Đề tài Thiết kế chế tạo bộ điều khiển cung cấp lpg và dầu do khi sử dụng hỗn hợp này làm nhiên liệu cho máy 4ch - Janmar

g đầy tải Lò xo khởi động Trục cam Quả văng Lò xo điều tốc Lò xo không tải Thay thế Hình 1-3. Cấu tạo bộ điều tốc 1.5.2.2.1. Điều kiện để động cơ khởi động Khi cần điều khiển được kéo đến vị trí dừng tốc độ lớn nhất, nó sẽ di chuyển hết hành trình. Khi đó cần áp lực sẽ được lò xo điều tốc kéo tới khi chạm vào vít dừng đầy tải. Quả văng không dịch chuyển trong suốt khoảng thời gian đó và thanh răng nhiên liệu bơm cao áp di chuyển nhờ khớp hãm di động do lực của lò xo khởi động cung cấp. Khi động cơ khởi động, quả văng sinh ra lực ly tâm. Lực ly tâm này thắng lực của lò xo khởi động và tay gạt trở về tới vị trí tiếp xúc với cần áp lực. Quả văng Hình 1-4. Bộ điều tốc ở chế độ khởi động Khớp quay Thanh răng Cần áp lực Cá hãm di động Lò xo điều tốc Vít dừng đầy tải Tốc độ dừng lớn nhất Tay gạt Cần điều khiển 1.5.2.2.2. Điều kiện động cơ làm việc ở chế dộ không tải Khi động cơ khởi động, cần điều khiển trở về vị trí không tải, lò xo điều tốc không hoạt động. Quả văng kéo ra theo hướng tâm kính ở tốc độ thấp, còn cần áp lực kéo trở lại cho đến khi nó tiếp xúc với lò xo không tải thay thế. Ở vị trí này cần không tải được duy trì ở vị trí không tải với sự hỗ trợ của lò xo không tải thay thế. Đây là nguyên nhân khi vòng quay giảm thì lực ly tâm giảm. Lò xo không tải đẩy cần áp lực sang trái và quả văng được kéo vào trong, nó đẩy thanh răng nhiên liệu theo hướng tăng nhiên liệu và duy trì ở chế độ không tải. Hình 1-5. Bộ điều tốc ở chế độ không tải Lò xo điều tốc Lò xo không tải thay thế Cần áp lực 1.5.2.2.3. Điều kiện làm việc ở tốc độ quay lớn nhất Tốc độ dừng lớn nhất Lò xo điều tốc Hình 1-6. Bộ điều tốc ở tốc độ quay lớn nhất Khi cần điều khiển dịch chuyển từ vị trí không tải tới vị trí tải lớn nhất, áp lực trong ống trượt tăng lên, cần áp lực được kéo căng tới khi chạm vào vít dừng đầy tải và dịch chuyển tay gạt và ống trượt sang trái. Cần dẫn hướng và khớp hãm di động được truyền tới thanh răng bởi liên kết và duy trì ở vị trí đầy tải. Khi đó vòng quay tăng lên tới một vị trí nhất định, lực ly tâm của quả văng và lực của lò xo điều tốc cân bằng với nhau, và quyết định đến vòng quay đầy tải. 1.5.2.2.4. Điều kiện dừng động cơ Kéo cần điều khiển tới vị trí dừng, thanh răng di chuyển tới vị trí ngừng cấp nhiên liệu mà không phụ thuộc vào vị trí của cần điều khiển. Động cơ được dừng lại. Thanh kéo dừng Hình 1-7. Bộ điều tốc ở vị trí dừng động cơ CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP LPG-DO CHO ĐỘNG CƠ 2.1. Giải pháp kỹ thuật để động cơ có thể sử dụng nhiên liệu nhiên liệu LPG Cho đến nay, hệ thống phun nhiên liệu khí vào đường nạp nhờ độ chân không tại cổ góp nạp được dùng phổ biến nhất. Tuy nhiên, những hệ thống phun nhiên liệu mới đang được nghiên cứu áp dụng thể hiện được nhiều ưu điểm hơn, đặc biệt là hệ thống phun nhiên liệu ở dạng khí hóa lỏng ngay trước soupape nạp. Hệ thống này có ưu điểm ngăn chặn sự bốc cháy của hỗn hợp trên đường nạp, hiệu suất của động cơ được nâng cao và mức độ ô nhiễm giảm đi đáng kể. LPG có thể cung cấp cho động cơ ở dạng khí hay dạng lỏng. Ưu điểm của việc sử dụng LPG dưới dạng khí là tăng sự đồng nhất hoàn toàn của hỗn hợp gas – không khí và tránh hiện tượng ướt thành đường nạp bởi nhiên liệu lỏng, hiện thượng này rất nhạy cảm khi động cơ khởi động và khi động cơ làm việc ở chế độ chuyển tiếp. Điều này cho phép giảm được mức độ phát sinh ô nhiễm. Nhược điểm của việc cung cấp dạng này là quá trình điều khiển dài và sự cung cấp gas liên tục hạn chế khả năng khống chế tỷ lệ không khí / gas. Đặc biệt là giai đoạn quá độ của động cơ. Cũng cần nhấn mạnh thêm rằng công suất động cơ giảm đi khoảng 8% do tổn thất lượng không khí nạp do khí gas chiếm chỗ. Hệ thống cung cấp LPG bằng cách phun ở dạng lỏng cho phép sử dụng ưu thế của LPG để hạn chế những nhược điểm trên đây. Ưu điểm của việc phun LPG lỏng là tạo khả năng kiểm soát được độ đậm đặc ở mỗi lần phun với thời gian rất ngắn vì vậy có thể áp dụng các biện pháp hữu hiệu nhằm giới hạn mức độ ô nhiễm khi động cơ làm việc ở chế độ quá độ. Sự bốc hơi LPG làm giảm đáng kể nhiệt độ khí nạp do đó làm tăng hệ số nạp của động cơ. Mặt khác, màng nhiên liệu bám trên đường nạp không đáng kể gì so với động cơ xăng. Tuy nhiên việc sử dụng vòi phun thay vì họng khuyếch tán do làm giảm thời gian tạo hỗn hợp và mật độ nhiên liệu cung cấp dẫn đến sự không đồng nhất của hỗn hợp và do đó có nguy cơ làm tăng nồng độ CO trong khí xả. Người ta sử dụng đánh lửa bằng cách phun nhiên liệu mồi. Mục đích là tận dụng tối đa các bộ phận của hệ thống động cơ Diesel đang sử dụng và hạn chế tối thiểu việc lắp đặt thêm nhiều cơ cấu và bộ phận khác làm thay đổi quá lớn về kết cấu và tăng chi phí chuyển đổi trên động cơ cải tạo. Lượng nhỏ nhiên liệu Diesel phun mồi được phun trước khi piston đến điểm chết trên. Các hạt nhiên liệu Diesel này sẽ tự bốc cháy và tạo ra chừng ấy điểm đánh lửa trong hỗn hợp nhiên liệu không khí để đốt cháy lượng LPG đưa vào. Hệ thống đánh lửa này có năng lượng tỏa ra rất lớn và hầu như không phụ thuộc vào sự phân bố hỗn hợp trong buồng cháy. Trong trường hợp đó sự tăng áp suất diễn ra nhanh chóng hơn và hiệu suất động cơ được cải thiện đáng kể. Lượng nhiên liệu phun mồi cần thiết bằng lượng nhiên liệu để duy trì chế độ không tải của động cơ Diesel. Mục đích là để đốt cháy kiệt lượng nhiên liêu LPG đưa vào và chuyển đổi dễ dàng sang dùng chỉ mình nhiên liệu Diesel khi động cơ đang hoạt động với hỗn hợp Diesel-LPG. Nếu không có đủ lượng nhiên liệu Diesel để duy trì chế độ không tải thì khi cắt nhiên liệu LPG thì động cơ sẽ bị chết máy. *Ưu điểm của đánh lửa bằng cách phun nhiên liệu mồi: Độ tin cậy khi đánh lửa khá cao, hiệu quả đánh lửa kéo dài và có thể đánh lửa ở bất kỳ độ đậm đặc nào của hỗn hợp với điều kiện mức độ rối của hỗn hợp LPG-không khí đủ lớn. Dễ dàng chuyển về sử dụng nhiên liệu Diesel khi không dùng LPG. Hiệu suất động học cao. *Nhược điểm của đánh lửa bằng cách phun nhiên liệu mồi: Tỷ số nén cao làm hạn chế công suất cực đại theo tính chất của nhiên liệu khí hóa lỏng. Khả năng chống kích nổ của LPG cao nhưng nếu tỷ số nén cao hơn mức cho phép sẽ gây ra hiện tượng kích nổ và gây hư hỏng cho động cơ. 2.2. Phân tích một số hệ thống sử dụng LPG-DO sẵn có trên động cơ Diesel hiện nay Sơ đồ tổng thể hệ thống nhiên liệu LPG và diesel song song [8] Cho đến nay phương án chung để cung cấp LPG trên động cơ người ta đều sử dụng hệ thống cung cấp DO-LPG song song. Ta có sơ đồ tổng thể hệ thống nhiên liệu LPG và diesel song song: Hình 2-1. Sơ đồ hệ thống LPG và diesel song song có sử dụng bộ phận điều khiển điện tử Lượng nhiên liệu LPG và diesel được điều khiển bởi mô đun điều khiển sẽ đưa tới hiệu quả cao về mặt hiệu suất nhiệt, đồng thời cung cấp lượng nhiên liệu chính xác đúng thời điểm. Lượng LPG trước khi qua mô đun điều khiển phải qua van an toàn để đảm bảo sự an toàn về sử dụng LPG. Trên cơ sở xem xét một số hệ thống sử dụng LPG trên động cơ Diesel hiện nay ta có một số phương án điều khiển như sau: 2.2.1 Cung cấp gas trực tiếp nhờ xupap ga 2.2.1.1 Xupap gas có cơ cấu điều khiển kiểu cơ khí Đối với động cơ gas công suất lớn, gas được cung cấp bởi một xupap đặc biệt được đặt trước cửa nạp hay ngay trong xylanh. Xupap này có thể được điều khiển bởi một cánh tay đòn hay bởi một xylanh thuỷ lực. Xupap gas được mở trễ hơn một chút so với xupap nạp để tránh thất thoát gas ra đường xả trong giai đoạn trùng điệp. Lượng gas nạp vào được điều chỉnh nhờ thời gian mở xupap gas hay độ chênh áp giữa gas và không khí. Hình 2-2. Cung cấp gas bằng xupap gas điều khiển cơ khí 2.2.1.2 Xupap gas điều khiển điện tử Xupap gas này đặt ngay trước cửa nạp, điều khiển đóng mở nhờ hệ thống điều khiển động cơ. Một cảm biến được đặt trong buồng cháy của động cơ, các thông số trong buồng cháy được đưa về bộ điều khiển điện tử. Từ đó bộ điều khiển phân tích quá trình cháy và điều khiển lượng dầu DO và LPG vào động cơ thích hợp. Hình 2-3. Xupap gas điều khiển điện tử Hai phương án trên chỉ nên áp dụng cho động cơ sản xuất mới hoàn toàn. Không thể áp dụng để chuyển đổi trên động cơ cũ do nó làm thay đổi quá lớn kết cấu cơ cấu phân phối khí của động cơ, giá chuyển đổi cao. 2.2.2. Sử dụng bộ giảm áp hóa hơi và bộ hòa trộn Lắp đặt bộ trộn hỗn hợp LPG-không khí trên họng nạp Khi động cơ từ chế độ chạy nhiên liệu diesel chuyển sang sử dụng LPG với diesel làm chức năng phun mồi thì tay ga điều chỉnh lượng nhiên liệu diesel vào cho phù hợp với tải động cơ Diesel không còn tác dụng nữa. Lúc này ta điều chỉnh lượng nhiên liệu LPG cho phù hợp với tải của động cơ. Việc lắp đặt bộ trộn hỗn hợp LPG-không khí trên họng nạp của động cơ giúp cho hỗn hợp LPG-không khí được hòa trộn tốt trước khi đi vào buồng đốt. Điều này sẽ làm cho hỗn hợp đốt cháy một cách tốt nhất. Hỗn hợp LPG-không khí được đưa vào trong buồng đốt của động cơ ở mỗi kỳ nạp nhờ sự chênh lệch giữa áp suất trong buồng đốt và áp suất bên ngoài động cơ. Sử dụng bộ giảm áp hóa hơi Việc sử dụng bộ giảm áp hóa hơi sẽ làm cho LPG chuyển từ thể lỏng sang thể khí. Khi vào buồng đốt động cơ nó sẽ được hòa trộn tốt hơn với không khí. Do đó quá trình cháy trong động cơ diễn ra tốt hơn và tránh được hiện tượng làm ướt thành xilanh. Ngoài ra lắp đặt bộ giảm áp hóa hơi góp phần đảm bảo quá trình cung cấp LPG cho động cơ được an toàn hơn. Vì trên đó có màng cảm biến áp suất, khi nào động cơ ở kỳ hút thì nó sẽ cho LPG đi qua để tới bộ trộn. 2.2.2.1 Sử dụng bộ hòa trộn điều khiển bằng cơ khí Phương án cấp gas với việc sử dụng van điều khiển lưu lượng Đây là phương pháp điều khiển tỉ lệ hòa trộn của động cơ lưỡng nhiên liệu, thông qua một cơ cấu điều chỉnh đồng thời hai nhiên liệu cùng lúc. Cơ cấu này kết hợp việc điều khiển lưu lượng gas khi bơm cao áp dịch chuyển từ những vị trí tương ứng tới vị trí 70-80% đầy tải ở những thời điểm tương ứng để phun một lượng lớn nhiên liệu vào động cơ, điều này sẽ làm giảm khoảng điều chỉnh tự do của bộ điều chỉnh lượng gas hoặc duy trì khoảng điều chỉnh tự do không đổi. Khi điều chỉnh ở vị trí 70-80% đầy tải của động cơ thì chỉ có lượng nhiên liệu diesel qua vòi phun tăng còn lượng nhiên liệu khí được duy trì không đổi hay thậm chí là giảm bớt. Vì vậy tỷ lệ trộn trong phạm vi tải trên được thay đổi theo hướng thay đổi nhiên liệu diesel. Tất cả các phương pháp tỉ lệ hòa trộn khác cho động cơ cũng đều tăng lượng gas trong phạm vi tải thấp và bắt đầu từ không tải.  Hình 2-4. Sơ đồ hệ thống sử dụng van điều chỉnh lưu lượng 1- Cần điều chỉnh 4- Van điều chỉnh lưu lượng 2 - Bơm nhiên liệu 5- Ống dẫn gas vào van 3- Đòn bẩy 6- Ống dẫn gas vào bộ trộn Hình 2-5. Sơ đồ hoạt động của thiết bị điều khiển lưu lượng gas H 2. Bộ phận của thiết bị điều khiển lưu lượng gas H 2a-2c. Mô tả 3 thời điểm khác nhau của bị điều khiển lưu lượng gas 7-Lò xo; 8-Phần tiết diện ống hình côn; 9-Van; 10-Lỗ khoan; 11- Chốt van; 12- Ống hình trụ; 13- Phần van có tiết diện hình côn; 14- Phần hình nón có đỉnh vót nhọn Khi tại vị trí khoảng 70-80% tải Hệ thống điều khiển dầu DO và điều khiển LPG được liên kết bởi đòn bẩy (3). Cần điều chỉnh (1) điều khiển lượng dầu DO từ bơm cấp nhiên liệu (2) tới động cơ và cũng điều khiển van điều chỉnh lưu lượng (4) cấp gas từ bình chứa vào bộ trộn LPG-không khí để đưa vào động cơ. Cần điều chỉnh (1) được gián tiếp kết nối với bàn đạp chân gas. Thiết bị điều khiển lưu lượng gas bao gồm van 9 gắn với lò xo 7. Ban đầu ở chế độ không tải (H2) lưu lượng gas sẽ bị cản trở bởi vì ống hình trụ 12 của chốt có đường kính khớp với với lỗ 10. Lượng gas bắt đầu cấp (H 2a) tại đây lưu thông dần dần từ ống 5, mức tải xác định là 2/3 tải. Từ 3/4 của tải (H 2b) lưu lượng gas xác định là lớn nhất và lượng còn lại sẽ cố định mãi đến khi đầy tải thì van được mở hoàn toàn (H 2c) Từ vị trí của van (H 2a-H 2b) tốc độ gas chảy trong lỗ 10 tăng nhanh nhờ tiết diện hình nón 13 của chốt van. Hình trụ 12 của chốt van 11 có thể được lựa chọn để nối tiếp phần hình nón 14 đỉnh có một góc nhọn và cái này có thể được nối tiếp bởi phần cuối 15 chẳng hạn như phần tiếp xúc (H 2c). Cùng với chốt van, gas sẽ trộn lẫn dần dần tỉ lệ tăng dần lên trong suốt quá trình tăng của tải khoảng 1-3 phần tải. Thiết bị cấp gas bình thường và nhiên liệu lỏng tới động cơ bao gồm có bơm phun nhiên liệu lỏng, một bộ phận điều chỉnh tốc độ cấp nhiên liệu lỏng và gas. Bộ phận điều khiển bao gồm lỗ khoan dẫn gas lỏng, bộ phận van lò xo dốc quanh trục đẩy thẳng tới lỗ để tới vị trí đóng ở mức độ nào đó, bộ phận nối liền với lỗ và tắt lượng cấp gas, chốt van có nhiệm vụ kết nối bộ phận điều chỉnh với van cho quá trình chuyển động của van ra xa từ lỗ tới bộ phận điều chỉnh lúc tăng tải từ vị trí không tải, sự cải thiện của chốt van bao gồm một phần hình trụ kề sát đường kính lỗ và bộ phận hình nêm kề bên bộ phận hình trụ. Thực tế cho thấy rằng khi ở tải thấp thì hỗn hợp DO-LPG ngăn cản sự cháy không hoàn toàn. Do có sự cân đối gas, lượng gas dư thừa sẽ không còn. Hiệu quả kinh tế cao hơn và lượng tiêu thụ nhiên liệu lỏng ít hơn khi điều chỉnh chính xác lượng cấp nhiên liệu diesel và gas. Nhưng bên cạnh đó đòi hỏi phải chế tạo thiết bị chính xác, tất cả các chi tiết phải chuyển động tương đối với nhau phụ trợ nhau và việc xác định đúng thời điểm cấp cũng như tỉ lệ giữa hai loại nhiên liệu cần chính xác. 2.2.2.2. Sử dụng bộ giảm áp hóa hơi và bộ hòa trộn điều khiển bằng điện tử Trên hệ thống có sử dụng điều khiển điện tử cho cả động cơ Diesel và hệ thống cung cấp LPG. Hai hệ thống điều khiển điện tử này độc lập với nhau. Đảm bảo cho động cơ làm việc bình thường khi chuyển chế độ làm việc của động cơ từ DO-LPG sang DO. Hệ thống sử dụng các cảm biến lấy các thông số của động cơ đưa về bộ điều khiển trung tâm. Từ đó bộ điều khiển trung tâm phân tích các thông số đưa về và giám sát quá trình động cơ hoạt động. Khi có sự cố thì bộ điều khiển trung tâm sẽ phát tín hiệu báo cho người vận hành biết để xử lý các tình huống. Hình 2-6. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu LPG và diesel 2.2.3 Hệ thống cung cấp LPG với phương án tạo hỗn hợp kiểu phun nhiên liệu Nhiên liệu LPG có thể được cung cấp bằng hệ thống phun vào cổ góp (phun tập trung) hay phun vào trước xupap nạp của từng xylanh (phun riêng rẽ). Áp suất nhiên liệu trước vòi phun của hai kiểu này đều cao hơn áp suất khí quyển. Nhiên liệu phun vào đường nạp động cơ có thể dưới dạng khí hay lỏng, trong đó phun nhiên liệu dạng lỏng có nhiều triển vọng về việc sử dụng song song hai nhiên liệu DO-LPG. Nguyên lý hoạt động: Nhiên liệu LPG dưới dạng lỏng từ bình nhiên liệu được hút nhờ một bơm chuyển và duy trì áp suất dư trên đường ống khoảng 5 bar để tránh sự bốc hơi. Nhiên liệu sau đó được đưa qua bộ lọc và bộ điều áp trước khi dẫn đến vòi phun. Vòi phun được một bộ vi xử lý chuyên dụng điều khiển một cách tự động. Hình 2-7. Hệ thống cung cấp LPG kiểu phun nhiên liệu 1- Lọc khí ; 2- Vòi phun LPG lỏng; 3-Vòi phun diesel; 4- Điều hoà áp suất; 5 –Bình chứa LPG; 6 –Bơm; 7 -Bộ vi xử lý LPG Hệ thống phun LPG lỏng cải thiện rất đáng kể tính năng của động cơ cả về hiệu suất cũng như mức độ phát sinh ô nhiễm. Công suất và momen tăng do tăng hệ số nạp còn suất tiêu hao nhiên liệu giảm do điều chỉnh tốt lượng cung cấp theo chế độ làm việc của động cơ. Phương án này khó có thể thực hiện để áp dụng trên động cơ diesel do phải lắp đặt thêm nhiều bộ phận và chúng ta chưa rõ nguyên lý hoạt động của bình điều hòa áp suất nên khó kiểm soát sự làm việc của hệ thống. 2.3. Phân tích, lựa chọn phương án cung cấp LPG phù hợp với điều kiện của bộ môn động lực hiện nay Qua phân tích các phương án cung cấp và điều khiển LPG ta có nhận xét như sau: Phương án sử dụng xupap gas khó thực hiện vì chúng ta phải cải tạo lại để lắp đặt xupap gas trên đường nạp. Điều này khó thực hiện vì chúng ta phải thay đổi kết cấu có sẵn của động cơ để lắp đặt xupap gas và điều này khó có thể thực hiện được. Phương án cung cấp LPG tạo hỗn hợp kiểu phun nhiên liệu thì chúng ta chưa nắm rõ nguyên lý làm việc của bình điều hòa áp suất và việc lắp vòi phun LPG lỏng trên động cơ điều này khó có thể thực hiện được khi ta thay đổi kết cấu ban đầu của động cơ. Qua nhận xét trên ta lực chọn phương án điều khiển cung cấp LPG có sử dụng bộ giảm áp hóa hơi có sẵn tại bộ môn động lực nhằm tận dụng thiết bị sẵn có, bộ trộn và có sử dung bộ điều khiển điện tử để điều chỉnh tay ga động cơ và van tiết lưu cấp LPG. Phương án điều khiển điện tử cung cấp LPG cho động cơ là phương án dùng bộ điều khiển điện tử lấy tín hiệu qua cảm biến tốc độ để điều chỉnh lượng LPG vào động cơ. Ngoài ra ta còn sử dụng cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến nhiệt độ khí xả để đối chiếu các thông số của động cơ tiện cho theo dõi hoạt động của động cơ. Phương án này phù hợp với điều kiện tại phòng động cơ của bộ môn động lực hiện nay. CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP DO-LPG CHO ĐỘNG CƠ Sơ đồ cung cấp LPG cho động cơ Trên cơ sở hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép đã lựa chọn ở chương 2 ta có sơ đồ của hệ thống cung cấp DO-LPG như sau Cơ cấu chấp hành Họng nạp Soleniod vavle Bình LPG Bộ giảm áp hóa hơi Hình 3-1. Sơ đồ cung cấp LPG cho động cơ ECU Van tiết lưu Bộ trộn LPG-Không khí Trong sơ đồ này ta sử dụng bộ hóa hơi giảm áp (có sẵn). LPG qua giảm áp hóa hơi sẽ trở thành LPG dạng hơi và không gây hiện tượng đóng băng. 3.1. Các thiết bị trong hệ thống cung cấp LPG cho động cơ 3.1.1 Bình LPG Bình chứa LPG có nhiệm vụ dự trữ ga để cung cấp cho động cơ, khi chạy với hỗn hợp lưỡng nhiên liệu DO-LPG. Bình chứa LPG phải đảm bảo an toàn, không có hiện tượng rò rỉ khi không làm việc. Và an toàn trong sử sụng. Do vậy ta sử dụng bình chứa LPG có bán sẵn trên thị trường và đã được kiểm định an toàn. Đó là loại bình dùng cho các bếp ga. Hình 3-2. Bình chứa LPG 3.1.2. Bộ giảm áp hóa hơi (Pneumatic LPG Reducer) Bộ giảm áp hóa hơi có nhiệm vụ chuyển đổi nhiên liệu LPG ở trạng thái lỏng sang trạng thái hơi trước khi đưa vào bộ trộn và điều khiển lưu lượng LPG đưa vào động cơ theo các chế làm việc. Bộ giảm áp – hoá hơi được chia làm nhiều ngăn nhờ các màng chắn đặc biệt. Nhiệt độ cần thiết cho hoá hơi LPG được cung cấp nhờ nước nóng đi từ đường ra của nước làm mát động cơ hoặc có thể sấy nóng bộ giảm áp hóa hơi bằng bộ gia nhiệt. Hình 3-3. Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp-hoá hơi 1 – Vít điều chỉnh; 2 – Van định lượng ; 3 – Màng cao su tổng hợp; 4 – Đòn bẩy ; 5 - Đường LPG đến bộ trộn; 6 – Van điện từ; 7 – Màng cao su tổng hợp; 8 – Lò so; 9 – Đòn bẩy; 10 – Van giảm áp; 11 - Đường nạp nhiên liệu LPG LPG lỏng ở áp suất bình chứa di chuyển qua các van an toàn đến họng nạp 11 và vào buồng giảm áp (A) thông qua van giảm áp 10. Tại đây áp suất LPG giảm xuống còn khoảng 0,45 – 0,65 bar. Bình thường với áp suất cao, dòng LPG lỏng sẽ mở van giảm áp 10 đi vào bên trong buồng A. Khi áp suất bên trong buồng A gia tăng tới một giá trị quy định, nó sẽ đẩy màng cao su 7 dịch chuyển xuống dưới, nén lò xo 8 và làm cho van giảm áp đóng lại thông qua đòn bẩy 9, ngăn không cho nhiên liệu LPG đi vào buồng (A) khống chế áp suất theo quy định do sự cân bằng áp suất buồng A và lò xo 8 cũng như diện tích chịu áp trên và dưới của màng 7. Sau khi qua buồng (A), nhiên liệu tiếp tục đi vào buồng (B) thông qua van định lượng 2. Buồng này được thông với bộ trộn đặt trên họng khuyếch tán và hơi nhiên liệu LPG được hút vào bộ trộn khi động cơ hoạt động. Màng cao su 3 trong buồng B được di chuyển lên xuống nhờ áp suất nạp, sự dịch chuyển này làm cho đòn bẩy 4 mở van định lượng 2 để hơi nhiên liệu LPG đi từ buồng (A) sang buồng (B). Nếu viêc hút nhiên liệu tăng lên ở bộ trộn, thì lập tức nó sẽ truyền qua buồng (B) và màng cao su 3, cho phép nhiều hơi LPG đi qua van định lượng 2. Ngược lại nếu lực hút ở bộ trộn giảm xuống, do lực đẩy của lò xo vít điều chỉnh 1 điều khiển đòn bẩy đóng dần van định lượng 2, giới hạn lượng hơi nhiên liệu LPG đi vào. Khi động cơ ngừng hoạt động, lò xo vít điều chỉnh tác động lên đòn bẩy 4 khoá van định lượng 2, bảo đảm không cho hơi nhiên liệu LPG đi qua van định lượng. Hình 3-4. Hình ảnh thực tế của bộ giảm áp-hoá hơi 3.1.3. Van tiết lưu Van tiết lưu có chức năng thay đổi lượng LPG cấp vào động cơ. Để điều chỉnh lượng LPG cấp vào động cơ ta thay đổi tiết diện van tiết lưu. Điều chỉnh mặt côn sang trái hoặc sang phải ta sẽ điều chỉnh được lưu lượng LPG vào trong buồng cháy của động cơ. Gas ra Hình 3-5. Sơ đồ nguyên lý van tiết lưu Gas vào Hình 3-6. Van tiết lưu 3.1.4. Bộ trộn LPG Chức năng chính của bộ trộn là hòa trộn hỗn hợp LPG-không khí để đưa vào buồng đốt của động cơ. Lưu lượng khí nạp là một trong những thông số rất quan trọng khi lắp đặt bộ trộn. Bộ trộn được lắp ngay tại cổ góp nạp. Đường gas sau bộ hóa hơi giảm áp ở trạng thái hơi có áp suất gần bằng áp suất khí quyển đi đến bộ trộn để hòa trộn nhiên liệu LPG-không khí tạo thành hỗn hợp nhiên liệu cung cấp cho động cơ. Với mỗi loại động cơ bộ trộn sẽ có hình dạng, kích thước, tiết diện các lỗ thoát khí khác nhau. Bộ trộn có cấu tạo rất đa dạng và phong phú để tương thích với nhiều loại động cơ. Bộ trộn mà ta sử dụng là bộ trộn dạng tấm. Loại này có một đầu dẫn gas vào bên trong lòng tấm trộn, bên trong lòng tấm trộn có thể dẫn nhiên liệu LPG ra hòa trộn với không khí đưa vào cổ góp nạp. Loại này đơn giản, không thay đổi nhiều kết cấu hệ thống nhiên liệu ban đầu của động cơ nhưng vẫn đảm bảo tính tin cậy và chi phí chuyển đổi thấp. Hình 3-7. Bộ trộn dạng tấm 3.2. Thiết kế bộ điều khiển điện tử cung cấp LPG-DO cho động cơ 3.2.1. Sơ đồ khối mạch điều khiển cung cấp LPG và dầu DO Cơ cấu chấp hành điều khiển tay ga động cơ ECU Bộ phím điều khiển Hiển thị LCD Cảm biến nước làm mát Cơ cấu chấp hành điều khiển van tiết lưu Cảm biến nhiệt độ khí xả Cảm biến tốc độ Solenoid Valve Cấp DO Cảm biến vị trí tay ga Solenoid Valve Cấp LPG 3.2.2. Các thiết bị trong hệ thống điều khiển điện tử 3.2.2.1. Lựa chọn cơ cấu chấp hành 3.2.2.1.1 Phương án điều khiển LPG có sử dụng bộ giảm áp hóa hơi điều khiển tay ga và van tiết lưu bằng motor bước Động cơ bước, đúng như tên gọi của nó, di chuyển trừng bước nhỏ một. Nghĩa là nó quay không phải liên tục, mà từng góc nhỏ một, mỗi bước như vậy ứng với 360/n độ. vì nó chỉ có thể nằm ở 1 trong những vị trí đó thôi, nên có khả năng định vị bằng cách đểm số lượng xung cấp vào nó. Vì có khả năng định vị như vậy, nên nó rất tiện lợi dùng trong những mạch điều khiển vòng hở Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dùng bộ chuyển mạch. Cụ thể, các mấu trong động cơ là stator, và rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào. Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ. Động cơ bước điều khiển bằng xung, thường là xung nhiều pha. Hình 3-8. Động cơ bước Vít me Van tiết lưu Motor bước Hình 3-9. Sơ đồ điều khiển đóng mở van tiết lưu dùng động cơ bước Motor bước Tay ga động cơ Vít me Hình 3-10. Sơ đồ điều khiển tay ga động cơ dùng động cơ bước 3.2.2.1.2 Phương án điều khiển LPG có sử dụng bộ giảm áp hóa hơi điều khiển tay ga và van tiết lưu bằng động cơ servo Động cơ servo motor là động cơ trợ động nói chung. Đó là cơ cấu thừa hành quay. Nó ra đời từ rất lâu, lúc các mạch khuếch đại đèn điện tử chân không còn thịnh hành. Lúc đó, hệ điều khiển còn hoàn toàn là analog. Nó điều khiển liên tục, góc quay bất kỳ. Không bị giới hạn 360/n như motor bước. Động cơ servo motor được thiết bị điều khiển từ kiểm soát, chúng được sử dụng để cung cấp cho các hệ thống khác nhau, điều khiển cơ khí như tay lái xe hơi, cánh máy bay đồ chơi. Hình 3-11. Servo motor Servo bao gồm một động cơ điện được nối với một bộ bù áp. Sự biến điệu xung rộng tín hiệu được gửi đến servo. Do có khả năng làm việc tốt, độ tin cậy cao, và điều khiển đơn giản bằng vi xử lý, servo thường được sử dụng ở quy mô nhỏ các ứng dụng robot. Servo được điều khiển bởi ba dây: dây mát (thường là màu đen / cam), dây dương (đỏ) và dây kiểm soát (nâu / màu sắc khác). Chuỗi dây này là không đúng cho tất cả các servos, ví dụ các Std S03NXF. Servo là dây như nâu (âm), màu đỏ (dương) và cam (tín hiệu). Tay ga động cơ Dây nối mềm Động cơ servo Hình 3-12. Sơ đồ điều khiển tay ga động cơ dùng động cơ servo Dây nối mềm Động cơ servo Van tiết lưu Hình 3-13. Sơ đồ điều khiển van tiết lưu dùng động cơ servo 3.2.2.1.3. So sánh hai phương án trên và lựa chọn cơ cấu chấp hành Trong một vài ứng dụng, cần lựa chọn giữa động cơ servo và động cơ bước. Cả hai loại động cơ này đều như nhau vì có thể xác định được vị trí chính xác, nhưng chúng cũng khác nhau ở một số điểm. Servo motor đòi hỏi tín hiệu hồi tiếp analog. Đặc biệt, điều này đòi hỏi một bộ tắc cô để cung cấp tín hiệu hồi tiếp về vị trí của rotor, và một số mạch phức tạp để điều khiển sự sai lệch giữa vị trí mong muốn và vì trí tức thời vì lúc đó dòng qua động cơ sẽ dao động tắt dần. Để lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ servo, phải xem xét một số vấn đề, và nó phụ thuộc vào các ứng dụng thực tế. Ví dụ, khả năng trở về một vị trí đã vượt qua phụ thuộc vào hình dạng rotor động cơ bước, trong khi đó, khả năng lặp lại vị trí của động cơ servo nói chung phụ thuộc vào độ ổn định của bộ tắc cô và các linh kiện analog khác trong mạch hồi tiếp. Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản. Những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ điều khiển vòng kín với động cơ bước. Nếu một động cơ bước trong hệ điều khiển vòng mở quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệ thống phải nhận diện lại. Servo motor thì không xảy ra vấn đề này. Qua phân tích trên ta thấy rằng sử dụng động cơ servo là phù hợp cho điều khiển tay ga động cơ và van tiết lưu. động cơ servo có tốc độ phản ứng nhanh hơn motor bước và là loại điều khiển vòng kín nên không xảy ra hiện tượng bỏ bước. Do đó sử dụng động cơ servo rất tin cậy cho việc điều khiển. Servo ta chon là loại MG946R của hãng Heli. Các thông số của động cơ servo: Khối lượng: 55g Kích thước: 40.7x19.7x42.9 mm Momen xoắn: 10.5kg/cm(4.8V),13kg/cm(6V) Tốc độ hoạt động: 0.20 giây/600 (4.8v); 0.17 giây/600 (6.0v) Điện áp làm việc: 4.8-7.2V Nhiệt độ cho phép: 00-550 C 3.2.2.2. Cảm biến nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ lấy thông số nhiệt của nước làm mát, khí xả đưa về khối điều khiển trung tâm. Khối điều khiển trung tâm sẽ xử lý và xuất ra giá trị nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí xả ra LCD. Do đó nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí xả được cập nhật liên tục khi động cơ hoạt động. Từ đó giúp chúng ta theo dõi được nhiệt độ của động cơ. Vi điều khiển sẽ căn cứ vào giá trị hiện tại so sánh với giá trị cho phép và trường hợp nhiệt độ nước hoặc nhiệt độ khí xả lớn hơn giá trị cho phép thì nó sẽ đưa ra cảnh báo hiển thị lên LCD. Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ như cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, thermistor, bán dẫn ( Diode, các loại IC: LM35, LM335, LM45 ,….). Ngoài ra còn có loại đo nhiệt không tiếp xúc ( hỏa kế- Pyrometer ). Dùng hồng ngoại hay lazer. Nguyên tắc chung của chúng là nhiệt độ từ môi trường sẽ được cảm biến hấp thu, tại đây tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến đại lượng nhiệt này thành một đại lượng điện nào đó. Như thế một yếu tố hết sức quan trọng đó là “ nhiệt độ môi trường cần đo” và “nhiệt độ cảm nhận của cảm biến”. Cảm biến nhiệt độ mà ta sử dụng là cặp nhiệt điện ( Thermocouples ). Đây là một loại cảm biến dùng rất rộng rãi và có thang đo nhiệt độ khá cao. Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu. Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV). Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao. Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao. Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,… Tầm đo: -100 D.C <1400 D.C Cặp nhiệt điện gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T. Hình 3-14. Cấu tạo của Thermocouples Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó ( offset trên bộ điều khiển ). Hình 3-15. Cặp nhiệt điện 3.2.2.3 Cảm biến tốc độ Cảm biến tốc độ có nhiệm vụ đo tốc độ của động cơ, dựa vào tốc độ động cơ đo được chúng ta điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp vào động cơ cho phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ. Hiện nay có nhiều phương pháp đo tốc độ được dùng như: đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp analog, đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử, đo vận tóc vòng quay bằng tơ quang dẫn và lý thuyết tương đối đo vận tốc vòng quay bằng tổ hợp điện từ. Phương pháp đo tốc độ động cơ thông dụng nhất hiện nay dùng cảm biến quang. Đây là phương pháp đo dễ sử dụng so với các phương pháp khác. Vì cảm biến được lắp đặt dễ dàng trên động cơ. Tín hiệu từ cảm biến ra các dạng xung vuông có tần số thay đổi vào tốc độ động cơ. Do đó các xung vuông này được đưa vào bộ vi xử lý để đếm số xung trong khoảng thời gian cho phép từ đó ta có thể tính được giá trị vận tốc của động cơ. Đây cũng là phương pháp mà người ta sử dụng để ổn định tốc độ động cơ hay điều khiển nhanh chậm. Cảm biến tốc độ mà ta chọn là photointerrupter. Đây là loại cảm biến được sử dụng nhiều trong đo tốc độ quay. Nó làm việc tin cậy và sử dụng dễ dàng trong ứng dụng vi xử lý để chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang số. Nguyên lý làm việc Photointerrup cấu tạo gồm một mắt phát và mắt thu. Để đo tốc độ ta sử dụng một tấm nhôm mỏng gắn trên bánh đà của động cơ, khi bánh đà quay nó sẽ quay cùng với bánh đà. Khi tấm nhôm quay qua rãnh của photointerrup thì nó sẽ đóng vai trò là vật cản chắn ánh sáng đi qua photointerrup, nó phá vỡ các chùm tia giữa mắt phát và mắt thu. Do đó tín hiệu qua mắt phát và mắt thu bị gián đoạn khi có vật cản đi qua.. Hình 3-16. Cấu tạo của cảm biến tốc độ (photointerrupter) Khi quay ánh sáng chiếu đến phototransistor lúc bị ngăn lại, lúc không bị ngăn lại làm cho tín hiệu ở cực colector là một chuỗi xung, Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng số lần ánh sáng bị cắt. Khi đó tín hiệu được truyền về bộ vi xử lý và chuyển thành số vòng quay. Các thông số của photointerupter ITR-H-0115 Ký hiệu Thông số Tối đa Đơn vị Đầu vào Pd Năng lượng tiêu thụ 60 mW VR Điện áp đảo chiều 5 V IF Cường độ dòng điện chuyển tiếp 50 mA Đầu ra Pd Năng lượng tiêu thụ 10 mW IC Cường độ dòng điện collector 20 mA VCEO Điện áp collector-emiter 30 V 3.2.2.4. Van điện từ (solenoil vavle) Van điện từ được lắp trên đường ống dẫn nhiên liệu LPG và DO có tác dụng đóng, ngắt mạch cấp LPG và DO. Khi động cơ hoạt động, van điện từ mở cho phép nhiên liệu đi vào động cơ. Khi động cơ không hoạt động hoặc gặp sự cố thì điều khiển đóng van điện từ để ngừng cấp nhiên liệu vào động cơ. Hình 3-17. Sơ đồ nguyên lý của van điện từ 1 - Cuộn dây 2 - Lõi thép 3 - Ty van 4 - Nhiên liệu đi vào 5 - Nhiên liệu đi ra Nguyên lý hoạt động của van điện từ Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây sinh ra từ trường, lực điện từ sinh ra, nâng lõi thép và ty van đi lên, nhiên liệu theo đường 4 qua đường 5 đến động cơ. Ngược lại khi không cấp điện cho cuộn dây, lõi thép và ty van tỳ xuống không cho nhiên liệu từ 4 qua 5. Hình 3-18. Hình ảnh thực tế của van điện từ 3.2.2.5. Bộ xử lý trung tâm Bộ xử lý trung tâm có nhiệm vụ biến đổi các thông số đầu vào như tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến nhiệt độ khí xả, cảm biến tốc độ động cơ, đưa về để xuất giá trị của chúng ra LCD. Từ các giá trị của tốc độ động cơ ta điều khiển cơ cấu chấp hành điều khiển tay ga động cơ, van tiết lưu và đóng mở van điện từ. Hiện nay có rất nhiều loại vi điều khiển trên thị trường đang được sử dụng như 8051, pic, AVR... nhưng loại vi điều khiển AVR hiện nây đang được sử dụng rất rộng rãi vì chúng có tính năng ưu việt hơn các loại vi điều khiển khác. Bằng việc kết hợp 1 bộ 8-bit RISC CPU với In-System Self-Programmable Flash trong chỉ nguyên vẹn 1 chip Atmel Atmega16L là một bộ vi điều khiển mạnh có thể cung cấp giải pháp có tính linh động cao, giá thành rẻ cho nhiều ứng dụng điều khiển nhúng. Hệ thống nhúng là một hệ tính toán nằm trong sản phẩm, tạo thành một phần của hệ thống lớn hơn và thực hiện một số chức năng của hệ thống ) Atmega16L AVR được hỗ trợ bởi bộ chương trình đầy đủ và các tool (tiện ích) để phát triển hệ thống, báo gồm: Bộ biên dịch C,macro assemblers, program debugger/simulators (chương trình mô phỏng) in-circuit emulators (mạch mô phỏng) và evaluation kits (kit phát triển). Do đó ta lựa chọn vi điều khiển Atmega16 làm bộ xử lý trung tâm trong mạch điều khiển. 3.2.2.5.1 Tổng quan về vi điều khiển ATMEGA 16 Vi điều khiển AVR (Atmel Norway design) thuộc họ vi điều khiển Atmel, nó là họ Vi điều khiển mới trên thị trường cũng như đối với người sử dụng. Đây là họ Vi Điều Khiển được chế tạo theo kiến trúc RISC (Reduced Intruction Set Computer) có cấu trúc khá phức tạp. Ngoài các tính năng như các họ vi điều khiển khác, nó còn tích hợp nhiều tính năng mới rất tiện lợi cho người thiết kế và lập trình. Sự ra đời của AVR bắt nguồn từ yêu cầu thực tế là hầu hết khi cần lập trình cho vi điều khiển, chúng ta thường dùng những ngôn ngữ bậc cao HLL (Hight Level Language) để lập trình ngay cả với loại chip xử lí 8 bit trong đó ngôn ngữ C là ngôn ngữ phổ biến nhất. Tuy nhiên khi biên dịch thì kích thước đoạn mã sẽ tăng nhiều so với dùng ngôn ngữ Assembly. Hãng Atmel nhận thấy rằng cần phải phát triển một cấu trúc đặc biệt cho ngôn ngữ C để giảm thiểu sự chênh lệch kích thước mã đã nói trên. Và kết quả là họ vi điều khiển AVR ra đời với việc làm giảm kích thước đoạn m. khi biên dịch và thêm vào đó là thực hiện lệnh đúng đơn chu kỳ máy với 32 thanh ghi tích lũy và đạt tốc độ nhanh hơn các họ vi điều khiển khác từ 4 đến 12 lần. Vì thế nghiên cứu AVR là một đề tài khá lý thú và giúp cho học sinh, sinh viên biết thêm một họ vi điều khiển vào loại mạnh hiện nay. PHÂN LOẠI AVR + AT90S8535: Không có lệnh nhân hoặc chia trên thanh ghi. + ATMEGA 8, 16, 32 (AVR loại 8 bit, 16 bit, 32 bit): Là loại AVR tốc độ cao, tích hợp sẵn ADC 10 bit. + AVR tích hợp sẵn LCD driver : Atmega169,329 + AVR có tích hợp SC (power stage controller): AT90PWM thường dùng trong các ứng dụng điều khiển động cơ hay chiếu sáng nên chúng gọi là lighting AVRIS + Attiny11, 12, 15: AVR loại nhỏ. Các đặc điểm chính 1- Kiến trúc RISC ( có nghĩa là máy tính dùng tập lệnh rút gọn, bộ vi xử lý kiểu này thực hiện ít lệnh hơn những bộ vi xử lý khác ) với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy nhập bộ nhớ nạp – lưu trữ và 32 thanh ghi đa năng. 2- Có nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chip, bao gồm: Cổng vào/ra số, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ EEFROM, bộ định thời, bộ điều chế độ rộng xung (PWM), … 3- Hầu hết các lệnh đều thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp. 4- Hoạt động với chu kỳ xung nhịp cao, có thể lên đến 20 MHz tuỳ thuộc từng loại chip cụ thể. 5- Bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu được tích hợp ngay trên chip. 6- Khả năng lập trình được trong hệ thống, có thể lập trình được ngay khi đang được cấp nguồn trên bản mạch không cần phải nhấc chip ra khỏi bản mạch. 7- Hỗ trợ cho việc lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao – ngôn ngữ C. Hình 3-19. Sơ đồ kiến trúc AVR Để tối đa hoá hiệu năng tính năng và song song, AVR sử dụng kiến trúc Harvard với bộ nhớ riêng biệt và các BUS cho chương trình và dữ liệu. Các câu lệnh trong bộ nhớ chương trình được hoạt với một đường ống lệnh mức đơn. Trong khi một lênh đang thực hiện, lệnh tiếp theo sẽ được nạp trước vào từ bộ nhớ chương trình. Điều này làm cho các lệnh được thực hiện trong mọi chu kỳ đồng hồ. Bộ nhớ chương trình là bộ nhớ In-System Reprogrammable Flash. Tập thanh ghi truy cập nhanh bao gồm 32 thanh ghi đa năng 8 bit với thời gian truy cập là 1 chu kỳ đơn. Điều này cho phép ALU hoạt động trong một chu kỳ đơn. Một thao tác điển hình với 2 toán hạng được của ALU, 2 toán hạng được lấy ra từ tệp thanh ghi để thực hiện, và là kết quả được lưu trữ lại trong tệp thanh ghi trong một chu kỳ đồng hồ. 6 trong số 32 thanh ghi có thể sử dụng như là 3 thanh ghi con trỏ địa chỉ gián tiếp 16 bit để chỉ vào vùng dữ liệu phục vụ cho tính toán địa chỉ hiệu dụng. 3.2.2.3.2 Đặc điểm của ATMEGA 16 Hiệu năng cao, tiêu thụ năng lượng ít Kiến trúc RISC - Reduce Instruction Set Computer ( có nghĩa là máy tính dùng tập lệnh rút gọn, bộ vi xử lý kiểu này thực hiện ít lệnh hơn những bộ vi xử lý khác ) 131 lệnh mạnh, hầu hết các lệnh thực hiện trong một chu kỳ. 32 Thanh ghi 8-bit đa năng. Tốc độc thực hiện lờn tới 16 triệu lệnh trong 1 giơy với tần số 16MHz Có 2 bộ nhân, mỗi bộ thực hiện trong thời gian 2 chu kỳ Các bộ nhớ chương trình và dữ liệu cố định. 16 Kb bộ nhớ flash cú khả năng tự lập trình trong hệ thống. Có thể thực hiện được 10.000 lần ghi/xóa. Vùng mà Boot tuỳ chọn với những bit khác độc lập. Lập trình trên trong hệ thống bởi chương trình on-chip Boot. Thao tác đọc trong khi ghi thực sự. 512 bytes EEFROM. Có thể thực hiện 100.000 lần ghi /xóa. 1Kb SRAM bên trong. Lập trình khóa an ninh phần mềm. Giao diện nối tiếp đồng bộ ( chuẩn IEEE stđ.1149.1). Khi thực hiện trao đổi với các dữ liệu tương thích thì khung dữ liệu 8 bit giữa hai thiết bị được truyền đồng bộ ( cùng xung nhịp đồng hồ. Lập trình bộ nhớ Flash, EPROM, ngắt, khóa, bit thông qua giao diện JTAG. Hình 3-20. Sơ đồ nguyên lý của ATmega16 Ghép nối ngoại vi: 2 bộ định thời/ bộ đếm 8 bit với các chế độ tỷ lệ định trước và chế độ so sánh. 1 bộ định thời/ bộ đếm 16 bit với các chế độ tỷ lệ định trước riêng biệt, chế độ so sánh và chế độ bắt giữ. Bộ thời gian thực với bộ tạo dao động riêng biệt. 4 kênh PWM. 8 kênh, ADC 10 bit. Giao điện nối tiếp 2 dây hướng tới byte. Bộ truyền tin nối tiếp USART khả trình. Giao diện SPI chủ / tớ. Watchdog Timer khả trình với bộ tạo dao động bên trong riêng biệt. Máy so mẫu tương tự bên trong. Các đặc điểm đặc biệt khác. Power-on Reset và d. Brown-out khả trình. Bộ tạo dao động được định cỡ bên trong. Các nguồn ngắt bên trong và bên ngoài. 6 chế độ ngủ: Nhàn rỗi, giảm ồn ADC, tiết kiệm năng lượng, giảm năng lượng tiêu thụ, giảm năng lượng tiêu thụ, chờ, đóng băng trạng thái. I/O và các loại. 32 đường I/O khả trình. Điện áp hoạt động: 2.7 - 5.5 V. Nhiệt độ hoạt động: -40oC - 85oC Các tốc độ: 0-8 MHz khi điện áp 2.7 - 5.5 V, 0 – 16 MHz khi điện áp 4.5 - 5 V. Tiêu thụ năng lượng tại 1 MHz, 3V, 25oC đối với ATmega16L. Hoạt động tích cực: 1.1mA. Chế độ nghỉ ở 0.35 mA. Chế độ năng lượng thấp: <1 μA khi điện áp 2.7V. Kiến trúc AVR có 2 không gian bộ nhớ chính bao gồm bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu. Thêm vào đó, Atmega16L có một bộ nhớ EEPROM để lưu trữ dữ liệu. Tất cả 3 không gian này là tuyến tính và như thường lệ. 1.3.6.1 In-System Reprogrammable Flash Program Memory – bộ nhớ chương trình Flash có thể lập trình lại nằm bên trong vi xử lí. Atmega16L chứa 16K bytes bộ nhớ Flash có thể lập trình lại được nằm trong chip để chứa chương trình. Từ khi tất cả các lệnh của AVR là 16 hoặc 32 bit thì Flash được tổ chức thành 8Kx16. Vì lí do an toàn phần mềm nên bộ nhớ chương trình Flash được chia thành 2 vùng: Vùng nạp chương trình boot (chương trình khởi động) và vùng chương trình ứng dụng. Hình 3-21. Sơ đồ chân của vi điều khiển ATMEGA 16 3.2.2.5.2. Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm Hình 3-22. Sơ đồ mạch điều khiển tay ga và van tiết lưu 3.2.2.5.3. Sơ đồ thuật toán chương trình chính và giải thuật kiểm tra phím nhấn Chương trình chính RESET vòng lặp vô tận Gọi chương trình kiểm tra bàn phím Cập nhật dữ liệu T1, T2, n Khởi tạo các biến chính T1: nhiệt độ nước làm mát T2: nhiệt độ khí xả n: tốc độ quay của động cơ Khởi tạo các khối chức năng phần cứng Cập nhật dữ liệu cho T1, T2, n True Bắt đầu chuyển đổi Hoàn tất chuyển đổi False Đọc kết quả chuyển đổi AD cho T1, T2, n Và chuyển đổi dữ liệu Lưu vào SRAM Return Thủ tục cập nhật dữ liệu T1, T2, n Lưu đồ giải thuật chương trình kiểm tra phím nhấn (chưa xong) Kiểm tra phím nhấn Nhấn RESET True False n = 0 DO = 0% LPG = 0% True Nhấn DO/DO-LPG n>0 DO>0% LPG=0% Mở solenoid valve DO n>0 DO>0% LPG>0% Mở solenoid valve DO và LPG CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1.Mục đích Mục đích của quá trình thực nghiệm này là xem xét và đánh khả năng đáp ứng của bộ điều khiển khi động cơ hoạt động. 4.2.Trang thiết bị thí nghiệm Để phục vụ cho quá trình thí nghiệm ta cần phải có các trang thiết bị sau: Động cơ Diesel 4CH JANMAR. Dầu Diesel phục vụ cho thí nghiệm Bình nhiên liệu LPG. Đường ống dẫn nhiên liệu LPG. Bộ hóa hơi giảm áp. Bộ trộn LPG. Van tiết lưu. Bộ điều khiển điện tử điều chỉnh van tiết lưu và tay ga động cơ. Bộ đo tốc độ, nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nước làm mát của động cơ. Bộ tạo tải cho động cơ: Phanh thủy lực. 4.3. Sơ đồ bố trí thực nghiệm Bình LPG Bộ giảm áp hóa hơi Van tiết lưu Bộ trộn LPG-không khí Động cơ Máy đo công suất ECU Hình 4-1. Sơ đồ khối bố trí thực nghiệm Các trang thiết bị được bố trí tại phòng thực hành động cơ của bộ môn động lực. Điều kiện không gian tại đây hoàn toàn thích hợp để chạy thực nghiệm. Sơ đồ bố trí các thiết bị thực nghiệm Hình 4-2. Sơ sồ bố trí trang thiết bị thực nghiệm Hình 4-3. Điều khiển van tiết lưu dùng Servo motor Hình 4-4. Điều khiển tay ga động cơ dùng Servo motor Hình 4-5. Mạch điều khiển Hình 4-7. Lắp đặt cảm biến tốc độ trên động cơ Hình 4-6. Lắp đặt bộ trộn DO-LPG trên họng nạp 4.4. Tiến hành thực nghiệm 4.4.1.Điều kiện tiến hành thí nghiệm Trước khi tiến hành thí nghiệm ta phải có một số điều kiện sau: Bình LPG phải đảm bảo an toàn. Chuẩn bị các thiết bị chữa cháy khi có sực cố xảy ra. Bố trí các trang thiết bị hợp lý. Các thiết bị được để gọn khộng bị chồng chéo lên nhau nhằm tránh gây hư hỏng cho các thiết. Đảm bảo các điều kiện chạy thử nghiệm động cơ: Nước làm mát động cơ. Bình accu cấp nguồn cho mạch. Dầu DO, LPG. Bình accu khởi động động cơ. 4.4.2. Quy trình tiến hành thực nghiệm Để động cơ có thể hoạt động tốt với hỗn hợp LPG-DO ta điều chỉnh lưu lượng LPG cung cấp cho động cơ thông qua điều chỉnh lưu lượng LPG vào ở van tiết lưu. Ta có quy trình thực nghiệm như sau: Bật công tắc cho mạch điện tử hoạt động Thiết đặt vị trí tay ga động cơ. Cho động cơ khởi động với nhiên liệu diesel. Để động cơ chạy một thời gian. Mục đích là để có đủ thời gian cho nước làm mát nóng lên. Cấp gas vào động cơ. Điều chỉnh độ mở của van tiết lưu ở các vị trí khác nhau thông qua núm vặn điều chỉnh động cơ servo điều khiển van tiết lưu. Ghi lại tốc độ động cơ và thời gian ổn định của hệ thống ở chế độ không tải. Tiến hành thử tải. Ghi lại các thông số của động cơ, thời gian ổn định của hệ thống đến khi tải của động cơ được cấp. Chạy thử ở từng chế độ tải khác nhau và kết thúc chạy thử khi chạy ở mức tải cuối cùng. Chúng ta điều chỉnh tải theo mô men (Me) trên phanh thủy lưc. Thử chạy lại động cơ một lần nữa. Kết thúc thử nghiệm. 4.4.3. Kết quả chạy thử nghiệm 4.4.3.1 Bảng số liệu chạy thực nghiệm Trong các bảng số liệu thì các ký hiệu: %DO - là mức điều chỉnh núm vặn điều khiển động cơ servo kéo tay ga. %LPG - là mức điều chỉnh núm vặn điều khiển động cơ servo kéo van tiết lưu. Me - Mô men theo từng mức tải đo trên phanh thủy lực. Bảng 4-1. Số liệu chạy thực nghiệm chạy không tải nDO nLPG %DO %LPG HSUDO (%vol) HSUDO-LPG (%vol) 1100 1140 27 30 2.1 1.3 1200 35 1.3 1240 40 1.3 1200 1228 31 30 2.1 1.3 1279 35 1.3 1322 40 1.3 1300 1362 37 30 2.1 1.3 1384 35 1.3 1431 40 1.3 1400 1472 42 30 2.3 1.3 1486 35 1.3 1520 40 1.3 Bảng 4-2. Số liệu chạy thực nghiệm có tải n Me Ne %DO %LPG nDO v/ph nLPG v/ph MeDO (Foot-pound) NeDo (HP) NeLPG (HP) 920 1000 3 1.15 1.6 26 30 1073 2.04 35 1196 2.65 40 986 6 2.30 2.69 29 30 1061 3.20 35 1194 3.70 40 995 8 3.07 3.80 30 30 1027 4.35 35 1182 5.30 40 1110 1147 3 1.39 2.20 35 30 1238 3.01 35 1316 3.90 40 1131 6 2.78 4.18 37 30 1186 4.64 35 1286 5.20 40 1127 8 3.72 4.36 39 30 1218 4.96 35 1279 5.94 40 1273 1321 3 1.60 2.29 41 30 1370 2.72 35 1422 3.43 40 1316 6 3.20 3.70 44 30 1395 4.37 35 1441 5.62 40 1324 8 4.26 5.33 46 30 1376 5.97 35 1431 6.72 40 Bảng 4- 3. Độ đục khí xả của động cơ chạy có tải với DO Tốc độ MeDO (Foot-pound) Ne (HP) HSU (%vol) %DO 920 3 1.15 5.8 26 6 2.30 8.4 29 8 3.07 9.7 30 1110 3 1.39 12.5 35 6 2.78 14.3 37 8 3.72 15.7 39 1273 3 1.60 15.9 41 6 3.20 17.2 44 8 4.26 17.9 46 Bảng 4-4. Đo các thông số của khí xả động cơ chạy có tải với DO-LPG %DO %LPG 30 35 40 HSU HC CO HSU HC CO HSU HC CO 26 3 350 0.4 2.7 360 0.42 2.5 380 0.45 29 3.05 342 0.38 2.73 350 0.42 2.54 372 0.43 30 3.05 331 0.38 2.75 341 0.4 2.6 351 0.42 35 3.06 315 0.37 2.78 332 0.39 2.66 340 0.42 37 3.08 301 0.36 3 314 0.38 2.7 320 0.4 39 4 286 0.32 3.2 298 0.36 2.74 314 0.38 41 4.2 266 0.27 3.6 273 0.33 2.8 298 0.33 44 4.6 240 0.23 4 241 0.3 3.2 280 0.3 46 4.8 220 0.21 4.5 235 0.24 3.8 267 0.26 Hình 4-8. Đồ thi độ đục khí xả của động cơ khi chạy có tải với DO-LPG theo % LPG khác nhau Hình 4-9. Đồ thi HC khi chạy có tải với DO-LPG theo % LPG khác nhau Hình 4-10. Đồ thi CO khi chạy có tải với DO-LPG theo % LPG khác nhau 4.4.3.2 Nhận xét Cho LPG qua bộ giảm áp hóa hơi trước khi được đưa vào động cơ: Động cơ hoạt động tốt với nhiên liệu LPG (dạng hơi). Thời gian ổn định ngắn. Điều khiển đơn giản Độ đục khí xả khi chạy hỗn hợp DO-LPG giảm so với chạy nhiên liệu DO. Từ các đồ thị ta thấy độ đục khí xả (HSU) giảm khi ta tăng lượng LPG cấp vào cho động cơ. Nồng độ HC và CO tăng khi tăng lượng LPG cấp vào động cơ. Kết quả đạt được: Hệ thống cung cấp DO-LPG không làm thay đổi kết cấu và các hệ thống phục vụ cho động cơ. Chi phí cho chuyển đổi hệ thống từ sử dụng DO sang sử dụng DO-LPG thấp. Hệ thống cung cấp DO-LPG hoàn toàn phù hợp với yêu cầu làm việc của động cơ. Bộ điều khiển điện tử có khả năng đáp yêu cầu làm việc của hệ thống. Hạn chế: Chưa khắc phục được việc bộ điều tốc của động cơ cắt bớt nhiên liệu diesel khi cho LPG vào. Việc điều chỉnh lượng DO vào LPG vào động cơ chưa xác định được tỉ lệ DO-LPG theo chi phí nhiên liệu, mà mới chỉ điều chỉnh theo phần trăm núm vặn điều chỉnh điều khiển tay ga động cơ và động cơ servo. Khi tốc độ động cơ trên 1400 v/ph thì động cơ servo kéo tay ga bị quá tải không kéo được tay ga động cơ để tăng tốc. Nguyên nhân là do tác dụng của lò xo điều tốc bên trong. Tương tự như đối với động cơ servo điều khiển tay ga thì động cơ servo điều khiển van tiết lưu cũng bị quá tải khi áp điều chỉnh áp suất gas ra lớn ( hơn 3.5 KG/cm2). Do động cơ cũ và việc bệ máy của động cơ không được cố định với nền nên chưa thử chạy được ở lượng cấp LPG vào động cơ nhiều. Tôi mới chạy ở khoảng điều chỉnh LPG ở mức thấp. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN KẾT LUẬN Sau một thời gian làm đề tài tôi tổng hợp được các phương án điều khiển cung cấp LPG cho động cơ. Trên cơ sở đó tôi đã lựa chọn được bộ điều khiển cung cấp DO-LPG cho động cơ 4CH-JANMAR phù hợp với tình hình của bộ môn động lực và trình độ kỹ thuật của nước ta hiện nay. Tôi đã chế tạo được bộ điều khiển cung cấp dầu DO và khí hóa lỏng LPG theo phương án đã nêu cho động cơ 4CH-JANMAR khi chạy hỗn hợp DO-LPG làm nhiên liệu. Hệ thống này là phù hợp với điều kiện tại bộ môn động lực hiện nay. Tôi đã chạy thử nghiệm hệ thống cung cấp DO-LPG và đã tiến hành đo lấy số liệu. Do thời gian ngắn và trình độ chuyên môn còn hạn chế nên tôi vẫn chưa thể hoàn thiện hệ thống của mình để hệ thống làm việc tốt nhất. ĐỀ XUẤT Ý KIẾN Từ những hạn chế còn tồn đọng tôi đưa ra một số đề xuất như sau: Tìm biện pháp khắc phục việc cắt nhiên liệu của bộ điều tốc khi cấp LPG vào động cơ. Chúng ta có thể nghiên cứu sử dụng bộ điều tốc điện tử. Thiết kế thiết bị đo chi phí nhiên liệu có thể đo được lượng dầu diesel và lượng LPG cấp vào động cơ để có thể xác định được tỷ lệ DO-LPG cấp vào động cơ. Lựa chọn cơ cấu chấp hành có khả năng tải cao hơn. Như vậy việc điều chỉnh tay ga và van tiết lưu không bị hạn chế. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Ngô Diên Tập (2003) Kỹ Thuật Vi Điều Khiển Với AVR. NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội 2. Dương Minh Trí (2001), Cảm biến và ứng dụng – Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật 3. Dieter Haidvogel (1971), Method and apparatus for supplying gaseous and liquid fuels to a Duel-fuel engine, Vienna, Austria 4. GS.TS Nguyễn Tất Tiến (2003), Nguyên lý động cơ đốt trong. 5. KS Lê Minh Tiến, Nghiên cứu hệ thống nhiên liệu cho động cơ dual-fuel sử dụng Diesel và biogas kéo máy phát điện, Đại học Đà Nẵng 2008. 6. Scott Jensen- Energy Conversions Inc. 1/12/06. Converting Diesel Engines to Dual Fuel The Pros and Cons of Common Gas Engine Types 7. MINWAFOR.. Sadhana Vol. 27, Part 3, June 2002 © Printed in India. Knock characteristics of dual-fuel combustion in diesel engines using natural gas as primary fuel. 8. Trang Web: www.mrshankey.com/lpg.htlm w.w.w.Dieselongas.com www.go-lpg.co.uk www.aeplus.com/juornals/electronic study an zolect controlled liquefied.pdf ebook.edu.net.vn/resource/iportal/ebook/uploads/file/DHDanang/otoonhiemmoitruong/ chuong8-1u.pdf