Hình 3. 11. Ký hiệu trên bulơng
Tính tốn kiểm nghiệm buồng cháy
Sử dụng phần mềm Ansys để mơ phỏng tính bền với buồng cháy, và kính quan sát cĩ kích thước sơ bộ và vật liệu chế tạo buồng cháy và kính quan sát như đã lựa chọn.
3.1.4.1. Kiểm nghiệm buồng cháy và kính quan sát
Xây dựng mơ hình
CVCC là một hình trịn rỗng trịn với đường kính trong là 80 mm, đường kính ngồi 200 mm, chiều cao 80 mm, chiều dày 60 mm. Trên buồng cháy cĩ lỗ để lắp vịi phun, quạt hịa trộn, bugi (Hình 3. 12). Kính quan sát được lựa chọn cĩ kích thước đường kính 100 mm và chiều dày 35 mm.
d M10 Đường kính bulơng tiêu
chuẩn
P 1,5 Bước ren
k 7,5 Chiều dày của giác
s 17 Chiều rộng của giác
Hình 3. 12. Mơ hình CVCC, kính quan sát và nắp CVCC
Điề u ki ệ n biên: Chia lưới mơ hình, với kính quan sát, số lượng phần tử 508760, số
nút 2089954, thân buồng cháy số lượng phần tử là 484098, số nút 679209, nắp buồng cháy số lượng phần tử 306578, số nút 437243 như trên hình (Hình 3. 13). Áp lực phân bố đều trên tồn bề mặt buồng cháy mặt kính quan sát và cĩ giá trị khơng đổi 80 bar (8 MPa). Trong khi mơ phỏng: vịi phun, quạt hịa trộn, bugi được liên kết chặt chẽ với thân CVCC bằng các bu lơng chịu lực cao. Điều kiện mơ phỏng được thể hiện trong Bảng 3. 10.
Hình 3. 13. Mơ hình chia lưới của buồng cháy, kính quan sát và nắp buồng cháy Bảng 3. 10. Điều kiện mơ phỏng của buồng cháy
Kết quả mơ phỏng: Hình 3. 14 và Hình 3. 15 chỉ ra rằng, khi tăng nhiệt độ của buồng cháy từ 2000C đến 10000C thì khơng ảnh hưởng đến các thơng số ứng suất, chuyển vị và truyền nhiệt của buồng cháy. Điều này cĩ thể được giải thích do vật liệu làm buồng cháy khơng ảnh hưởng đến mơ đun đàn hồi và độ bền của vật liệu chế tạo buồng cháy. Ứng suất cĩ xu hướng lớn dần từ ngồi vào phía trong buồng cháy và ứng suất, chuyển vị lớn nhất tập trung ở vị trí lắp ghép vịi phun và bugi. Ứng suất lớn nhất của buồng cháy khoảng 26,7 MPa. Với ứng suất này vật liệu làm buồng cháy đảm bảo đủ bền. Tổng chuyển vị của buồng cháy rất nhỏ 0.0000016 (m). chuyển vị tập trung ở những vị trí gia cơng để lắp ghép các chi tiết với nhau. Tuy nhiên khơng làm ảnh hưởng đến dung sai lắp ghép các chi tiết khác và khả năng làm việc của buồng cháy.
Bộ phận của CVCC Áp suất (MPa) 0
Nhiệt độ ( C)
Thân buồng cháy 8 200; 400; 1000
Nắp kính quan sát 8 200; 400; 1000
Hình 3. 14. Ứng suất, chuyển vị và truyền nhiệt của buồng cháy ở 4000C
Hình 3. 16. Ứng suất, chuyển vị và truyền nhiệt của kính quan sát ở 2000C
Hình 3. 18. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chuyển vị tương đương và truyền nhiệt đến kính quan sát
Hình 3. 16; Hình 3. 17; Hình 3. 18 cho thấy, nhiệt độ khơng ảnh hưởng đến ứng suất mà chỉ ảnh hưởng đến chuyển vị tương đương và truyền nhiệt của kính quan sát. Chuyển vị và truyền nhiệt của kính quan sát thay đổi là do mơ đun đàn hồi của vật liệu làm kính quan sát thay đổi theo nhiệt độ.
Truyền nhiệt giảm đi khi tăng nhiệt độ của buồng cháy, điều này cĩ thể được giải thích, khi tăng nhiệt độ thì độ chênh lệch nhiệt độ của hai bề mặt truyền nhiệt giảm dẫn đến truyền nhiệt giảm. Chuyển vị lớn nhất ở bề mặt tiếp xúc trực tiếp với áp suất cháy và giảm dần từ trong ra ngồi. Đối với truyền nhiệt thì xu hướng ngược lại với chuyển vị. Tức là, truyền nhiệt ở bề mặt bên ngồi của kính quan sát cĩ giá trị lớn nhất và giảm dần vào phía trong, theo kết quả mơ phỏng giá trị truyền nhiệt nhỏ nhất nằm ở tâm của kính và tiếp xúc trực tiếp với áp suất cháy. Ứng suất lớn nhất của kính quan sát tập trung ở bề mặt tiếp xúc trực tiếp với áp suất buồng cháy và cĩ giá trị lớn nhất khoảng 112.9 MPa và nhỏ nhất ở mặt ngồi quan sát giá trị vào khoảng 57 MPa. Với giá trị ứng suất như vậy, vật liệu làm kính quan sát đảm bảo đủ bền trong quá trình làm việc với áp suất 8 MPa và nhiệt độ 10000C.
Hình 3. 19. Ứng suất tương đương, chuyển vị và truyền nhiệt của nắp CVCC
Hình 3. 19 là kết quả mơ phỏng ứng suất, chuyển vị và truyền nhiệt của nắp buồng cháy. Giá trị ứng suất lớn nhất khi mơ phỏng (160 MPa) vẫn đảm bảo an tồn tuyệt đối cho nắp buồng cháy, cũng giống như thân buồng cháy khi nghiên cứu, nhiệt độ khơng ảnh hưởng đến ứng suất, chuyển vị và truyền nhiệt của nắp buồng cháy (vật liệu chế tạo nắp buồng cháy giống như vật liệu chế tạo thân buồng cháy). Chuyển vị lớn nhất ở phần tiếp xúc với áp suất trong buồng cháy và giảm dần theo hướng từ trong ra ngồi. Ngược lại, truyền nhiệt lại cĩ giá trị lớn nhất ở mặt ngồi và giá trị truyền nhiệt giảm dần theo hướng từ ngồi vào trong bề mặt tiếp xúc với áp suất cháy 8 MPa.
Thân buồng cháy, nắp buồng cháy và mặt bích là những chi tiết chính kết hợp với nhau tạo thành CVCC. Thân buồng cháy là chi tiết lớn nhất, nĩ chứa đựng các chi tiết khác của buồng cháy. Ngồi ra, nắp buồng cháy và mặt bích là hai chi tiết để giữ kính quan sát cố định trên thân buồng cháy. Dưới đây là quy trình gia cơng, chế tạo những chi tiết chính đĩ.
Chế tạo thân buồng cháy
Thân CVCC cĩ dạng hình trịn rỗng. Trên thân buồng cháy cĩ chứa nhiều chi tiết như: quạt hịa trộn, vịi phun nhiên liệu, đường khí nạp, thải, bugi, cảm biến áp suất và cảm biến nhiệt độ... Vì vậy, nĩ phải đảm bảo cứng vững và cĩ độ chính xác cao (Hình 3. 20).
Chế tạo nắp buồng cháy
Nắp buồng cháy là chi tiết liên kết với mặt bích bên trong để giữ cố định kính quan sát. Ba chi tiết này lắp kín khít với thân của buồng cháy để tạo thành CVCC. Vì vậy, nắp buồng cháy phải gia cơng chính xác để cĩ thể lắp giáp đảm bảo đúng kỹ thuật với các chi tiết cịn lại (Hình 3. 21).
Chế tạo mặt bích giữ kính quan sát
Mặt bích cĩ kích thước ngồi bằng với đường kính của nắp buồng cháy và đường kính trong bằng với đường kính của kính quan sát. Trong quá trình làm việc để tránh phá hỏng kính quan sát. Kích thước của mặt bích phải đảm bảo được gia cơng chính xác (Hình 3. 22).
Quy trình cơng nghệ chế tạo thân CVCC, nắp CVCC và mặt bích giữ kính quan sát được trình bày cụ thể trong PHỤ LỤC 1.
Hình 3. 21. Nắp CVCC
Hình ảnh thực tế sau khi gia cơng các chi tiết chính của CVCC (Hình 3. 23)
Hình 3. 23. Các chi tiết chính của buồng cháy sau khi gia cơng
3.3. Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển là sự kết hợp của hai phần mềm LabView và Arduino và thiết bị vi mạch điện tử Nano (Hình 3. 24). Đây là một hệ thống rất quan trọng của hệ thống CVCC. Hệ thống điều khiển cĩ nhiệm vụ cung cấp lượng khí nạp chính xác vào buồng cháy, điều khiển thời gian hoạt động của quạt hịa trộn, thời gian và thời điểm đánh lửa cũng như thời gian phun. Cơ sở thiết kế và chế tạo hệ thống này được trình bày chi tiết trong phụ lục. Giao diện của hệ thống điều khiển như trên (Hình 3. 25).
Hình 3. 25. Giao diện hệ thống điều khiển hoạt động của CVCC
Sơ đồ khối thuật tốn điều khiển
Sơ đồ khối thuật tốn điều khiển hệ thống CVCC như trên Hình 3. 26.
Nhập thời gian cấp khí (A): nếu A > 0 mở van khí cấp cho buồng cháy, A ≤ 0
van khí đĩng khơng cấp khí cho buồng cháy.
Nhập thời gian chạy quạt hịa trộn (B): nếu B > 0 quạt hoạt động theo thời gian
nhập vào, nếu B ≤ 0 quạt khơng hoạt động.
Nhập thời gian phun nhiên liệu (D) và thời gian đánh lửa (C): nếu D > 0 và C
> 0 thì hệ thống phun nhiên liệu và đánh lửa theo thời gian đã chọn. Ngược lại hệ thống khơng phun nhiên liệu và đánh lửa.
Nhập thời điểm phun nhiên liệu và thời điểm đánh lửa: nếu thời B > 0 và C >
0 thì hệ thống phun nhiên liệu vào buồng cháy và đánh lửa đốt cháy nhiên liệu mồi theo thời gian và thời điểm đã nhập vào.
Nếu nhập thời điểm đánh lửa sau thời điểm phun thì hệ thống sẽ phun trước
khi đánh lửa.
Nếu thời điểm đánh lửa và thời điểm phun nhỏ hơn khơng thì hệ thống khơng
phun và khơng đánh lửa.
Ngơn ngữ lập trình điều khiển
LabView (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là mơi trường ngơn ngữ đồ họa hiệu quả trong việc giao tiếp đa kênh giữa con người, thuật tốn và các thiết bị. Bởi vì chương trình LabView mơ phỏng giao diện và hoạt động của các thiết bị thực, chẳng hạn như dao động ký và thiết bị đo đa năng, chương trình LabView được gọi là thiết bị ảo (Virtual Instrument), thường gọi tắt là VI.
LabView trở thành một trong những cơng cụ phổ biến trong các ứng dụng thu thập dữ liệu từ cảm biến, phát triển các thuật tốn và điều khiển các thiết bị tại phịng thí nghiệm trên thế giới (Hình 3. 27).
LabView được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đo lường, tự động hĩa, cơ điện tử, robotics, vật lý, tốn học, sinh học, vật liệu, ơ tơ, ...
Hình 3. 27. Giao diện LabView
Chương trình LabView cĩ đặc điểm như sau: - Đồ họa và biên dịch.
- Đa mục tiêu và nhiều nền tảng. - Hướng đối tượng.
- Khả năng đa luồng và quản lý bộ nhớ.
Phần cứng Arduino
Arduino là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm nổi bật của Arduino là mơi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngơn ngữ lập trình cĩ thể học một cách nhanh chĩng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình. Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm.
Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế kỷ thứ 9 là King Arduin. Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005 như là một cơng cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sư Massimo Banzi, là một trong những người phát triển Arduino, tại trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII). Mặc dù hầu như khơng được tiếp thị gì cả, tin tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc độ chĩng mặt nhờ những lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên. Hiện nay Arduino nổi tiếng tới nỗi cĩ người tìm đến thị trấn Ivrea chỉ để tham quan nơi đã sản sinh ra Arduino.
Board Arduino Nano (Hình 3. 28) cĩ cấu tạo, số lượng chân vào ra là tương tự như board Arduino Uno. Tuy nhiên đã được tối giản về kích thước cho tiện sử dụng hơn. Do được tối giản rất nhiều về kích thước nên Arduino Nano chỉ được nạp “code” và cung cấp điện bằng duy nhất 1 cổng mini USB. Thơng số kỹ thuật của board Arduino nano thể hiện trong (Bảng PL1. 1).
Hình 3. 28. Board Arduino Nano
Lập trình điều khiển hệ thống
Hệ thống điều khiển CVCC chia làm hai trường hợp phun trước và phun sau thời điểm CNLM. Vì vậy, trong phần này lập trình ra hai chương trình điều khiển hệ thống và. Hình 3. 29 là Sơ đồ khối chương trình điều khiển hệ thống CVCC. Chương trình điều khiển hệ thống CVCC phun nhiên liệu hịa trộn trước và phun nhiên liệu hịa trộn sau thời điểm CNLM được viết cụ thể trong phụ lục. Dưới đây là Sơ đồ khối điều khiển hệ thống của phần mềm.
Hình 3. 29. Sơ đồ khối chương trình điều khiển
Chức năng của các phần tử (Phụ lục 02)
3.4. Các hệ thống khác
Bao gồm các hệ thống: hệ hống nhiên liệu áp suất cao (common Rail), hệ thống hịa trộn, hệ thống đánh lửa, hệ thống cung cấp khí, hệ thống cung cấp nhiệt, hệ thống làm mát, hệ thống thơng tin.
Hệ thống nhiên liệu áp suất cao (common Rail)
Hệ thống cung cấp nhiên liệu áp suất cao được sử dụng để cung cấp nhiên liệu áp cao cho buồng cháy. Động cơ ba pha được sử dụng để dẫn động bơm áp cao của hệ thống nhiên liệu Common-Rail. Vận tốc của bơm được điều khiển bằng biến tần (Hình 3. 30). Thơng số của các bộ phận chính thể hiện trong (Bảng PL1. 2). Chương trình
Labview được sử dụng để điều chỉnh áp suất phun và tốc độ của mơ tơ cho phù hợp.
Cơ chế điều khiển vịi phun được thể hiện như trên (Hình 3. 31). Hệ thống cung cấp nhiên liệu cung cấp đúng lượng nhiên liệu và đúng thời điểm cần thiết phải lập trình và thiết kế lại EDU của hệ thống cung cấp nhiên liệu ban đầu. Cơ sở thiết kế, chế tạo EDU này được trình bày chi tiết trong phụ lục 02.
Cấp nguồn điện ba pha cho mơ tơ dẫn động bơm áp cao được điều khiển bởi biến tần. Nhiên liệu được chuyển từ thùng nhiên liệu qua lọc nhiên liệu qua hệ thống làm mát, van SCV bơm thấp áp, bơm cao áp đến ống Rail sau đĩ nhiên liệu chờ ở vịi phun với áp suất cao 1500 bar. Nhiên liệu được phun vào buồng cháy theo tín hiệu điều khiển (hệ thống điều khiển CVCC) của chương trình của máy tính.
Hình 3. 30. Hệ thống nhiên liệu Common Rail
Hình 3. 31. Cơ chế điều khiển vịi phun
Hệ thống hịa trộn hỗn hợp
Hệ thống hịa trộn hỗn hợp cĩ nhiệm vụ hịa trộn hỗn hợp trong buồng cháy CVCC đồng nhất trước khi quá trình cháy diễn ra. Các chi tiết chính của quạt hịa trộn phải tính tốn thiết kế phù hợp với buồng cháy và đặc biệt khơng để hiện tượng lọt khí từ trong buồng cháy ra ngồi theo chiều dọc trục và đảm bảo quạt hịa trộn đủ bền trong quá trình làm việc bên trong buồng cháy. Các chi tiết chính cần thiết kế bao gồm: trục quạt, nắp đuơi, thân, nắp đầu. Hình vẽ các chi tiết được thể hiện (Hình 3. 32). Và sau khi lắp ghép lại quạt cĩ dạng như trong Hình 3. 33. Cánh của quạt hịa trộn làm việc trong điều kiện khắc nghiệt chịu nhiệt độ cao, áp suất cao và quay với tốc độ rất lớn vì vậy cĩ thể tận dụng cánh xả của turbo tăng áp của động cơ tăng áp.
Hịa trộn hỗn hợp khí đưa vào buồng cháy. Cánh quạt của thiết bị hịa trộn nằm ở phía trong buồng cháy (Hình 3. 34; Hình 3. 35). Trục của thiết bị hịa trộn được dẫn động bởi mơ tơ với các thơng số (Bảng PL1. 3; Bảng PL1. 4). Mơ tơ được điều khiển bằng hộp điều khiển phần mềm LabView. Vật liệu chế tạo cánh quạt phải chịu được nhiệt độ cao (hơn 10000C). Yêu cầu đối với thiết bị hịa trộn: Phải kín khít khơng để lọt khí ra bên ngồi, hoạt động nhẹ nhàng, chính xác. Hoạt động của quạt hịa trộn được điều khiển bằng máy tính thơng qua phần mềm LabView.
Hình 3. 32. Các bộ phận chính của quạt hịa trộn
Hình 3. 33. Hình dạng quạt hịa trộn lắp ráp
Hình 3. 34. Vị trí cánh quạt hịa trộn bên trong CVCC
Hệ thống đánh lửa
Hệ thống đánh lửa dùng để đốt cháy hỗn hợp của nhiên liệu mồi trong buồng cháy sau khi hỗn hợp đượ c hịa tr ộn bằ ng thiế t b ị hịa tr ộn (Hình 3. 36). Th ời điểm đánh lử a cĩ ảnh hưởng tr ự c ti ếp đế n sự hình thành h ỗ n hợp và quá trình cháy. Thời điểm đánh lử a được l ập trình điề u khi ể n th ời điể m và th ời gian b ằ ng ph ầ n m ề m LabvView và Arduino phù hợp vớ i hệ th ống CVCC nghiên c ứ u. Thơng s ố c ủa h ệ thống được th ể hiện trong (Bảng PL1. 5).
Hệ thống bao gồm: bugi đánh lửa, bơ bin đánh lửa, phần mềm điều khiển thời điểm