Nghiên cứu ứng dụng phần mềm LabVIEW trong thí nghiệm động cơ đốt trong

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẶNG ĐÌNH ĐƯỢC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM LabVIEW TRONG THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Chuyên ngành: Kỹ thuật Động cơ nhiệt Mã số: 60.52.34 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2012 2 Cơng trình được hồn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Trần Thanh Hải Tùng Phản biện 1: TS. Dương Việt Dũng Phản biện 2: TS. Phùng Xuân Thọ Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 16 tháng 12 năm 2012 Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin-Học liệu. Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu. Đại học Đà Nẵng 3 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong tình hình hiện nay, với trọng tâm là đổi mới giáo dục Đại học, nhiều trường Đại học, Cao đẳng đang bắt đầu cải tiến các trang thiết bị phịng thí nghiệm với mục tiêu là tăng cơ hội tiếp cận của sinh viên với các vấn đề thực tiễn. Trong quá trình học tập nghiên cứu được thực hiện tại các phịng thí nghiệm, với các thiết bị thí nghiệm cũ đã lạc hậu thì khơng đáp ứng đủ yêu cầu của người học, nếu trang bị đồng bộ, hiện đại thì chi phí quá cao. Do đĩ, nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ thơng tin trong các phịng thí nghiệm nĩi chung và ngành Kỹ thuật động cơ nhiệt nĩi riêng, cĩ thể giúp cho người học cĩ thể mơ phỏng quá trình thí nghiệm của mình trên máy tính cá nhân của mình với những thơng số đầu vào cho trước và kết quả phân tích nhanh, chính xác nhất. Bên cạnh đĩ, làm thí nghiệm để nghiên cứu hồn thiện động cơ đốt trong nhằm làm tăng cơng suất, tiết kiệm nhiên liệu đạt hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường đã trở thành mục tiêu hàng đầu và các hãng sản xuất ơ tơ hiện nay trên thế giới. Do đĩ nghiên cứu hồn thiện động cơ giúp người học nắm vững các vần đề về thực nghiệm chuyên ngành của mình, từ đĩ đưa ra nhận xét, giải pháp để cải thiện động cơ được nghiên cứu. Ngày nay, trước sự phát triển mạnh mẽ của ngành điện tử và ngành cơng nghệ thơng tin và đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn. Các hệ thống, cơ cấu trên động cơ hầu hết được điều khiển và hoạt động theo lập trình. Các thiết bị kiểm tra và đo đạc cũng được hồn tồn tự động hĩa, do đĩ người học cần phải nắm vững các nguyên lý cơ bản, bản chất của quá trình (đo, đếm, nguyên lý hoạt động của cảm biến…) và việc ứng dụng các thiết bị điện tử và cơng 4 nghệ thơng tin vào động cơ hiện nay cũng dần được thay thế bằng cách điều khiển và đo đạc bằng phương thức cơ khí như trước đây. Máy tính cá nhân được sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu và học tập, để trang bị một máy tính chuyên dụng như ở phịng thí nghiệm thì rất tốn kém. Do đĩ với chiếc máy tính cá nhân, thiết bị ngoại vi và chương trình phần mềm, qua các giao thức truyền thơng như USB, RS-232, RS-485, GPIB,… là cĩ thể thu thập các thơng tin, các thơng số hoạt động của động cơ đốt trong và xử lý thơng tin bằng phần mềm trên máy tính, với phần mềm ta đã lập trình sẵn theo ý muốn kết quả cần thu thập để phục vụ cho việc nghiên cứu bằng thực nghiệm. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Nghiên cứu ứng dụng phần mềm LabVIEW để kết nối các thiết bị ngoại vi được gắn trên thiết bị đo và động cơ cần thí ngiệm, từ đĩ xây dựng một thiết bị thí nghiệm động cơ đốt trong gồm hệ thống kiểm tra và đo lường các thơng số trong động cơ đốt trong, để nghiên cứu đặc tính động cơ hoặc các thơng số ảnh hưởng đến động cơ. Với các phương pháp thu thập tín hiệu từ các cảm biến trên thiết bị đo và trên động cơ đốt trong, cĩ thể mở rộng với việc nghiên cứu các động cơ khác nhau và thơng số khác nhau. 3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Đề tài nghiên cứu phương pháp thu thập các thơng số trên động cơ cỡ nhỏ, một xylanh (10÷20) mã lực điều khiển hồn tồn bằng cơ khí, cụ thể động cơ KUBOTA GX125-2X-NB-GE và băng thử FROUDE là thiết bị đo cơng suất động cơ. 5 Các thơng số cụ thể đĩ là: Lưu lượng khí nạp, nhận biết động cơ khi bị kích nổ, tốc độ động cơ, mơmen và cơng suất phát ra của động cơ, nhiệt độ làm việc của động cơ và nồng độ ơxy tại ống thải. 4. PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU - Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết: Tham khảo tài liệu, nghiên cứu bản chất, nguyên lý hoạt động của các thiết bị đo, cảm biến và quá trình chuẩn các thơng số đầu vào, phân tích, tổng hợp, rút ra kết luận. Nghiên cứu thực nghiệm: Vận hành động cơ, băng thử và kích hoạt máy tính ở các chế độ vận hành, thu thập và xử lý số liệu, kết luận. - Thiết bị nghiên cứu: Thiết bị bao gồm băng thử thủy lực FROUDE và động cơ Diesel KUBOTA RX125-2X-NB-GE tại Trung tâm nghiên cứu ứng dụng năng lượng thay thế - Đại học Đà Nẵng. Các thiết bị đo, các cảm biến và thiết bị chuyển đổi tín hiệu được tận dụng khai thác từ các thiết bị được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp và trên xe ơtơ hiện nay cụ thể như: Cảm biến gĩc quay (Encoder), cảm biến lực (Loadcell), cảm biến nhiệt độ, cảm biến kích nổ, cảm biến lưu lượng khí nạp và cảm biến ơxy là các phụ tùng thay thế trên xe ơ tơ hiện nay. Các thiết bị ngoại vi gồm Card giao tiếp với LabVIEW qua chuẩn RS-232 hoặc Card NI - USB 6009. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Với động cơ cỡ nhỏ, một xylanh, điều khiển hồn tồn bằng cơ khí ta cĩ thể dễ dàng cải tiến, thay đổi các kết cấu của động cơ, thay đổi hay phối trộn nhiên liệu sử dụng để nghiên cứu tìm hiểu quy luật, các mối quan hệ giữa các thơng số của động cơ đốt trong nhằm nâng cao cơng suất, hiệu suất và giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường. 6 Nghiên cứu ứng dụng phần mềm LabVIEW để thu nhận các tín hiệu từ các cảm biến gắn trên động cơ đốt trong vào máy tính, và được hệ thống hĩa các thơng số từ các tín hiệu thu được khi động cơ hoạt động ở các chế độ cần kiểm tra. Kết quả đạt được của đề tài đã xây dựng được một thiết bị để thí nghiệm động cơ đốt trong và một số bài thực nghiệm chuẩn tương ứng với thiết bị. 6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN Cấu trúc luận văn “Nghiên cứu ứng dụng phần mềm LabVIEW trong thí nghiệm động cơ đốt trong” gồm Phần mở đầu, Kết luận – hướng phát triển của đề tài và bốn chương cụ thể là: MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG PHẦN MỀM LabVIEW TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.1.1. Tình hình ứng dụng phần mềm LabVIEW trên thế giới Phần mền LabVIEW đã được sử dụng phổ biến ở trong các phịng thí nghiệm các quốc gia phát triển trong các lĩnh vực đo lường, tự động hĩa, cơ điện tử, robotics, vật lý, tốn học, hàng khơng, sinh học, vật liệu học, ơtơ..v.v. 1.1.2. Tình hình ứng dụng phần mềm LabVIEW ở Việt Nam 7 Phần mềm LabVIEW được các sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh của các trường đại học kỹ thuật trong nước ứng dụng nhiều trong các cơng trình nghiên cứu khoa học. 1.2. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LabVIEW VÀ ỨNG DỤNG 1.2.1. Giới thiệu phần mềm LabVIEW a. Lịch sử hình thành và tính năng phần mềm LabVIEW Phần mềm LabVIEW được phát triển bởi cơng ty National Intrument (NI) của Hoa Kỳ, LabVIEW là từ viết tắt của cụm từ Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench. Về bản chất phần mềm LabVIEW là một mơi trường để lập trình cho ngơn ngữ lập trình đồ họa, hay cịn gọi là ngơn ngữ lập trình G (Graphic). b. Giới thiệu mơi trường LabVIEW 2010 Giao diện phần mềm LabVIEW gồm hai phần chính: − Thiết bị đo ảo (Virtual Instruments – VI) là một thiết bị đo cá nhân được sử dụng để gọi các thiết bị được xây dựng và thiết kế bằng chương trình LabVIEW trên nền máy tính. − Mặt máy (Front Pannel) là giao diện của thiết bị với người dùng. Trên mặt máy tập hợp các nút điều khiển, cơng tắc…và các chỉ thị như đồng hồ, đồ thị…tương ứng vời các đầu vào, đầu ra trên một VI. 1.2.2. Ứng dụng phần mềm LabVIEW Phần mềm LabVIEW được nghiên cứu ứng dụng trong đề tài dùng để thu thập thơng số từ cảm được gắn thay thế trên băng thử thủy lực FROUDE và trên động cơ Diesel KUBOTA. 1.3. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG CARD NI-USB 6009 VÀ CARD GIAO TIẾP VỚI LabVIEW QUA CHUẨN RS-232 8 1.3.1. Card NI-USB 6009 Card NI-USB 6009 là một sản phẩm của hãng National Instruments, là thiết bị giao tiếp đa năng giữa máy tính và thiết bị thơng qua cổng USB. Bảng 1.1 thể hiện các thơng số của Card NI-USB 6009. 1.3.2. Card giao tiếp với LabVIEW qua chuẩn RS-232 Card được thiết kế dùng Vi Điều Khiển (VĐK) PIC18F4331 để thu thập tín hiệu cảm biến và điều khiển, gồm 9 kênh thu thập tín hiệu, 8 kênh xuất xung PWM và 20 chân điều khiển số. 1.4. NỘI DUNG, PHẠM VI VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU − Nội dung nghiên cứu: Ứng dụng phần mềm LabVIEW để xử lý thơng tin tín hiệu từ thiết bị đo và cảm biến để theo dõi và ghi nhận các thơng số của động cơ đốt trong. − Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lựa chọn và lắp đặt các thiết đo, cảm biến gắn trên băng thử thủy lực FROUDE và trên động cơ Diesel KUBOTA RX125-2X-NB-GE. − Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng một thiết bị thí nghiệm động cơ đốt trong và xây dựng một quy trình thí nghiệm. CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 2.1. LÝ THUYẾT TÍN HIỆU VÀ CẢM BIẾN 2.1.1. Lý thuyết tín hiệu Tín hiệu là biểu diễn của một đại lượng vật lý chứa đựng tham số thơng tin và truyền dẫn được. Hình 1.14. Card NI-USB 6009. 9 2.1.2. Lý thuyết cảm biến Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo m khơng cĩ tính chất điện và cho ta một đặc trưng mang bản chất điện (điện tích, điện áp, dịng điện hoặc trở kháng…) ký hiệu là s. 2.2. CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG 2.2.1. Khái niệm về kỹ thuật đo lường và đặc trưng. Kỹ thuật đo lường là ngành kỹ thuật nghiên cứu và ứng dụng các thành quả của đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống. 2.2.2. Cơ sở kỹ thuật đo lường a. Đại lượng đo b. Phương trình cơ bản của phép đo c. Phương pháp đo d. Đánh giá kết quả đo 2.3. LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Hệ thống điều khiển mà khơng cĩ sự tham gia trực tiếp của con người trong quá trình điều khiển được gọi là điều khiển tự động. 2.3.1. Hệ thống điều khiển tự động liên tục tuyến tính a. Phương trình vi phân tuyến tính b. Phép biến đổi Laplace c. Hàm truyền hệ thống 2.3.2. Hệ thống điều khiển tự động phi tuyến Một hệ thống điều khiển tự động được coi là phi tuyến nếu nĩ cĩ chứa ít nhất là một phần tử cĩ đặc tính hoạt động phi tuyến và được mơ tả bằng phương trình vi phân tuyến tính. 2.3.3. Hệ thống điều khiển xung tuyến tính 10 Nếu tại một mắt xích nào đĩ của tín hiệu khơng được truyền đi liên tục thì hệ thống được gọi là hệ thống điều khiển rời rạc tuyến tính hay cịn gọi là hệ thống điều khiển xung tuyến tính. 2.3.4. Đặc tính động học của hệ thống điều khiển tự động Đặc tính của hệ thống phản ánh mối liên hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào của hệ thống. 2.3.5. Ổn định của hệ thống điều khiển tự động Hệ thống điều khiển tự động được gọi là ổn định nếu sau khi bị phá vỡ trạng thái cân bằng do tác động của nhiễu, nĩ sẽ tự điều chỉnh để trở lại trạng thái cân bằng. 2.3.6. Phân tích chất lượng của hệ thống điều khiển Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động được đánh giá qua chỉ tiêu tính ổn định và các chỉ tiêu chất lượng khác ở trạng thái xác lập và trạng thái quá độ. 2.4. KẾT LUẬN Xây dựng và kết nối các thiết bị, cảm biến và phần mềm thành một hệ thống thiết bị thí nghiệm hồn chỉnh, do đĩ các thiết bị, cảm biến, tín hiệu phải cĩ sự kết hợp tương thích đồng bộ với chương trình được xây dựng trên phần mềm. CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Các cảm biến được sử dụng trong đề tài nhằm thu nhận các tín hiệu từ của các thơng số cần khảo sát của động cơ đốt trong, các cảm biến này được gắn trên động cơ cần nghiên cứu là những phụ tùng thay thế trên động cơ ơ tơ hiện nay. 11 Những cảm biến được gắn trên thiết bị đo cơng suất là những cảm biến được dùng trong cơng nghiệp, cụ thể là cảm biến gĩc quay và cảm biến lực, sơ đồ kết nối các cảm biến như ở hình 3.1. Hình 3.1. Sơ đồ kết nối cảm biến với phần mềm LabVIEW. 3.1. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO ĐỘNG CƠ DIESEL KUBOTA RX125-2X-NB-GE Hình 3.2. Động cơ Diesel KUBOTA RX125- 2X-NB-GE. 3.1.1. Đặc điểm động cơ 3.1.2. Các thơng số của động cơ Bảng 3.1 thể hiện các thơng số của động cơ Kubota RK125- 2X-NB-GE. 3.2. CÁC CẢM BIẾN GẮN TRÊN ĐỘNG CƠ 3.2.1. Cảm biến lưu lượng khí nạp 3.2.2. Cảm biến nồng độ ơxy 12 3.2.3. Cảm biến nhiệt độ 3.2.4. Cảm biến kích nổ 3.3. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO BĂNG THỬ THỦY LỰC FROUDE Băng thử thủy lực FROUDE dùng để đo cơng suất động cơ cĩ cơng suất đo từ 0 ÷ 200 mã lực. Hình 3.15. Cấu tạo băng thử thủy lực FROUDE. 1.Ống nước ra; 2.Ống nước vào; 3.Van chỉnh lượng nước vào; 4,11.Mặt bích nối trục các đăng; 5.Ổ đỡ trục; 6.Van điều chỉnh áp lực nước; 7.Đồng hồ đo khối lượng; 8.Cánh rơto; 9.Cánh stato (Điều chỉnh tải); 10.Đối trọng; 12.Chân đế. 3.4. CÁC CẢM BIẾN GẮN TRÊN BĂNG THỬ THỦY LỰC FROUDE 3.4.1. Cảm biến tốc độ động cơ 3.4.2. Cảm biến lực 3.5. THIẾT KẾ LẮP ĐẶT CÁC CẢM BIẾN TRÊN ĐỘNG CƠ VÀ BĂNG THỬ 3.5.1. Lắp đặt băng thử và động cơ 13 Hình 3.23. Bố trí lắp đặt băng thử FROUDE và động cơ KUBOTA. 1.Nền xưởng; 2.Bộ khung đế; 3.Đế băng thử; 4.Băng thử thủy lực; 5.Trục các đăng; 6.Động cơ; 7.Chân trụ tăng đơ; 8.Chân trượt trên bộ khung đế. 3.5.2. Lắp đặt các thiết bị đo lường, cảm biến và thiết bị kết nối để truy xuất tín hiệu ra máy tính a. Lắp đặt cảm biến lưu lượng khí nạp trên động cơ b. Lắp đặt cảm biến nhiệt độ nước làm mát trên động cơ c. Lắp đặt cảm biến ơxy trên động cơ d. Lắp đặt cảm biến kích nổ trên động cơ e. Lắp đặt encorder trên băng thử f. Lắp đặt loadcell trên băng thử 3.6. CHUẨN CÁC CẢM BIẾN Chuẩn thiết bị đo lường hay chuẩn cảm biến nhằm đánh giá đại lượng cần đo dưới dạng đồ thị hoặc đại số, mối quan hệ giữa các giá trị của đại lượng đo và giá trị đo được của đại lượng điện ở đầu ra cĩ tính đến các thơng số ảnh hưởng. 3.6.1. Chuẩn cảm biến lưu lượng khí nạp 3.6.2. Chuẩn cảm biến nhiệt độ nước làm mát 3.6.3. Chuẩn loadcell 14 3.7. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH VÀ GIAO DIỆN TRÊN PHẦN MỀM LabVIEW 3.7.1. Lưu đồ thuật tốn truyền nhận tín hiệu giữa LabVIEW và thiết bị ngoại vi Hình 3.38. Lưu đồ thuật tốn truyền nhận tín hiệu giữa LabVIEW và thiết bị ngoại vi. 3.7.2. Xây dựng biểu đồ khối trên phần mềm LabVIEW Các tín hiệu thu được từ cảm biến, người lập trình xây dựng một quá trình xử lý tín hiệu và cuối cùng là các biểu tượng cho ra kết quả đo, được thể hiện theo sơ đồ khối như sau: Hình 3.39. Sơ đồ các biểu tượng xây dựng trong biểu đồ khối. 15 Các đoạn chương chình được xây dựng thu thập, xử lý tín hiệu và xuất kết quả hiển thị trong luận văn được xây dựng trong vịng lặp While (While loop), lưu đồ thuật tốn vịng lặp While được thể hiện như sau: Hình 3.40.Biểu tượng vịng lặp While và lưu đồ thuật tốn. a. Chương trình thu thập xử lý tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát Chương trình thu thập xử lý tín hiệu điện áp từ cảm biến nhiệt độ được xây dựng như hình 3.41. Hình 3.41. Biểu đồ khối thu thập và xử lý tín hiệu cảm biến nhiệt độ. 1.Biểu tượng tín hiệu vào; 2.Các biểu tượng xử lý tín hiệu; 3.Các biểu tượng hiển thị kết quả. b. Chương trình thu thập xử lý tín hiệu cảm biến lưu lượng khí nạp 16 Hình 3.44. Biểu đồ khối thu thập và xử lý tín hiệu cảm biến lưu lượng. c. Chương trình thu thập xử lý tín hiệu cảm biến ơxy và kích nổ Hình 3.46. Biểu đồ khối thu thập và xử lý tín hiệu cảm biến ơxy. Hình 3.48. Biểu đồ khối thu thập và xử lý tín hiệu cảm biến kích nổ. d. Chương trình thu thập xử lý tín hiệu từ encoder 17 Chương trình thu thập xử lý tín hiệu từ encoder được xây dựng như ở hình 3.49. Hình 3.49. Biểu đồ khối thu thập và xử lý tín hiệu từ encoder. e. Chương trình thu thập xử lý tín hiệu từ Loadcell Chương trình được xây dựng kết hợp giữa hai tín hiệu từ Loadcel và Encoder như sau: Hình 3.53. Biểu đồ khối thu thập và xử lý tín hiệu loadcell và encoder. f. Xây dựng biểu đồ khối Vì đặc điểm của Card NI – USB 6009 là khơng trích mẫu đồng thời nên các biểu tượng thu thập dữ liệu từ các cảm biến phải được lấy tuần tự như hình 3.55. 18 Hình 3.55. Thu thập dữ liệu các tín hiệu qua cấu trúc tuần tự. Các biểu tượng xử lý tín hiệu đo và biểu tượng hiển thị kết quả được xây dựng chung trong một đoạn cấu trúc tuần tự như hình 3.56. Hình 3.56. Chương trình xử lý tín hiệu thành kết quả đo. 19 3.7.3. Xây dựng giao diện người sử dụng trên phần mềm LabVIEW Hình 3.57. Giao diện chính của chương trình. Giao diện người sử dụng được xây dựng dùng trong luận văn bao gồm các đồng hồ, đèn báo hiệu và nút điều khiển là giao diện chính được thể hiện trong tab “Dong ho theo doi” như hình 3.57, ngồi ra cịn cĩ các giao diện hiển thị các đồ thị và bảng số liệu. 3.8. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SAI SỐ CỦA THIẾT BỊ 3.8.1. Đánh giá thiết bị đo lưu lượng khí nạp 3.8.2. Đánh giá thiết bị đo nhiệt độ nước làm mát 3.8.3. Đánh giá thiết bị đo khối lượng 3.8.4. Đánh giá sai số các cảm biến kích nổ, ơxy và encoder 3.9. XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM Mơ hình thực nghiệm xây dựng như sau: 20 Hình 3.61. Mơ hình thực nghiệm. 1.Chân trụ tăng đơ; 2.Động cơ KUBOTA; 3.Bộ bình ổn khí nạp; 4.Đồng hồ áp lực nước; 5.Van điều chỉnh áp lực nước; 6. Băng thử thủy lực FROUDE; 7.Vơ lăng điều chỉnh tải. 3.10. KẾT LUẬN Chương trình phần mềm được xây dựng bằng “ngơn ngữ lập trình đồ họa” LabVIEW kết hợp với Card NI –USB 6009 đã thu thập và xử lý tín hiệu điện áp thành các giá trị đại lượng đo một cách nhanh chĩng và chính xác. Chỉ với việc xác định dạng tín hiệu và chức năng các chân trên Card NI –USB 6009 ta cĩ thể dễ dàng kết nối thành một hệ thống mà phần mềm LabVIEW cĩ thể nhận biết. Với những người chưa cĩ kiến thức về lập trình cũng cĩ thể dễ dàng tiếp cận sử dụng phần mềm này, vì các biểu tượng trên LabVIEW được xây dựng một cách đơn giản, thân thiện với tài liệu hướng dẫn, trợ giúp cĩ thể xuất hiện ở từng biểu tượng và ví dụ minh họa đơn giản. Với các cảm biến được lựa chọn lắp đặt trên động cơ, băng thử là phù hợp với các dải cần đo của động cơ với độ chính xác cao. 21 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 4.1. NỘI DUNG VÀ CÁC CHẾ ĐỘ THỰC NGHIỆM 4.1.1. Nội dung thực nghiệm 4.1.2. Các chế độ thực nghiệm 4.2. TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM Trình tự tiến hành thí nghiệm là các thao tác vận hành động cơ hoạt động ở chế độ thực nghiệm, các bước điều khiển vận hành thiết bị đo, theo dõi các thơng số thể hiện trên thiết bị và thu thập số liệu. Các bước tiến hành là những chỉ dẫn cụ thể việc sử dụng thiết bị sao cho an tồn trong quá trình hoạt động, kết quả đo được chính xác và đầy đủ nhất. 4.2.1. Trình tự tiến hành thực nghiệm a. Các bước tiến hành khi động cơ chưa hoạt động b. Các bước tiến hành khi động cơ hoạt động 4.2.2. Xây dựng các đường đặc tính 4.3. KẾT QUẢ ĐO CÁC THƠNG SỐ ĐỘNG CƠ THỰC NGHIỆM Các số liệu thu thập được từ chương trình LabVIEW đã được lưu sang file Excell là một bảng thể hiện các số lần lấy mẫu bao gồm các thơng số: Tốc độ động cơ N [v/p]; mơmen xoắn M [Nm]; cơng suất động cơ P [Hp]; lưu lượng khí nạp Q [kg/h]; nhiệt độ nước làm mát t [0C]; giá trị điện áp của cảm biến ơxy [V] và giá trị điện áp của cảm biến kích nổ [V]. Kết quả đo các thơng số này được thể hiện ở phụ lục 3.7, 3.8, 3.9 và 3.10. 4.4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Với thiết bị đo các thơng số động cơ vừa xây dựng được để dùng cho việc học tập và nghiên cứu động cơ đốt trong một cách 22 khoa học và chuẩn xác. Thiết bị này so với các thiết bị để làm thí nghiệm động cơ khác cĩ những thuận lợi và khĩ khăn như sau: Thuận lợi: - Cĩ kết cấu nhỏ gọn nên cĩ tính cơ động cao. - Dễ dàng thay đổi các thơng số đo khác cũng như việc mở rộng thêm nhiều các thơng số đo khác trên động cơ. - Giá thành rẻ. - Dễ sử dụng. Khĩ khăn: - Động cơ được sử dụng thực nghiệm cĩ cơng suất nhỏ hơn nhiều so với dải đo cơng suất của băng thử nên khơng thể hiện hết khả năng đo của băng thử. - Băng thử được điều khiển thay đổi tải bằng tay nên làm ảnh hưởng đến giá trị đo khi đặt tay vào thay đổi tải. - Cảm biến ơxy nhanh bẩn do nhiên liệu sử dụng là Diesel cĩ nhiều mụi than bám vào cảm biến. - Động cơ một xy lanh nên các thơng số đo tốc độ, lưu lượng khí nạp cĩ dao động theo chu kỳ. 4.4.1. Kết quả đo thơng số tốc độ quay động cơ Với giá trị tốc độ động cơ nhỏ nhất N = 1000 [v/p] và lớn nhất N = 2650 [v/p] đo được ta nhận thấy giá trị tốc độ phù hợp với tốc độ làm việc của động cơ và thay đổi đúng quy luật. 4.4.2. Kết quả đo thơng số cơng suất và mơmen động cơ Ở đường đặc tính tốc độ ngồi ta nhận thấy đường đặc tính cơng suất đạt cực đại ở số vịng quay lớn nhất tại N = 2650 [v/p] như hình 4.4 và tại số vịng quay N = 1500 [v/p] mơmen đạt cực đại như 23 hình 4.5. Đường đặc tính cơng suất và mơmen thay đổi giống với đặc tính lý thuyết. Với phần mềm LabVIEW, cĩ tốc độ xử lý nhanh nên các điểm khi lấy mẫu (kết quả) cho thấy độ nhạy cao, chính xác. Để chính xác hơn ta cĩ thể lấy nhiều mẫu liên tục mà khơng làm cho chương trình xử lý trên phần mềm cĩ “độ trễ”. 4.4.3. Kết quả đo thơng số lưu lượng khí nạp Lưu lượng khí nạp cĩ quan hệ tuyến tính bậc nhất với tốc độ động cơ như hình 4.6, quy luật này phù hợp với lý thuyết. 4.4.4. Kết quả đo thơng số nhiệt độ nước làm mát 24 Nhiệt độ thay đổi tăng dần khi ta tăng tải (Tốc độ giảm dần) và nhiệt độ tối đa đo được trên động cơ khoảng 94 [0C] như hình 4.7, giá trị nhiệt độ này phù hợp với nhiệt độ làm việc của động cơ. 4.4.5. Kết quả đo thơng số tín hiệu điện áp cảm biến ơxy và cảm biến kích nổ Hình 4.8. Tín hiệu điện áp cảm biến ơxy ở chế độ 100%. Trong trường hợp động cơ vận hành ở chế độ ga 100%, giá trị điện áp này luơn lớn hơn 0,6 [V] như hình 4.8, vì lúc này cần ga ở vị trí “max”, nhiên liệu được phun vào nhiều nhất để cơng suất động cơ 25 đạt tối đa nên hỗn hợp ở chế độ này luơn luơn là hỗn hợp giàu nhiên liệu. Với cảm biến kích nổ ta cĩ thể xem tín hiệu điện áp của cảm biến phát ra lớn hơn 2,4 [V] và ở tần số hiệu ứng cộng hưởng khoảng 7 [kHz] được mặc định là động cơ bị kích nổ, giá trị điện áp và tần số này được thể hiện trên đồ thị như hình 4.9 hồn tồn phù hợp với đặc tính cảm biến đã giới thiệu ở mục 3.2.4. Hình 4.9. Tín hiệu điện áp và tần số hiệu ứng cộng hưởng cảm biến kích nổ. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 1. KẾT LUẬN Qua quá trình nghiên cứu ứng dụng phần mềm LabVIEW trong thí nghiệm động cơ đốt trong đề tài rút ra một số kết luận như sau:
Nghiên cứu ứng dụng phần mềm LabVIEW để chuyển đổi các thơng số đo trên băng thử thủy lực FROUDE và động cơ là lựa chọn đúng đắn, phù hợp với xu hướng hiện nay. 26
Phần mềm LabVIEW dễ dàng tiếp cận, sử dụng và dễ dàng kết nối với tất cả các dữ liệu vào/ra.
Với các giao diện được xây dựng từ phần mềm LabVIEW trong đề tài, cĩ thể trực quan theo dõi kết quả qua các ơ số hiển thị, đồng hồ, đèn báo, đồ thị các thơng số biến thiên theo thời gian thực hoặc theo một biến độc lập khác và kết quả được lưu trữ, xuất sang file Excel.
Hệ thống thiết bị thí nghiệm hồn tồn đáp ứng được mục tiêu phục vụ cơng tác đào tạo của sinh viên chuyên ngành khi nghiên cứu động cơ.
Việc xác định được các thơng số trong hệ thống thí nghiệm như tốc độ, mơmen, nhiệt độ động cơ, lưu lượng khí nạp, rung động và sự tồn tại của ơxy trong khí thải cho phép đánh giá được chất lượng hoạt động của động cơ. 2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Do giới hạn của nội dung nghiên cứu nên đề tài chưa thể giải quyết các vấn đề cịn tồn tại. Vì vậy, đề tài cĩ thể mở rộng đối với việc nghiên cứu phát triển hơn để đáp ứng được nhu cầu học tập và nghiên cứu động cơ đốt trong, cụ thể một số nội dung như sau:
Sử dụng thêm các cảm biến để cĩ thể đo một vài thơng số như: Lượng nhiên liệu tiêu thụ, nhiệt độ khí nạp, cảm biến áp suất…
Điều khiển động cơ, thiết bị từ trên máy tính thơng qua các cơ cấu chấp hành như: Điều khiển vị trí cần ga, điều khiển vơ lăng đặt tải, điều khiển lưu lượng nước cấp cho băng thử, điều khiển tắt và khởi động động cơ.