KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1. Mục đích và nội dung nghiên cứu thực nghiệm
4.2. Trang thiết bị nghiên cứu
4.2.1. Các thiết bị của bộ tạo tải động cơ 4.2.1.1. Phanh điện
Phanh điện được cải tạo từ một máy phát điện để tạo ra mô men cản. Nguyên lý làm việc tương tự như phanh cơ khí hay phanh thử thủy lực, chỉ khác môi trường truyền mô men là môi trường điện từ. Roto của phanh điện được nối với trục của động cơ cần đo, stato có thể dao động tương đối quanh trục. Khi động cơ hoạt động thì roto quay theo, dưới tác dụng của lực từ trường stato có xu hướng quay theo. Để giữ stato ở trạng thái cân bằng, chúng ta phải tác dụng một lực ngược chiều với chiều quay của stato. Tiến hành đo giá trị của lực này ta sẽ tính được mô men do động cơ gây ra.
Để đơn giản trong quá trình thay đổi tải cản tạo ra từ phanh điện, ta kết nối trực tiếp đầu ra của phanh với một điện trở tải không đổi. Điện trở này được tính toán sao cho dòng điện sinh ra trong quá trình phanh làm việc không vượt quá dòng điện định mức của máy phát điện trước khi cải tạo. Việc điều chỉnh tải của phanh được thực hiện bằng cách điều chỉnh từ thông máy phát thông qua thay đổi dòng điện kích từ với phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM (Pulse-Width Modulation) sử dụng vi điều khiển Arduino kết với với mô đun PWM công suất.
Nguồn kích thích là nguồn ngoài với điện áp cố định; tốc độ, mô men và công suất được đo và tính toán thông qua cảm biến tốc độ, cảm biến lực. Hệ thống được kết nối và điều khiển thông qua máy tính PC. Tốc độ động cơ và tải cản được điều chỉnh hoàn toàn tự động. Người điều khiển và hệ thống được vận hành cách ly đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành hệ thống.
Theo yêu cầu và mục đích thí nghiệm động cơ đã nêu ở trên, tôi chọn máy phát điện Mitsubishi, có điện áp định mức Uđm=24V, dòng điện định mức Iđm=110A sử dụng trên ô tô tải hạng nặng. Máy phát điện có thể tạo ra mô men cản 35 Nm, cho phép tốc độ rotor lên đến 5000 vg/ph. Giả sử ở tốc độ điện áp đầu ra máy phát khoảng 4 lần điện áp định mức. Để đảm bảo dòng điện stator không vượt giá trị định mức, chúng ta chọn điện trở thuần gây tải R=1.
98 b) Cảm biến lực -Loadcell
Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện. Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là
“Strain gauge” và thành phần còn lại là “Load“. Strain gauge là một điện trở đặc biệt, có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổn định, được dán chết lên “Load”, một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi. Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành 1 cầu điện trở Wheatstone. Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng gây giãn hoặc nén, điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của điện trở strain gauges dán trên thân loadcell dẫn đến một sự thay đổi giá trị của các điện trở strain gauges. Sự thay đổi này dẫn tới sự thay đổi trong điện áp đầu ra. Sự thay đổi điện áp này là rất nhỏ, do đó nó chỉ có thể được đo và chuyển thành số sau khi đi qua bộ khuếch đại.
Một đầu loadcell được lắp vào đầu tay đòn hàn cứng vào vỏ phanh điện, đầu còn lại được lắp cố định vào khung của bộ tạo tải động cơ như hình 4.1. Việc lắp đặt loadcell cần phải chính xác theo phương vuông góc với cần kéo tránh để loadcell bị nghiêng sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo mô men và công suất khi thử nghiệm.
Loadcell được hiệu chuẩn thông qua các quả cân chuẩn loại 2kg; 4kg; 6kg và 8kg. Sử dụng một quả cân chuẩn 2kg móc vào đầu dưới của loadcell. Tín hiệu điện áp từ loadcell được gửi về máy tính, mỗi cặp thông số giá trị khối lượng trên cân điện tử và giá trị điện áp từ loadcell ta có được một điểm của đường đặc tính loadcell. Với mỗi điểm sau khi xác định xong ta thay đổi quả cân chuẩn khác (lần lượt 4kg, 6kg, 8kg…) cho đến khi giá trị khối lượng trên cân tương đương với mức đo tối đa của loadcell.
L
F Phanh điện
Tay đòn
Loadcell Vi điều khiển
Nguồn Tín hiệu
Hình 4.1: Sơ đồ lắp đặt Loadcell
99 c) Cảm biến tốc độ động cơ
Trong phạm vi đề tài này sử dụng encoder để xác định tốc độ của động cơ.
Encoder gồm một đĩa mã có khắc vạch sáng tối, đặt giữa nguồn sáng và transistor quang (phototransistor) như hình 4.2.
Hình 4.2: Cấu tạo và sơ đồ mạch điện của encoder tương đối 1. Trục; 2. Ổ bi; 3. Giá đỡ trục; 4,10. Đĩa mã có khắc vạch;
5. Bộ thu phát hồng ngoại; 6. Vỏ; 7. Lỗ trống nhỏ; 8. Lỗ trống lớn;
9. Điện trở; 11. Điốt quang; 12. Phototransistor; 13. Tín hiệu ra.
Khi đĩa quay, cảm biến sẽ nhận được tín hiệu các xung vuông tương ứng cho ra tín hiệu mức 1 và tín hiệu mức 0. Trên cơ sở đếm số xung và thời gian chúng ta tính được tốc độ động cơ.
Điều khiển bướm ga: Việc điều khiển được thực hiện bằng cách kết nối đầu dây ga vào đầu xoay của mô tơ servo và điều khiển mô tơ thông qua mạch vi điều khiển ARDUINO trên hình 4.3. Mô tơ được chọn trong mô hình là JX Servo BLS- 12V7146 có mô men xoắn điều khiển tối đa là 46 kG.cm.
Hình 4.3: Kết nối servo với vi điều khiển Arduino
100 d. Mạch điện kết nối và điều khiển
Các cảm biến Loadcell, Encoder, Servo motor, modun PWM kết nối với máy tính thông qua board mạch vi điều khiển Arduino Uno R3. Thuật toán 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 luôn đảm bảo an toàn trong quá 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 máy. Có thể tự động thay đổi tải và ổn định tốc độ động cơ theo yêu cầu.
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 xả động cơ MGT5
Hình 4.5: Sơ đồ nguyên 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 mở điện; 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 hiệu.
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 này.
102
(a) (b)
(c)
Hình 4.6: Thiết bị phân tích khí xả động cơ xăng MGT5 a. Buồng phân tích khí xả động 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 đo. Buồng đo là một ống tròn dài, hai đầu được lắp bộ phát và bộ thu tia hồng ngoại. 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 thu. Thông qua quang phổ thiết bị tính toán 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 yêu cầu với độ chính xác cao. 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 không phân
tán
Phân tích hồng ngoại
không phân tán
Phân tích hồng ngoại không
phân tán
Phân tích điện hóa
Phân tích điện hóa Độ chính
xác 0,001 0,01 0,1 0,01 1