Báo cáo nghiên cứu khoa học: " ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN VÀO BỘ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG CUNG CẤP LPG CHO ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC" ppt

Trên cơ sở phân tích các phương pháp điều khiển cung cấp nhiên li ệu cho động cơ đốt trong bằng cơ khí và điện, chúng ta thiết kế chế tạo mạch điều khiển điện tử cung cấp nhiên liệu LPG,

ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN VÀO BỘ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG

APPLICATION OF MICROCONTROLLER IN A REGULATOR TO

AUTOMATICALLY SUPPLY LIQUEFIED PETROLEUM GAS FOR SI ENGINES

Trần Thanh Hải Tùng

Nguy ễn Văn Phụng

Học viên Cao học khóa 2005 – 2008

TÓM T ẮT

Trong nh ững năm gần đây, vi điều khiển đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các

h ệ thống điều khiển chính xác Trên cơ sở phân tích các phương pháp điều khiển cung cấp nhiên li ệu cho động cơ đốt trong bằng cơ khí và điện, chúng ta thiết kế chế tạo mạch điều khiển điện tử cung cấp nhiên liệu LPG, họng khuếch tán và van cung cấp LPG Chúng được chạy thử, sửa chữa, hoàn thiện, đo đạc các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ thí nghiệm khi dùng LPG, xăng và so sánh k ết quả thực nghiệm với tính toán lý thuy ết Bài báo này trình bày phương án nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động sử dụng vi điều khiển và động cơ bước cung c ấp nhiên liệu LPG cho động cơ ôtô thế hệ mới góp phần tiết kiệm nhiên liệu và giảm thi ểu ô nhiễm môi trường

ABSTRACT

In recent years, microcontroller has been widely used in highly precision control system

On the basis of analyzing the mechanical and electrical control methods of supplying combustion engines fuel, we have designed and manufactured a LPG mixer, a LPG supplying valve and an electronic circuit to automatically control LPG supplying They had been test run, adjusted and perfected We surveyed the economic technical quota of experimental engine as using LPG and using petrol Then we compared economic and technical benefits of prototype engine using LPG versus conventional fuel This paper presents a solution to conducting research into the design and manufacturing of a regulator with microcontroller to control stepper motor in order to automatically supply liquefied petroleum gas for a new generation automobile engines which will increase fuel efficiency and minimize environment pollution

1 Gi ới thiệu

Thành tựu của ngành điện tử, công nghệ thông tin và ch uyên ngành động cơ nhiệt đóng góp đáng kể vào tiến bộ khoa học, phát triển kỹ thuật và được ứng dụng nhiều trên ôtô Trước đây, việc cung cấp nhiên liệu LPG, nhờ bộ phụ kiện LPG/xăng,

phụ thuộc vào sự đóng-mở các van tiết lưu bằng cơ khí hay điện Nhận thấy điều khiển

tự động có thể kiểm soát cung cấp nhiên liệu và theo dõi quá trình cháy trong động cơ đánh lửa cưỡng bức Muốn động cơ hoạt động tiết kiệm nhiên liệu, hiệu quả và thỏa mãn quá trình cháy lý tưởng ; thiết nghĩ sử dụng vi điều khiển và động cơ bước (stepper motor) sẽ đáp ứng được việc cung cấp tự động LPG cho động cơ sao cho hệ số dư lượng

không khí α ≈ 1[2] Công trình này thiết kế một mạch điện tử điều chỉnh tự động van

tiết lưu dạng chốt côn trên đường

cung cấp chính , lắp một họng

khuếch tán trên đường nạp và một

van chân không có gắn gicleur trên

đường không tải

Khi thực nghiệm, chọn

động cơ DAEWOO A16 DMS lắp

trên ôtô NUBIRA do hãng

DAEWOO Hàn Quốc sản xuất năm

2001, được sử dụng khá phổ biến ở

Việt Nam hiện nay Đây là động cơ

Dual Overhead Cam L- 4 1.6L

DOHC phun xăng đi ện tử, tỷ số nén

9,5; đường kính cylinder 79 mm;

hành trình piston 81,5 mm; công

suất của động cơ phun xăng là 77,8

kW ở tốc độ 5800 v/ph [6], [7]

2 Tính toán quá trình cung c ấp LPG cho động cơ

2.1 Cơ sở lý thuyết

Động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể làm việc bằng hai nhiên liệu khi hệ thống nhiên liệu mới (LPG) không ảnh hưởng đến hoạt động hệ thống nhiên liệu nguyên thủy (xăng) Trong phần này , chúng ta tính toán các chế độ cung cấp nhiên liệu LPG vào đường nạp động cơ thực nghiệm nhờ họng khuếch tán

2.2 Các ch ế độ cấp nhiên liệu lý thuyết cần thiết cho động cơ thực nghiệm

Lưu lượng nhiên liệu LPG cung cấp ở chế độ % bướm ga (BG) & tốc độ động cơ (n):

0

n 3600

 



2.2.1 Lưu lượng nhiên liệu LPG cung cấp ở chế độ v ị trí 100% BG và n = 5800 [v/ph]:

3 LPG

1,119 5800 3600

2.60 0, 962.15, 5335



2.2.2 Lưu lượng nhiên liệu LPG cung cấp ở chế độ vị trí 75% BG, n = 4000 [v/ph]

3 LPG

1,119 4000 3600

2.60 1, 035.15, 5335



2.2.3 Lưu lượng nhiên liệu LPG cung cấp

ở chế độ vị trí 50% BG, n = 3000 [v/ph]

G 0, 45.4.0, 3995.1031,119 3000 3600 =4,76[kg/h] (2.3)

LPG điều khiển tự động

1: Van điện từ; 2: Bộ hóa hơi - giảm áp; 3: Van cung cấp

bướm ga; 7: Đường ống nạp vào cylinder; 8: Gicleur không

2.2.4 Lưu lượng nhiên liệu LPG cung cấp ở chế độ vị trí 25% BG, n = 2000 [v/ph]

3 LPG

1,119 2000 3600

2.60 0,886.15, 5335



2.2.5 Lưu lượng nhiên liệu LPG cung cấp ở chế độ vị trí 10%BG, n = 1000 [v/ph]

3 LPG

1,119 1000 3600

2.60 0,809.15, 5335



2.3 Tính toán van ti ết lưu cung cấp LPG

Độ chân không tại họng khuếch tán của động cơ

thực nghiệm ở chế độ toàn tải:

2 2

.

h

d

µ

[N/m2

2 3

h



]

=9725[N /m2

Đường kính tiết diện ống dẫn khí LPG vào họng

khuếch tán :

]

5

3 c

LPG tt

4.f 4.2, 05266.10

3,14





2.3.1 Ti ết diện lưu thông của khí LPG qua van tiết lưu:

Phương trình Bernoullie tại hai mặt

cắt 1-1, 2–2 có dạng:

(2.6)

Tổng tổn thất năng lượng của nhiên

liệu LPG khi qua van cung cấp:



  0,6 + 1,54 +1,10+0,39+0,34 = 3,97

Diện tích tiết diện ống dẫn khí LPG vào van:

f1

2

0, 005 4

≥3,96.π =7,8.10-5 [m2 Đường kính tiết diện ống dẫn khí LPG vào van tiết lưu:

]

3 1

4.f 4.7,8.10







Mật độ phân tử của nhiên liệu LPG ở trước và sau chốt van không đổi, do đó

phương trình liên tục đối với dòng chảy khí LPG: v1.f1 = v2.F2

.h '

2



Tiết diện lưu thông của nhiên liệu qua van cung cấp:

2.3.2 Độ dịch chuyển của chốt van cung cấp LPG

Độ dịch chuyển của chốt van cung cấp LPG theo phương x là hàm x(fx

x

.D.sin D.sin 2 .sin sin 2 f x

.sin sin 2



):

Độ dịch chuyển của chốt van cung cấp LPG theo tín hiệu của cảm biến vị trí

bướm ga là hàm x(V):

x = - 0,0381.V² +1,5425.V + 1,2298 [mm] (2.8)

2.4 Thiết lập mạch điều chỉnh tự động

2.4.1 Các yêu c ầu của mạch điều chỉnh

− Giao tiếp và nhận được tín hiệu của cảm biến

− Xử lý mọi thông tin về quá trình cháy LPG

− Điều khiển chính xác và kịp thời van tiết lưu

2.4.2 Nguyên tắc hoạt động của m

− Nhiên liệu LPG cấp vào họng khuếch tán nhờ van

cung cấp chính dạng chốt côn

ạch điều chỉnh

− Khi khởi động, mạch điều chỉnh nhận tín hiệu

của cảm biến bướm ga, xử lý và truyền xung

đến động cơ bước làm cho chốt van di chuyển

− Lúc động cơ hoạt động, độ chân k hông tại

họng thay đổi phụ thuộc tốc độ động cơ và

độ mở bướm ga Khi độ chân không tăng ở

họng, mật độ không khí giảm dần nhưng

khối lượng riêng LPG không thay đổi nên

làm cho hòa khí đậm dần nhiên liệu không

cháy kiệt, thải ra ngoài và tiêu hao nhiên liệu

tăng [4] Nồng độ oxygen trong khí thải

giảm, cảm biến oxy kiểm soát, gởi tín hiệu

đến mạch điều chỉnh xác định tỷ số A/F, so

với giá trị lý thuyết và truyền xung điều

khiển tới van hãm cấp LPG

3

2

7

5

8

10

1

6

4

9

Lưu lượng kế đo LPG không tải; 6: Van tiết lưu

khuếch tán; 9 Bộ hóa hơi; 10: Mạch cảm ứng điện từ

3 Nghiên c ứu thực nghiệm

Thực nghiệm được tiến hành với các thiết bị AVL hiện đại tại phòng Thí nghiệm động cơ và ôtô, trườ ng ĐHBK - Đại học Đà Nẵng Tạm gọi: Bộ điều chỉnh tự động cung cấp nhiên liệu LPG là bộ LA (LPG AUTO); Bộ điều chỉnh bằng tay là bộ LM (LPG MANUAL); Bộ cung cấp nhiên liệu xăng là bộ X (XĂNG)

3.1 K ết quả đường kính của họng khuếch tán

- Thử nghiệm đường kính của họng dh = 22,5÷24[mm], động cơ hoạt động được ở mọi

vị trí % bướm ga và tốc độ động cơ n = 1000÷7000[v/ph] khi dh

- Tính toán lý thuyết, đường kính của họng khuếch tán dh = 23,746[mm] là phù hợp

= 24[mm]

3.2 K ết quả đo công suất và moment

Công suất có ích của động cơ dùng bộ (LA) giảm 14,3% so với dùng xăng

3.3 Kết quả đo suất tiêu hao nhiên liệu

Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu tiệm cận với trục hoành Cùng công suất và vị trí bướm ga thì suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ dùng bộ (LA) thấp hơn so với bộ (LM) hoặc khi cảm biến oxy không hoạt động

3.4 K ết quả hệ số dư lượng không khí

Hệ số dư lượng không khí dao động liên tục Ở tốc độ động cơ lớn, hệ số α thay đổi trong khoảng 1÷ 1,05

3.5 K ết quả đo nồng độ khí thải

3.5.1 N ồng độ CO trong khí thải

Nồng độ CO phát sinh càng nhiều khi động cơ hoạt động ở chế độ tải thấp Nồng độ khí CO của động cơ dùng bộ điều chỉnh (LA) đều nhỏ nhất so với động cơ dùng

Alpha 25%

0

10

20

30

40

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000n [v/ph] 4500

Ne[kW]

0 10 30 50 70 90

Me[N.m]

Nex [kW] NeLM [kW] NeLA [kW]

Mex [Nm] MeLM [Nm] MeLA [Nm]

Hình 7 Biến thiên Ne[kW] &

Me[N.m] theo n [v/ph], αt = 25%

CÔNG SUẤT- SUẤT TIÊU HAO NHIÊN LIỆU, khi ở vị trí 25% bướm ga

4 6 8 10 12 14 16 18 20

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

n [v/ph]

Ne[kW]

0 100 200 300 400 500 600 700 800

ge[g/kW.h]

Nex [kW] NeLM [kW] NeLA [kW]

geXĂNG [g/kW.h] ge LPG MANUAL [g/kW.h] ge LPG AUTO [g/kW.h]

Alpha 25%

0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15

1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

n [v/ph]

LPG A LPG M XĂNG

Hệ số dư lượng không khí

khi αt = 25%

Alpha 25%

0.5

1

1.5

2

2.5

3

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

n [v/ph]

CO [%V]

XĂNG [%V] LPG MANUAL [%V] LPG AUTO [%V]

trên đường thải, khi αt = 5%

Alpha 75%

150 200 250 300

2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250

n [v/ph]

HC[ppm V]

XĂNG [ppmV] LPG MANUAL [ppmV] LPG AUTO [ppmV]

trên đường thải, khi αt = 75%

Alpha 75%

0 200 600 1000 1400

2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500

n [v/ph]

NOx[ppm V]

XĂNG [ppmV] LPG MANUAL [ppmV] LPG AUTO [ppmV]

đường thải, khi αt = 75%

xăng hay dùng bộ cung cấp (LM) So dùng xăng thì nồng độ CO trong khí thải của động cơ dùng bộ (LA) giảm 43,7%

3.5.2 N ồng độ HC trong khí thải

Nồng độ HC tăng nhiều ở n = 2000 [v/ph] với vị trí 10% bướm ga và tốc độ n = 4250[v/ph] với 75% bướm ga Khi động cơ dùng LPG, nồng độ HC trong khí thải rất

thấp So với động cơ dùng xăng, nồng độ HC trong khí thải của động cơ dùng bộ (LA) giảm 40,4%

3.5.3 N ồng độ NOx trong khí thải

NOx trong khí thải của động cơ dùng LPG thấp Ở vị trí 75% bướm ga khi n = 3000[v/ph] thì NOx của động cơ dùng xăng phát thải lớn nhất, sau đó giảm dần ở

chế độ gần đầy tải So với dùng xăng thì nồng độ NOx trong khí thải của động cơ dùng bộ (LA) giảm 50,8%

4 K ết luận

Kết quả nghiên cứu trên cho phép chúng ta kết luận:

1 Van điều chỉnh tự động cung cấp LPG sử dụng vi điều khiển kiểm soát được quá trình cung cấp LPG Khả năng điều chỉnh của van rất mịn (0,04mm/bước), khắc

phục được tình trạng cung cấp LPG bậc thang của phương án dùng các van solenoid trước đây

2 Bộ điều chỉnh (LA) tiết kiệm nhiên liệu, kể cả tốc độ động cơ lớn Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ thực nghiệm dùng bộ (LA) giảm so với bộ (LM) Công

suất dùng bộ (LA) thấp hơn 14,3% so với dùng xăng

3 Chất ô nhiễm trong khí thải giảm đáng kể khi động cơ ôtô sử dụng bộ (LA)

Nồng độ khí thải CO giảm 43,7%, HC giảm 40,4%, NOx giảm 50,8% so với dùng xăng Môi trường sống sẽ “xanh sạch” hơn Động cơ dùng bộ (LA) đạt các tiêu chuẩn khí thải đối với phương tiện giao thông cơ giới đường bộ quy định trong Quyết định 249/2005/QĐ -TTG ngày 10-10-2005 của Thủ tướng chính

phủ

4 Gia công chế tạo bộ (LA) đơn giản, lắp ráp thuận tiện và giá thành giảm so với dùng mạch IC và so với phun LPG vào đường nạp

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trương Ngọc Anh, Vi điều khiển, NXB ĐHSPKT TP Hồ Chí Minh, 2007

[2] Bùi Văn Ga, Quá trình cháy trong động cơ đốt trong, NXB.KHKT, Hà Nội, 2002

[3] Bùi Văn Ga, Văn Thị Bông, Trầ n Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng , Ô tô và ô

nhi ễm môi trường, NXB Giáo dục, Đà Nẵng, 1999

[4] Nguyễn Tất Tiến, Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB Giáo dục, Hà Nội, 2000

ứu sức cản thủy lực, tập III, NXB KHKT, Hà Nội, 1987

[6] Daewoo Motor Co.LTD, Service Training Manual Electrical Wiring Diagram,

2001

[7] Douglas W Jones, Stepping Motors, University of IOWA, Department of

Computer Science, USA, 2001

[8] Henry Clayton, Liquefied Petroleum Gas an automotive fuel for the future,

Australia Liquefied Petroleum Gas Association, Australia, 2006

[9] John B Heywood, Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill

Book Company, Singapore, 1988