cơ làm việc ở chế độ có tải, ELC sẽ kiểm tra liên tục vị trí chân ga thông qua cảm biến vị trí chân ga. Nếu giá trị này nhỏ hơn giá trị chân ga ở vị trí không tải ELC sẽ chuyển sang chế độ chuyển tiếp từ có tải sang không tải (chuyen_tiep CT_KT=on). Đồng thời, ELC sẽ kiểm tra liên tục tốc độ động cơ. Nếu tốc độ này lớn hơn giá trị giới hạn (3100 vòng/phút), ELC điều khiển cắt nhiên liệu nhằm đảm bảo độ bền của động cơ.
Lượng nhiên liệu phun ở chế độ này là tổng lượng phun cơ bản (tra theo tốc độ và tải trọng động cơ) và lượng phun hiệu đính theo nhiệt độ và áp suất LPG. Khi có tín hiệu tăng tốc ELC sẽ điều chỉnh phun thêm một lượng nhiên liệu, hoặc khi có tín hiệu giảm tốc ELC sẽ điều khiển cắt LPG. Lượng nhiên liệu phun thêm vào khi tăng tốc hoặc cắt bớt khi giảm tốc phụ thuộc vào mức độ thay đổi đột ngột của vị trí chân ga.
e) Thuật toán điều khiển ở chế độ chuyển tiếp có tải - không tải (Hình 3.32)
Cũng như chế độ chuyển tiếp từ không tải sang chế độ có tải. Chế độ này là quá trình đệm nhằm mục đích để động cơ chuyển tiếp từ có tải sang không tải được êm dịu. Quá trình cũng diễn ra sau 20 vòng quay của động cơ. Ở chế độ này, ELC sẽ kiểm tra liên tục giá trị của bien_chay. Nếu giá trị của bien_chay>20, ELC sẽ chuyển sang chế độ không tải bằng cách đặt mức trạng thái khong_tai=on. Lượng nhiên liệu phun ở chế độ này là tổng lượng phun ở chế độ không tải trừ đi lượng phun chuyển tiếp là hàm của bien_chay.
-96-
Hình 3.31 Sơ đồ thuật toán điều khiển chế độ có tải
-97-
3.2.5 Xây dựng giao diện điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG
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 công tắc,... trong quá trình thí nghiệm thì bộ điều khiển ELC phải được điều khiển từ máy tính. Trong đề tài, việc kết nối bộ điều khiển với máy tính được thực hiện bằng phần mềm kết nối Delphi. Với giao diện xây dựng trên phần mềm cho phép người thực hiện thay đổi được các thông số theo mục đích đặt ra (Hình 3.33). Trong suốt quá trình thí nghiệm, lượng LPG được điều khiển trực tiếp trên giao diện phần mềm này theo các chế độ cấp diesel cho động cơ.
Các tính năng chính của giao diện:
- Điều chỉnh lượng phun LPG trong 1 chu trình nhờ điều khiển thời gian phun. - Điều chỉnh thời điểm phun LPG.
- Thu nhận tín hiệu từ các cảm biến như: Tốc độ động cơ, vị trí chân ga, lưu lượng khí nạp, nhiệt độ khí nạp, áp suất phun LPG, nhiệt độ LPG, lượng LPG cung cấp.
- Các chức năng đóng mở van điện từ và đóng mở vòi phun.
- Thực hiện quá 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.
Hình 3.33 Giao diện chương trình điều khiển quá trình phun LPG Các chức năng khác:
- Biểu diễn bằng đồ thị sự thay đổi tốc độ động cơ
- Biểu diễn bằng độ thì sự thay đổi lượng nhiên liệu LPG cung cấp (kg/h) - Lưu giữ kết quả thử nghiệm.
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 hiểu rõ hơn về quá trình phun LPG. 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.
-98-
3.3Kết luận chƣơng 3
Để ứng dụng nhiên liệu LPG trên động cơ diesel một cách hiệu quả, đảm bảo cải thiện các vấn đề tồn tại đặt ra trong các nghiên cứu trước đây, thì vấn đề nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG phù hợp cho động cơ là cần thiết.
Trong chương này, tác giả đã thiết kế và chế tạo được bộ điều khiển cung cấp LPG (ELC) cho động cơ AVL 5402 có khả năng điều chỉnh lượng cung cấp LPG phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ theo yêu cầu đặt ra, đảm bảo cho động cơ hoạt động ổn định ở tất cả các chế độ làm việc.
Hệ thống cung cấp LPG được thiết kế chế tạo là cơ sở quan trọng cho việc thực hiện các nghiên cứu sâu về sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel cho động cơ nghiên cứu.
-99-
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
4.1Mục đích, đối tƣợng và trang thiết bị thử nghiệm 4.1.1 Mục đích thử nghiệm 4.1.1 Mục đích thử nghiệm
Quá trình thử nghiệm trên hai loại động cơ diesel đặc trưng chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel trên băng thử nhằm đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel với tỷ lệ LPG thay thế lớn nhất. Đặc biệt là đánh giá một số tính năng mà nghiên cứu mô phỏng chưa chỉ ra được như giới hạn kích nổ và sự rung động khi tăng tỷ lệ LPG thay thế.
4.1.2 Đối tƣợng và nhiên liệu thử nghiệm
Đối tượng là động cơ diesel AVL 5402 trang bị hệ thống nhiên liệu tích áp và động cơ diesel thương mại D1146TI trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống rất phổ biến trên xe buýt tại Hà Nội. Các thông số cơ bản của các động cơ này được trình bày ở phụ lục 1.21.
Nhiên liệu thử nghiệm gồm nhiên liệu diesel thường dùng có hàm lượng lưu huỳnh <500ppm và LPG được chứa trong bình chứa có tỷ lệ về thể tích của propan/butan là 50/50. Phẩm chất LPG và diesel được trình bày trong phụ lục 1.6 và 1.7.
4.1.3 Trang thiết bị thử nghiệm
4.1.3.1 Băng thử
Hệ thống băng thử động cơ nghiên cứu AVL 5402 (phụ lục 1.13) là một cụm các hệ thống riêng biệt kết hợp lại với nhau tạo thành một hệ thống thiết bị thử nghiệm và nghiên cứu động cơ đốt trong gồm Băng thử điện Dyno-AMK, động cơ nghiên cứu 1 xilanh 5402, hệ thống làm mát dầu bôi trơn và nước làm mát AVL577, thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu Fuel Balance 733S, hệ thống điều khiển và giám sát băng thử PUMA, phần mềm điều khiển INCA điều khiển ECU cung cấp nhiên liệu cho động cơ, thiết bị đo diễn biến áp suất trong xilanh INDICATING, thiết bị xác định nồng độ khí thải CEB-II, thiết bị xác định độ mờ khói Opacimeter 439, Smoke Meter và một số thiết bị phụ trợ khác.
Cụm quan trọng nhất của hệ thống băng thử là cụm phanh điện Dyno-AMK có chức năng như máy phát điện, trong đó từ trường tương hỗ giữa rotor và stator tạo ra mô men cản với rotor và cân bằng với mô men dẫn động từ động cơ (trục rotor được nối với trục khuỷu động cơ). Cường độ từ trường tương hỗ giữa rotor và stator được điều chỉnh để thay đổi mô men cản trên trục dẫn động từ động cơ. Khả năng thay đổi mô men phanh thích hợp cho việc điều khiển tự động ở các chế độ thử của động cơ. Cụm phanh có chức năng làm việc ở chế độ máy phát (phanh đối với động cơ) và chế độ động cơ điện (kéo động cơ quay). Khi băng thử làm việc ở chế độ máy phát thì điện năng sinh ra sẽ qua bộ biến tần để hòa vào lưới điện. Băng thử có thể thử nghiệm động cơ có mô men lớn nhất là 105 Nm, công suất lớn nhất là 45 kW và tốc độ của băng thay đổi từ 0 đến 8000 vòng/phút.
-100-
Hệ thống băng thử để thử nghiệm động cơ D1146 TI (phụ lục 1.14)có thiết bị chính là phanh APA100 tạo tải cân bằng với công suất của động cơ phát ra, từ đó xác định được mômen và công suất động cơ của động cơ. Suất tiêu hao nhiên liệu được xác định bằng cân nhiên liệu. Khí thải động cơ được lấy mẫu và phân tích hàm lượng các chất thải độc hại (CO, CO2, NOx, HC, PM) bằng các thiết bị phân tích khí. Điều kiện nhiệt độ của động cơ (nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ dầu bôi trơn, nhiệt độ nhiên liệu) được điều chỉnh chính xác bởi các bộ điều chỉnh nhiệt độ. Các tín hiệu về nhiệt độ (nước, dầu, nhiên liệu, khí nạp, khí xả) và áp suất (dầu bôi trơn, nhiên liệu, môi trường) được thu nhận từ các cảm biến gắn trên các đường ống dẫn và đưa về bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và hiển thị trên màn hình máy tính. Việc cung cấp nhiên liệu diesel được điều khiển bởi bộ kéo ga Throttle Actuator THA100. Lượng tiêu hao nhiên liệu được xác định theo phương pháp khối lượng qua cân nhiên liệu Fuel Balance 733. Các chế độ làm việc của động cơ và các dữ liệu đo đạc được điều khiển, thu nhận và xử lý bởi các phần EMCON và PUMA.
Phanh điện APA100 có thể hoạt động được ở chế độ phanh điện và động cơ điện. Tác dụng tương hỗ giữa lực từ của stator và rotor sẽ tạo ra tải trọng cho động cơ hoặc lực kéo động cơ đốt trong quay. Lực này được đo bởi một cảm biến lực trên băng thử để xác định mô men. Thay đổi giá trị của lực này bằng cách thay đổi cường độ dòng điện vào băng thử. Tốc độ quay của băng thử được xác định bằng cảm biến tốc độ kiểu đĩa quang. Băng thử được trang bị các hệ thống điều khiển, xử lý số liệu tự động và hiển thị kết quả như PUMA, EMCON300, Concerto và ISAC300, giúp cho quá trình điều khiển được dễ dàng và bảo đảm kết quả thử nghiệm chính xác.
4.1.3.2 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu
Cân nhiên liệu AVL733S (phụ lục 1.15) đo lượng diesel tiêu thụ của động cơ bằng cách cân lượng nhiên liệu trong bình chứa. AVL733S có thể đo liên tục lượng nhiên liệu trong một khoảng thời gian từ khi đầy bình đến khi nhiêu liệu trong bình giảm tới mức 0.
Bắt đầu quá trình đo, nhiên liệu được cấp đầy vào thùng đo. Lúc này lực tỳ lên cảm biến lưu lượng là lớn nhất. Van điện từ đóng lại ngăn không cho dòng nhiên liệu vào thùng đo trong khi đường cấp vào động cơ vẫn mở. Đồng thời với quá trình đó thì bộ phận đếm thời gian hoạt động. Khi nhiên liệu trong thùng chảy hết đồng nghĩa với lực tỳ lên cảm