Tuy nhiên hầu hết các động cơ kéo máy phát điện cỡ nhỏ có công suất thấp, sử dụng nhiên liệu xăng được nhà sản xuất thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu bằng bộ chế hòa khí và hệ thống
Trang 1ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
LÊ MINH TRIẾT
NGHIÊN CỨU CẢI TẠO ĐỘNG CƠ TĨNH TẠI ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC TRUYỀN THỐNG THÀNH ĐỘNG CƠ ĐIỀU
Trang 2Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Người hướng dẫn khoa học: GS TS TRẦN VĂN NAM
TS LÊ MINH TIẾN
Phản biện 1: PGS.TS TRẦN THANH HẢI TÙNG
Phản biện 2: TS NHAN HỒNG QUANG
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 30 tháng 5 năm 2020
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm học liệu và truyền thông, trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng
- Thư viện Khoa Cơ khí giao thông, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Trang 326-X về “nông nghiệp, nông dân, nông thôn” được tổ chức cuối tháng
11 năm 2018, phát biểu kết luận Thủ tướng Chính phủ Nguyễn Xuân Phúc cho rằng “phải làm cuộc cách mạng mới cho vùng nông thôn”, đưa kinh tế nông thôn phát triển đa dạng, phồn thịnh và văn minh; cải thiện nhanh hơn đời sống vật chất và tinh thần của dân cư nông thôn, góp phần phát triển kinh tế - xã hội của đất nước
Để thực hiện được cuộc cách mạng đó, điều trước tiên phải đưa được điện về vùng này, nhưng do đặc điểm của khu vực nông thôn nước ta có dân cư thưa thớt nên chi phí đầu tư hạ thế và kéo dây điện lưới quốc gia về sử dụng cho một vài hộ gia đình rất lớn Chính vì vậy việc sử dụng máy phát điện cá nhân cho mỗi hộ gia đình ở những khu vực này là một trong những phương án tối ưu nhất Tuy nhiên hầu hết các động cơ kéo máy phát điện cỡ nhỏ có công suất thấp, sử dụng nhiên liệu xăng được nhà sản xuất thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu bằng bộ chế hòa khí và hệ thống đánh lửa đơn giản nhằm giảm chi phí sản xuất và hạ giá thành sản phẩm nên động
cơ chỉ hoạt động hiệu quả ở một vài chế độ nhất định, do vậy có các nhược điểm lớn là mức tiêu hao nhiên liệu lớn, lượng khí thải CO2, NOx, HC, CO cao
Nhằm khắc phục các nhược điểm đó tôi đã chọn “Nghiên cứu cải tạo
động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức truyền thống thành động cơ điều khiển điện tử” làm đề tài nghiên cứu của mình
2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu :
Trang 4Nhiệm vụ chính của đề tài là nghiên cứu cải tạo động cơ máy phát điện SAMDI S3600B-1 chạy xăng có hệ thống cung cấp nhiên liệu bằng bộ chế hòa khí và đánh lửa thường sang động cơ điều khiển bằng điện tử
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
3.1 Đối tượng nghiên cứu:
Máy phát điện chạy động cơ đốt trong điều khiển bằng điện tử được cải tạo từ máy phát điện chạy xăng đánh lửa cưỡng bức loại SAMDI S3600B-1
3.2 Giới hạn phạm vi nghiên cứu:
Cải tạo động cơ xăng đánh lửa cưỡng bức sang động cơ xăng đánh lửa điều khiển điện tử
4 Phương pháp nghiên cứu :
Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết
về điều khiển phun nhiên liệu và đánh lửa bằng điện tử Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại Trung tâm nghiên cứu và ứng dụng năng lượng thay thế, Trường Đại học Bách khoa, Đại Học Đà Nẵng với các thiết bị hiện đại
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn :
Đề tài này là tiền đề cho việc chuyển đổi động cơ xăng sang chạy bằng Biogas, bởi nước ta có hơn 75% dân số sống ở nông thôn Hoạt động sản xuất và sinh hoạt ở khu vực nông thôn đòi hỏi một nguồn năng lượng rất lớn Sự gia tăng giá xăng dầu và giá điện trong thời gian gần đây đã gây rất nhiều khó khăn đối với khu vực này Nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng tại chỗ để phát điện nhằm giảm chi phí năng lượng và đảm bảo đến năm 2030 điện khí hóa nông nghiệp nông thôn ở nước ta theo tinh thần của nghị quyết Trung Ương đã trở nên rất bức xúc Nước ta có thế mạnh về năng lượng mặt trời và năng
Trang 56 Cấu trúc luận văn:
Ngoài phần Mở đầu và Kết luận – Hướng phát triển, nội dung luận văn được chia làm 4 chương:
Chương 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU VÀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG Nêu tổng quát về sự hình thành và phát triển của hệ thống cung cấp nhiên liệu và hệ thống đánh lửa trên động cơ xăng
Chương 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ VÀ ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ
Nêu các loại cảm biến có trên hệ thống phun xăng, đánh lửa điện tử cũng như các thông số ảnh hưởng đến tỉ lệ khí nhiên liệu và các thông số của hệ thống đánh lửa
Chương 3: CẢI TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHUN XĂNG, ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ CHO ĐỘNG CƠ SAMDI 6,5HP
Lựa chọn thiết bị, nghiên cứu thiết lập mô phỏng và lắp đặt hệ thống điều khiển điện tử cho động cơ
Chương 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN
Phân tích các số liệu thu được từ thí nghiệm, nhận xét đánh giá kết quả và đưa ra kết luận
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Chương 1 :TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU VÀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG
Trang 61.1 Tổng quan hệ thống cung cấp nhiên liệu :
1.1.1 Hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu hút
Xăng và không khí được hòa trộn bằng bộ chế hòa khí Bộ chế hoà khí phải đảm bảo được các chế độ làm việc cơ bản của động cơ: chế
độ không tải, chế độ khởi động, chế độ tải trung bình, chế độ toàn tải, chế độ mở bướm ga đột ngột, ngoài ra nó còn phải có các hệ thống đảm bảo tính tiết kiệm nhiên liệu và tránh ô nhiễm môi trường
1.1.2 Hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu phun xăng điện tử
a/ Lịch sử phát triển của hệ thống phun xăng điện tử
b/Các thành phần cơ bản của hệ thống phun xăng điện tử EFI
EFI có thể chia thành 3 khối chính gồm: Hệ thống điều khiển điện tử;
Hệ thống nhiên liệu; Hệ thống nạp khí
c/ Hệ thống phun xăng điện tử EFI là gì ?
Hệ thống phun xăng điện tử là hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ bằng các thiết bị điện được hoạt động dưới sự làm việc của các linh kiện điện tử lấy tín hiệu đầu vào bởi các bộ cảm biến để nhận biết từng chế độ hoạt động của động cơ từ đó cung cấp tín hiệu cho bộ điều khiển trung tâm để ra lệnh các cơ cấu chấp hành thực hiện phun nhiên liệu nhằm tối ưu hóa quá trình cháy giúp phát huy hết và có hiệu quả các lực sinh ra
d/ Yêu cầu của hệ thống phun xăng
+ Tỉ lệ không khí và nhiên liệu phải thích hợp với các chế độ làm việc của động cơ
+ Hạt nhiên liệu cung cấp phải nhỏ và phần lớn phải ở dạng hơi; hỗn hợp phải đồng nhất trong xy lanh và như nhau ở mỗi xy lanh;
+ Hỗn hợp cung cấp phải phù hợp với sự ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất môi trường và nhiệt độ động cơ
Trang 7+ Điều khiển cắt nhiên liệu khi giảm tốc nhằm tiết kiệm nhiên liệu và giải quyết được vấn đề ô nhiểm môi trường
+ Lượng nhiên liệu phải có chất lượng tốt
+ Thời gian hình thành hỗn hợp phải đáp ứng tốt khi động cơ làm việc ở số vòng quay cao
+ Lượng khí thải được kiểm tra để hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun cho chính xác…
e/ Ưu điểm của hệ thống EFI so với các loại hệ thống phun xăng khác
- Có thể cấp hỗn hợp khí - nhiên liệu đồng đều đến từng xylanh
- Có thể đạt được tỷ lệ khí - nhiên liệu chính xác với tất cả các dải tốc độ động cơ
- Đáp ứng kịp thời với sự thay đổi góc mở bướm ga
- Hiệu chỉnh hỗn hợp khí nhiên liệu
+Bù tại tốc độ thấp:
+Cắt nhiên liệu khi giảm tốc:
- Nạp hỗn hợp khí - nhiên liệu có hiệu quả:
f / Cấu tạo của hệ thống phun xăng điện tử EFI
Hình 1.5: Sơ đồ kết cấu hệ thống phun xăng điện tử
Trang 81 - Thùng xăng; 2 - Bơm xăng; 3 - Lọc xăng; 4 - ECU; 5 - Kim phun;
6 - Bộ điều áp; 7 - Ống góp hút; 8 - Kim phun xăng khởi động lạnh;
9 - Cảm biến vị trí bướm ga; 10 - Cảm biến lưu lượng không khí nạp;
11 - Cảm biến Ôxy; 12- Công tắc nhiệt-thời gian; 13 - Cảm biến nhiệt độ nước làm mát; 14 - Delco (cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston); 15 - Van khí phụ; 16 - Ắcquy; 17 - Công tắc khởi động
1.2 Tổng quan về hệ thống đánh lửa trên động cơ đốt trong:
1.2.1 Công dụng, yêu cầu:
a/ Công dụng:Dùng để biến dòng hạ áp có điện áp thấp (6V hoặc
12V) thành các xung điện cao thế (12000V - 50000V) để tạo ra tia lửa điện (phóng qua khe hở bugi) đốt cháy hỗn hợp làm việc trong các xi lanh của động cơ vào những thời điểm thích hợp tương ứng với trình tự xi lanh và chế độ làm việc của động cơ
b/ Yêu cầu:
- Phải đảm bảo thế hiệu đủ để tạo ra được tia lửa điện phóng qua khe
hở giữa các điện cực của bugi;
- Tia lửa điện phải có năng lượng đủ lớn để đốt cháy được hỗn hợp làm việc trong mọi điều kiện làm việc của động cơ;
- Thời điểm đánh lửa phải tương ứng với góc đánh lửa sớm hợp lý nhất ở mọi chế độ làm việc của động cơ;
- Độ tin cậy làm việc của hệ thống đánh lửa phải tương ứng với độ tin cậy làm việc của động cơ
1.2.2 Các kiểu hệ thống đánh lửa được sử dụng trên động cơ đốt trong
a/ Kiểu điều khiển bằng má vít
Hệ thống đánh lửa này dòng sơ cấp và thời điểm đánh lửa được điều khiển bằng cơ Dòng sơ cấp được điều khiển cho chạy ngắt quãng
Trang 9qua tiếp điểm của vít lửa Bộ điều chỉnh đánh lửa sớm ly tâm và chân không điều khiển thời điểm đánh lửa
b/ Kiểu bán dẫn Hệ thống đánh lửa sử dụng các linh kiện bán dẫn
transitor đóng mở dòng điện sơ cấp thay thế cho tiếp điểm kim loại
c/ Kiểu bán dẫn có ESA (Đánh lửa Sớm bằng điện tử)
Hệ thống đánh lửa này sử dụng chức năng ESA của Bộ điều khiển điện tử (ECU) để điều khiển góc đánh lửa sớm
Hình 1.8 Hệ thống đánh lửa ESA
d/ Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS)
Hệ thống này sử dụng bô bin đơn hoặc đôi cung cấp điện cao áp trực tiếp cho bugi Thời điểm đánh lửa đƣợc điều khiển bởi ESA của ECU động cơ
Hình 1.9 Hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS
Trang 10e/ Hệ thống đánh lửa điều khiển bằng kỹ thuật số
Được gọi là hệ thống đánh lửa theo chương trình Các thông số như tốc độ động cơ, tải, nhiệt độ được các cảm biến mã hóa tín hiệu đưa vào ECU (electronic control unit) xử lý và tính toán để đưa ra góc đánh lửa sớm tối ưu theo từng chế độ hoạt động của động cơ
f/ Khái quát về đánh lửa sớm điện tử (ESA)
Hệ thống ESA là một hệ thống dùng ECU động cơ để xác định thời điểm đánh lửa dựa vào tín hiệu từ các cảm biến khác nhau Số tín hiệu vào càng nhiều thì việc xác định góc đánh lửa sớm tối ưu càng chính xác
Kết luận chương 1 : Với nhiều ưu điểm nổi bật đó hệ thống phun
xăng, đánh lửa điện tử đã được ứng dụng rộng rãi trên động cơ đốt trong hiện nay, bởi nó đáp ứng được những nhu cầu gắt gao về khí
xả và tính tiết kiệm nhiên liệu Để giảm giá thành sản phẩm dễ dàng tiếp cận với người tiêu dùng nên nhà vẫn còn sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu hút và đánh lửa thường cho các động cơ cỡ nhỏ,
do đó tôi chọn đề tài “Nghiên cứu cải tạo động cơ tĩnh tại đánh lửa
cưỡng bức truyền thống thành động cơ điều khiển điện tử” để nâng
cao các tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ và góp phần đưa hệ thống điều khiển bằng điện tử sử dụng rộng rãi trên động cơ tĩnh tại
Chương 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ VÀ ĐÁNH LỬA ĐIỆN TỬ
2.1 Các loại cảm biến:
2.1.1 Cảm biến vị trí bướm ga :
a/ Chức năng:
Cảm biến vị trí bướm ga có nhiệm vụ xác định độ mở của bướm ga
và gửi thông tin về bộ xử lý trung tâm để điều chỉnh lượng phun nhiên liệu
Trang 11b/ Phân loại: Có 3 loại cảm biến vị trí bướm ga
+ Loại tiếp điểm:
+ Loại tuyến tính:
+ Loại phần tử Hall
2.1.2 Cảm biến oxy
a/ Chức năng và nhiệm vụ:
Cảm biến oxy có chức năng đo lượng oxy dư trong khí thải động cơ
và truyền tín hiệu về ECU nhằm điều chỉnh tỉ lệ nhiên liệu và không khí cho phù hợp
b/ Nguyên lý hoạt động
Khi khí xả được thải ra và đi qua cảm biến oxy, tiếp xúc của khí thải
và đầu dò của cảm biến sẽ khiến cảm biến phát sinh một dòng điện
có điện thế tỉ lệ nghịch với hàm lượng oxy của khí thải để truyền đến PCM Dựa trên điện thế này PCM sẽ điều chỉnh thời gian mở của các kim phun nhiên liệu một cách thích hợp để hỗn hợp khí nạp có được một tỷ lệ không khí / xăng gần với tỷ lệ lý tưởng (14,7: 1)
c/ Cấu tạo:
Bộ cảm biến oxy thường có 2 loại: Nung nóng (heated) và không nung nóng (unheated)
- Loại nung nóng:
- Loại không nung nóng:
2.1.3 Cảm biến nhiệt độ động cơ:
a/ Chức năng và nhiệm vụ:
Cảm biến nhiệt độ động cơ có nhiệm vụ đo nhiệt độ của động cơ và truyền tín hiệu đến bộ xử lý trung tâm để tính toán thời gian phun nhiên liệu, góc đánh lửa sớm, tốc độ chạy không tải, ở một số dòng xe, tín hiệu này còn được dùng để điều khiển hệ thống kiểm soát khí xả, chạy quạt làm mát động cơ
Trang 12b/ Nguyên lý hoạt động:
Điện trở nhiệt là một phần tử cảm nhận thay đổi điện trở theo nhiệt
độ Khi nhiệt độ tăng điện trở giảm và ngược lại, khi nhiệt độ giảm thì điện trở tăng Sự thay đổi giá trị điện trở sẽ làm thay đổi giá trị điện áp được gửi đến ECU động cơ trên nền tảng cầu phân áp Khi nhiệt độ động cơ thấp, giá trị điện trở cảm biến cao và điện áp gửi đến bộ biến đổi ADC(Analog to Digital converter) lớn
Cảm biến vị trí trục cam, trục khuỷu thường có 2 loại
- Loại cảm biến hiệu ứng điện từ
- Loại cảm biến hiệu ứng Hall
c/ Nguyên lý hoạt động
Khi trục khuỷu quay, thông qua dây cam dẫn động làm trục cam quay theo, trên trục cam có 1 vành tạo xung có các vấu cực, các vấu cực này quét qua đầu cảm biến, khép kín mạch từ và cảm biến tạo ra
1 xung tín hiệu gửi về ECU để ECU nhận biết được điểm chết trên của xi lanh
Trang 132.2 Hệ thống điều khiển điện tử phun xăng:
Bao gồm các cảm biến động cơ, ECU, khối lắp ghép kim phun và dây điện
- ECU quyết định việc cung cấp bao nhiêu nhiên liệu cần thiết cho động cơ thông qua tín hiệu phát ra từ các cảm biến
- ECU cấp tín hiệu điều khiển kim phun chính xác theo thời gian để tạo ra một tỷ lệ xăng không khí thích hợp
Hình 2.9 Sơ đồ tổng quát khối điều khiển
Trang 142.2.2 Khối xử lý (ECU)
Khối xử lý ECU là sự tập hợp của nhiều modul khác nhau: ổn áp, mạch khuếch đại, chuyển đổi Analog sang Digital và ngược lại, vi điều khiển, thạch anh tạo dao động, mạch tách tín hiệu…Tất cả được tích hợp trên một bo mạch cứng qua đó tín hiệu được truyền cho nhau với tốc độ nhanh hơn tiết kiệm năng lượng hơn và ổn định
+ Bộ ổn áp:
+ Bộ chuyển đổi Analog/Digital (A/D):
+ Vi điều khiển:
+ Chương trình điều khiển:
2.2.3 Khối cơ cấu chấp hành
Bao gồm các kim phun, các rơle, công tắc điện từ, sử dụng điện áp 12V và tiêu thụ công suất lớn hơn rất nhiều so với điện áp cung cấp
từ cổng ra của vi điều khiển Vi điều khiển đưa ra tín hiệu dạng xung
để điều khiển cơ cấu chấp hành
2.3 Các thông số ảnh hưởng đến tỉ lệ khí - nhiên liệu
Động cơ làm việc hiệu quả tại các chế độ làm việc đối với hệ thống cấp nhiên liệu phụ thuộc vào tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu
2.3.1 Tỉ lệ không khí-nhiên liệu
2.3.2 Sự thay đổi của f khi cố định a:
Đối với động cơ xăng hoạt động quanh tỉ lệ không khí - nhiên liệu lý thuyết Hệ số nạp a được quyết định bởi phụ tải
+ Hỗn hợp nghèo (> 1):
+ Hỗn hợp đậm (< 1):
2.3.3 Sự thay đổi của a khi cố định f:
Đối với động cơ xăng vận hành với hỗn hợp nghèo ở tải bộ phận Hệ
số nhiên liệu f được quyết định bởi phụ tải
+ Hỗn hợp nghèo (> 1):
Trang 15+ Hỗn hợp đậm (< 1):
2.4 Giới thiệu chung về hệ thống đánh lửa điện tử:
2.4.1.Khái quát nhiệm vụ và yêu cầu của hệ thống đánh lửa điện tử
Hệ thống đánh lửa tạo ra một tia lửa mạnh, vào thời điểm chính xác
để đốt cháy hỗn hợp hòa khí Nhiệm vụ đó đòi hỏi hệ thống đánh lửa phải bảo đảm đƣợc:
- Tia lửa mạnh:
- Thời điểm đánh lửa chính xác:
- Có đủ độ bền:
Mô tả sơ lƣợc hệ thống đánh lửa điện tử:
- Hệ thống đánh lửa sử dụng điện cao áp do cuộn đánh lửa tạo ra nhằm phát ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp không khí-nhiên liệu
a/ Hiệu điện thế thứ cấp cực đại U 2m :
b/ Hiệu điện thế đánh lửa U :