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, vịi 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 công 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 khơng 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 vòi 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 VÒI 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 thơng qua IC cách ly quang PC817. Tín hiệu điều khiển vòi phun LPG được xuất ra từ chân 8 cịn tín hiệu điều
108
khiển vịi 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.
Dịng điện điều khiển các vịi phun có điện áp 12V được cấp thông 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 tốn 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
thực hiện qua hai vòi phun riêng rẽ. Tỷ lệ nhiên liệu được điều chỉnh nhờ thay đổi
độ rộng xung điều khiển các vịi phun như đã mơ tả ở phần trên. Tỷ lệ nhiên liệu và
tiêu hao nhiên liệu thực tế được xác định bằng cân từng loại nhiên liệu trước và sau mỗi thử nghiệm.
4.4.2. Điều kiện thử nghiệm
- Đường Nguyễn Tất Thành, với mật độ phương tiện giao thơng thưa;
- Nhiệt độ ngồi trời: 28 ÷ 32C, có gió biển nhẹ;
- Tốc độ thử nghiệm trung bình: 50 ÷ 60 [km/h];
- Xe chở 02 người và bình nhiên liệu LPG loại 13 kg.
112
4.4.3. Kết quả thử nghiệm
Thử nghiệm được tiến hành 04 lần, quãng đường xe gắn máy chạy được trung bình ứng với 1 kg nhiên liệu/hỗn hợp nhiên liệu như bên dưới:
Bảng 4.2: Kết quả chạy xe trên đường thực
Chếđộ thử dùng Quãng đường thử
100% xăng 80 km
100% LPG 100 km
50% xăng- 50% LPG 65 km
70% LPG- 30% ethanol 77 km
Kết quả chạy thử nghiệm trên đường thực ứng với tỷ lệ nhiên liệu ethanol/xăng, ethanol/LPG khác nhau được trình bày trên hình 4.16.
Hình 4.16: Quãng đường xe gắn máy chạy được ứng với 1 kg nhiên liệu/hỗn hợp nhiên liệu theo tỉ lệ ethanol/xăng, ethanol/LPG
Kết quả hình 4.16 cho thấy quãng đường xe gắn máy chạy được ứng với 1 kg hỗn hợp nhiên liệu giảm khi tăng hàm lượng ethanol trong nhiên liệụ Điều này có thể giải thích là do nhiệt trị của ethanol thấp hơn xăng hay LPG (nhiệt trị của ethanol là 29,7 MJ/kg so với xăng 46,4 MJ/kg và LPG 49,3 MJ/kg). Khi chạy bằng
xăng-ethanol thì quãng đường/kg hỗn hợp nhiên liệu giảm gần như tuyến tính theo hàm lượng ethanol trong hỗn hợp. Tuy nhiên khi xe chạy bằng LPG-ethanol thì
0 10 20 30 40 50 60 Etha/Xăng, Etha/LPG (%m) Q uã ng đ ườ n g ( k m/ k g h ỗ n h ợ p N L ) 110 100 90 80 70 60 50
113
quãng đường chạy được giảm nhanh khi tăng hàm lượng ethanol. Điều này là do khi tăng hàm lượng ethanol thì một mặt nhiệt trị nhiên liệu giảm và mặt khác tính ưu
việt của LPG đối với quá trình cháy cũng giảm.
Kết quả thử nghiệm trên đây cho phép ta hiệu quả sử dụng hỗn hợp LPG- ethanol tốt hơn so với hỗn hợp xăng-ethanol. Điều này đã được khẳng định trong tính tốn mơ phỏng. Tuy nhiên đây là kết quả thử nghiệm hiệu quả tổng thể trên
đường thực. Để có thể so sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng chúng ta cần đo thêm
công suất động cơ trên bộ tạo tải động cơ để đảm bảo tính chính xác.
Phần dưới đây sẽ trình bày kết quả thử nghiệm động cơ xe gắn máy chạy bằng LPG-ethanol trên bộ tạo tải động cơ.
4.5. Thử nghiệm xe gắn máy chạy bằng nhiên liệu LPG-ethanol trên bộ
tạo tải động cơ 4.5.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm + + 11 12 13 14 15 16 Hình 4.17: Sơ đồ bố trí thí nghiệm
1. Động cơ Honda RSX xăng/ ethanol- LPG; 2. Phanh điện; 3. Cell load; 4.Encoder; 5. Điện trở; 6. Accu; 7. Mạch điều chỉnh dịng điện kích thích; 8. Vi
114
điều khiển Arduino; 9. Máy tính; 10. ECU động cơ RSX; 11. Vòi phun LPG; 12. Vịi phun xăng/ethanol; 13. Bình chứa ethanol; 14. Bình chứa LPG; 15. Cân điện tử;
16. Cân điện tử
Hình 4.17 giới thiệu sơ đồ bố trí thí nghiệm, hệ thống gồm động cơ LPG- ethanol thử nghiệm được kết nối với phanh điện 2 nhờ khớp nối mềm. Trên trục khớp nối bố trí hệ thống encoder 4 để đo tốc độ. Nhiên liệu ethanol 13 và LPG 14
được cung cấp vào đường nạp động cơ thử nghiệm thơng qua các vịi phun 12 và
11. Mức độ tiêu hao nhiên liệu và tỷ lệ nhiên liệu thực tế được xác định bằng cân điện tử 15 và 16.
Tín hiệu vịi phun xăng từ ECU 10 được dẫn đến vi điều khiển 8 để tách
thành 2 xung có tỷ lệ độ rộng xung được điều chỉnh nhờ máy tính 9. Dịng điện kích
thích máy phát điện (phanh điện) do accu 6 cung cấp và được điều chỉnh nhờ mạch điện 7 thông qua vi điều khiển 8. Tải cố định 5 được điều chỉnh nhờ điều chỉnh điện áp đầu ra máy phát thông qua điều chỉnh dịng điện kích thích.
Stator của phanh điện được quay tự do quanh trục của nó, lực cản cân bằng với lực điện từ được xác định nhờ Loadcell 3.
Hệ thống được điều khiển tự động bằng máy tính 9. Ứng với một chế độ tải của động cơ (thể hiện qua vị trí bướm ga) và một giá trị tốc độ động cơ được cài đặt
trước, máy tính sẽ điều chỉnh dịng điện kích thích máy phát để giữ cân bằng. Nhờ
vậy việc thực hiện thí nghiệm đơn giản, đảm bảo độ tin cậy và an toàn.
4.5.2. Lắp đặt động cơ xe gắn máy lên bộ tạo tải động cơ
Hình 4.18: Ống dẫn dầu bôi trơnđộng cơ
Ống dẫn dầu bôi trơn Trục khuỷu Nắp máy cải tạo Ống báo mức dầu
115
Động cơ J52C đã được tháo bỏ phần hộp số để kết nối trực tiếp trục khuỷu động cơ đến bộ tạo tải động cơ. Do động cơ thử nghiệm đã bị tháo bỏ phần nắp máy và được thay thế bằng một nắp máy mới sát thân động cơ làm ảnh hưởng đến đường
dầu nhớt bôi trơn trục khuỷu và thành xy lanh nên động cơ đã được lắp một đường dầu bên ngoài trực tiếp từ bơm nhớt phun vào trục khuỷu động cơ, đảm bảo động cơ
được bơi trơn đầy đủ trong q trình thử nghiệm (hình 4.18).
Hệ thống làm mát của động cơ có vai trị quan trọng làm giảm bớt lượng nhiệt lượng truyền từ buồng cháy động cơ đến các chi tiết lân cận như piston, xéc
măng, xylanh… Đảm bảo duy trì nhiệt độ động cơ ở một giới hạn nhất định để các
chi tiết hoạt động tốt và lâu dàị Trong quá trình thử nghiệm, động cơ được quạt làm mát của cơ cấu bộ tạo tải làm mát liên tục.
Hình 4.19: Gá đặt động cơ lên bộ tạo tải không cần tháo rời động cơ
116
Động cơ sau khi được cải tạo được lắp đặt lên giá của cơ cấu bộ tạo tải động cơ; để đơn giản việc gá đặt, giá của bộ tạo tải động cơ được bắt chặt vào khung