Luận văn Nghiên cứu, đánh giá các phương pháp xác định tốc độ động cơ (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu, đánh giá các phương pháp xác định tốc độ động cơ (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH TẤN NGỌC NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 605246 S K C0 0 4 4 8 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH TẤN NGỌC NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH TẤN NGỌC NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014
4. ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Đinh Tấn Ngọc Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 16-06-1985 Nơi sinh: Quảng Ngãi Quê quán: Tịnh Thọ - Sơn Tịnh - Quảng Ngãi Dân tộc: Kinh Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng:01679035536 Fax: E-mail:ngocdt@hcmute.edu.vn II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính Qui Thời gian đào tạo từ 9/2007 đến 1/2011 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh Ngành học:Cơ Khí Động Lực Tên đề tài, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu xăng E5 sử dụng trên ô tô. Ngày & nơi bảo vệ đề tài, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 1/2011 Người hướng dẫn: GVC.ThS Đỗ Quốc Ấm III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Công việc Thời gian Nơi công tác đảm nhiệm 1/2011 – 5/2011 Công Ty Thiết Kế Hệ Thống Lạnh TP.HCM Nhân viên 5/2011 – Nay Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Giảng viên GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng ii HVTH: Đinh Tấn Ngọc
5. ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 Học viên thực hiện GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng iii HVTH: Đinh Tấn Ngọc
6. ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin cảm ơn Nhà trường, Khoa Cơ Khí Động Lực, Bộ môn động cơ và các thầy cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt khóa học cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho em thực hiện đề tài. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Em cũng xin chân thành cảm ơn giảng viên phản biện và các thầy (cô) trong hội đồng bảo vệ luận án tốt nghiệp đã dành thời gian để đọc luận văn và đánh giá kết quả mà em đã hoàn thành trong suốt khoá học này. Cuối cùng là lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn bè đã động viên khích lệ để em hoàn thành nhiệm vụ đề tài được giao. Trân trọng. TP. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2014. Học viên thực hiện Đinh Tấn Ngọc GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng iv HVTH: Đinh Tấn Ngọc
7. ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đề tài “Nghiên cứu, đánh giá một số phương pháp mới đo tốc độ động cơ” tìm hiểu mối liên hệ của tốc độ động cơ lên các tín hiệu thu được từ các cảm biến, hệ thống. Cụ thể, ở đây người nghiên cứu quan tâm tới 3 tín hiệu: tín hiệu của cảm biến đo áp suất tuyệt đối đường ống nạp của cảm biến MAP, tín hiệu cảm biến vị trí trục cam và tín hiệu từ điện áp ắc quy khi động cơ hoạt động. Dựa vào các tín hiệu này để xác định tốc độ động cơ. So sánh độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tiển của các phương pháp đo sử dụng các tín hiệu trên. Phương án được đưa ra để giải quyết yêu cầu đề tài là dùng mạch điện tử để chuyển đổi tín hiệu gốc thành tín hiệu điện áp dạng xung, sau đó đưa vào vi điều khiển. Vi điều khiển sẽ thực hiện các tính toán và hiển thị kết quả ra màn hình LCD. Kết quả cuối cùng đã hoàn thành thiết bị đo tốc độ động cơ dựa vào ba tín hiệu trên. Thực nghiệm kết quả đo cho thấy thiết bị đo cho kết quả với sai số khá nhỏ và thể hiện được khả năng đáp ứng của từng tín hiệu. GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng v HVTH: Đinh Tấn Ngọc
8. ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp ABSTRACT Thesis "Researching, evaluating some new methods to measure engine speed" presents the relationship between engine speed and signals which are obtained from sensors and system of engine. Specifically, Researcher are only interested three signals: the signal of MAP sensor, signal from camshaft position sensor and the battery voltage when the engine is operating. Based on these signals, engine speed has been calculated. Comparison of accuracy and ability to apply of each method which used to definate from these signals. To solve this problem, the researcher used electronic circuits to convert the original signal into pulse signal and then send it to the microcontroller. Microcontroller will calculate and display results on LCD. The end, the researcher manufactured the measuring equipment based on three signals: signal of the MAP sensor, signal camshaft position sensor, battery voltage signal. Experimental results show that this equipment measures with small error. GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng vi HVTH: Đinh Tấn Ngọc
9. ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC Danh mục các hình x Danh mục từ viết tắt xiii Chƣơng 1: TỔNG QUAN .1 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1 1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu .1 1.1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước .1 1.2 Tính cấp thiết của đề tài 3 1.3 Mục đích của đề tài 3 1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 4 1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài 4 1.4.2 Giới hạn của đề tài 4 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 4 Chƣơng 2: LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ . 5 2.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong 4 kỳ loại piston 5 2.2 Tầm quan trọng của giá trị tốc độ động cơ .7 2.2.1 Trong điều khiển động cơ 7 2.2.2 Trong việc kiểm tra, chẩn đoán 8 2.3 Các phương pháp đo tốc độ động cơ hiện nay trên ô tô 8 2.3.1 Dùng cảm biến điện từ 8 2.3.2 Dùng cảm biến quang 9 2.3.3 Dùng cảm biến Hall 9 Chƣơng 3: ÁP SUẤT CHÂN KHÔNG TRONG ĐƢỜNG ỐNG NẠP VÀ CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT TUYỆT ĐỐI TRÊN ĐƢỜNG ỐNG NẠP 11 3.1 Đặc điểm, kết cấu của hệ thống nạp trên động cơ đốt trong 11 3.1.1 Đặc điểm của hệ thống nạp 11 3.1.2 Kết cấu của hệ thống nạp trên động cơ xăng 11 3.1.3 Kết cấu của hệ thống nạp trên động cơ diesel 12 3.2 Đặc điểm của áp suất khí nạp trên đƣờng nạp 14 GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng vii HVTH: Đinh Tấn Ngọc
10. ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp 3.2.1 Hiệu ứng dao động của áp suất trong quá trình thay đổi môi chất 14 3.2.2 Mối liên hệ giữa áp suất chân không trên đường ống nạp 15 3.3 Hiện tƣợng áp điện 15 3.3.1 Hiện tượng áp điện thuận 16 3.3.2 Hiện tượng áp điện nghịch 16 3.4 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến áp điện 16 3.4.1 Cấu tạo 17 3.4.2 Nguyên lý đo của cảm biến áp điện 18 3.4.3 Đôi nét về hệ thống L-Jetronic và D-Jetronic 20 3.5 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến MAP 20 3.5.1 Giới thiệu về cảm biến MAP 20 3.5.2 Cấu tạo của cảm biến MAP 21 3.5.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến MAP 21 3.5.4 Đặc tuyến hoạt động của cảm biến MAP 21 3.6 Đặc điểm của tín hiệu ra ở chân PIM của cảm biến MAP trong quá trình hoạt động của động cơ (Toyota) 22 3.6.1 Ở tốc độ cố định 23 3.6.2 Khi tăng giảm tốc độ 27 3.6.3 Mối liên hệ giữa tín hiệu ra ở chân PIM cảm biến MAP và tốc độ động cơ 27 Chƣơng 4: HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN TRÊN Ô TÔ 28 4.1 Ắc quy 28 4.1.1 Nhiệm vụ của ắc quy trên ô tô 28 4.1.2 Các quá trình điện hóa của ắc quy chì axit 28 4.1.3 Đặc tuyến làm việc của ắc quy trên ô tô 29 4.2 Máy phát điện 30 4.2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu của máy phát điện 30 4.2.2 Chế độ làm việc giữa accu - máy phát và sự phân bố tải 30 4.2.3 Máy phát điện xoay chiều kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điện 33 4.3 Mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và các tín hiệu điện áp đo đƣợc trong hệ thống cung cấp điện 39 4.3.1 Mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và điện áp pha của máy phát 39 GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng viii HVTH: Đinh Tấn Ngọc
11. ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp 4.3.2 Mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và điện áp máy phát sau chỉnh lưu . 40 4.3.3 Mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và điện áp 2 đầu ắc quy 40 Chƣơng 5: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 42 5.1 Giới thiệu vi điều khiển AVR 42 5.1.1 AVR 42 5.1.2 ATmega 16 42 5.1.3 Ngắt ngoài AVR 43 5.1.4 Giao tiếp AVR và Text LCD 44 5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế 45 5.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 45 5.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5V 46 5.2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu PIM, G và BATT (Toyota) 46 5.2.4 Sơ đồ mạch vi điều khiển ATMEGA 16 52 5.2.5 Sơ đồ mạch hiển thị LCD 53 5.3 Thuật toán xử lý 54 5.3.1 Thuật đoán tính tốc độ động cơ 54 5.3.2 Chương trình tính tốc độ tốc động cơ cho vi điều khiển 55 5.4 Chế tạo mạch đo 56 Chƣơng 6: THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ ĐO TỐC ĐỘNG CƠ 58 6.1 Thiết bị 58 6.2 Qui trình đo 59 6.3 Kết quả đo 59 6.3.1 Tín hiệu sau khi được xử lý 59 6.3.2 Kết quả hiển thị LCD 63 6.4 Thiết bị đo tốc độ động cơ 67 6.5 Đánh giá, nhận xét 68 Chƣơng 7: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 70 7.1 Kết luận 70 7.2 Hƣớng phát triển của đề tài 70 Tài liệu tham khảo 71 Phụ lục 72 GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng ix HVTH: Đinh Tấn Ngọc
12. ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ xăng 4 kỳ 5 Hình 2.2: Bản đồ góc đánh lửa sớm lý tưởng và góc ngậm điện 7 Hình 2.3: Vị trí thực tế của cảm biến điện từ trong bộ chia điện 9 Hình 2.4: Khi không chắn từ 10 Hình 2.5: Khi chắn từ 10 Hình 3.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống nạp thải 11 Hình 3.2: Sơ đồ đường nạp động cơ phun xăng điện tử dùng cảm biến MAP 12 Hình 3.3: Sơ đồ nạp thải của động cơ diesel tăng áp 13 Hình 3.4: Đồ thị công vùng thấp áp của quá trình thay đổi môi chất 14 Hình 3.5: Hiện tượng áp điện 16 Hình 3.6: Cảm biến kiểu áp điện 17 Hình 3.7: Cách bố trí cảm biến 20 Hình 3.8: Cấu tạo cảm biến MAP 21 Hình 3.9: Biến dạng màng silicon theo áp suất 21 Hình 3.10: Đặc tuyến hoạt động của cảm biến MAP 22 Hình 3.11: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở tốc độ cầm chừng. 23 Hình 3.12:Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP và G ở 1.500 rpm 23 Hình 3.13: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở tốc độ 1.500 rpm 24 Hình 3.14: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP và G ở 2.500 rpm. 24 Hình 3.15: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở tốc độ 2.500 rpm. 24 Hình 3.19: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP và G ở 3.500 rpm 25 Hình 3.20: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở tốc độ 3.500 rpm 25 Hình 3.21: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP và G ở 4.100 rpm. 26 Hình 3.22: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở tốc độ 4.100 rpm. 26 Hình 3.23: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP ở 4.800 rpm 27 Hình 3.24: Biên dạng tín hiệu cảm biến MAP thay đổi theo tốc độ (Picoscope) 27 Hình 4.1: Chế độ phóng nạp của accu trên xe 30 Hình 4.2: Sơ đồ tính toán hệ thống cung cấp điện 31 Hình 4.3: Cấu tạo máy phát điện kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điện. 33 Hình 4.4: Các bộ phận trong máy phát kích thích bằng điện từ có vòng tiếp điện. 33 GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng x HVTH: Đinh Tấn Ngọc
13. ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp Hình 4.5: Cấu tạo rotor. 34 Hình 4.6: Bộ chỉnh lưu 6 diode 35 Hình 4.7: Hệ thống cung cấp điện với bộ chỉnh lưu 8 diode 35 Hình 4.8: Máy phát 3 pha mắc hình sao với bộ chỉnh lưu 6 diode với diode D4 và D5 dẫn 36 Hình 4.9: Diode D4 và D1 dẫn 37 Hình 4.10: Diode D1 và D6 dẫn 37 Hình 4.11 Điện áp pha các pha và điện áp sau khi đã chỉnh lưu 38 Hình 4.12 Tiết chế vi mạch và vị trí trên máy phát 38 Hình 4.13: Tiết chế loại D 39 Hình 4.14:Tiết chế loại M 39 Hình 4.15a: Mối liên hệ giữa điện áp ắc quy và tín hiệu đánh lửa IGT trên động cơ 5S-FE 40 Hình 4.15b: Mối liên hệ giữa điện áp ắc quy và tín hiệu đánh lửa IGT trên động cơ 1G-FE 41 Hình 5.1: Sơ đồ chân chip ATmega16 42 Hình 5.2: Thanh ghi MCUCR 44 Hình 5.4: Kết nối LCD và vi điều khiển ATmega 16 ở chế độ 4 bit 45 Hình 5.5: Sơ đồ mạch nguồn 12 V 45 Hình 5.6: Sơ đồ chân IC 7812 và IC 7912 46 Hình 5.7: Sơ đồ mạch nguồn 5 V 46 Hình 5.8: Mạch xử lý tín hiệu cảm biến MAP 47 Hình 5.9: Dạng tìn hiệu cảm biến MAP khi tăng giảm tốc 47 Hình 5.10: So sánh tín hiệu cảm biến MAP trước và sau mạch lọc thông thấp 49 Hình 5.11: Sơ đồ chân và cấu tạo bên trong IC 555 50 Hình 5.12: Tín hiệu sau khi qua mạch Trigger Smith dùng IC 555 51 Hình 5.13: Mạch xử lý tín hiệu cảm biến G 51 Hình 5.14: Tín hiệu cảm biến G 51 Hình 5.15: Mạch xử lý tín hiệu điện áp ắc quy 52 Hình 5.16: Mạch giao tiếp ATmega 16 53 Hình 5.17: Mạch hiển thị LCD 53 Hình 5.18: Sơ đồ khối thuật toán xử lý tín hiệu 55 GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng xi HVTH: Đinh Tấn Ngọc
14. ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp ình 5.19: Mạch nguồn 12 V 56 Hình 5.20: Mạch nguồn 5 V và mạch điều khiển ATmega 16 56 Hình 5.21: Mạch xử lý tín hiệu cảm biến MAP, G và tín hiệu điện áp ắc quy 57 Hình 5.22: Mạch hiển thị LCD 57 Hình 6.1: Mô hình động cơ 5S-FE và 7A-FE 58 Hình 6.2: Kết nối mạch đo thử nghiệm 58 Hình 6.3: Máy đo Oscilloscope với 4 kênh đo 59 Hình 6.4: Đo thử nghiệm 59 Hình 6.5: Dạng xung của 3 tín hiệu trước khi xử lý 60 Hình 6.6: Dạng xung của 3 tín hiệu sau khi xử lý 60 Hình 6.7: Tín hiệu điện áp ắc quy trước và sau mạch xử lý ở 1000 rpm 61 Hình 6.8: Tín hiệu cảm biến MAP trước và sau mạch xử lý ở 1000 rpm 61 Hình 6.9: Tín hiệu điện áp ắc quy trước và sau mạch xử lý ở 1500 rpm 61 Hình 6.10: Tín hiệu cảm biến MAP trước và sau mạch xử lý ở 1500 rpm 62 Hình 6.11: Tín hiệu điện áp ắc quy trước và sau mạch xử lý ở 2500 rpm 62 Hình 6.12: Tín hiệu cảm biến MAP trước và sau mạch xử lý ở 2500 rpm 62 Hình 6.13: Tín hiệu điện áp ắc quy trước và sau mạch xử lý ở 4000 rpm 63 Hình 6.14: Tín hiệu cảm biến MAP trước và sau mạch xử lý ở 4000 rpm 63 Hình 6.15: Kết quả đo ở tốc độ cầm chừng 63 Hình 6.16: Kết quả đo ở tốc độ 1000 rpm 63 Hình 6.17: Kết quả đo ở tốc độ 1500 rpm 63 Hình 6.18: Kết quả đo ở tốc độ 2000 rpm 64 Hình 6.19: Kết quả đo ở tốc độ 2500 rpm 64 Hình 6.20: Kết quả đo ở tốc độ 3000 rpm 64 Hình 6.21: Kết quả đo ở tốc độ 3500 rpm 64 Hình 6.22: Kết quả đo ở tốc độ 4000 rpm 65 Hình 6.23: Kết quả đo ở tốc độ 4500 rpm 65 Hình 6.24: Kết quả đáp ứng tốc độ khi tăng, giảm tốc 66 Hình 6.25: Đồ thị đáp ứng tốc độ của 3 phương pháp đo 67 Hình 6.26: Thiết bị tốc độ động cơ hoàn thiện 67 Hình 6.27: Đo và kiểm tra hoạt động của thiết bị 68 GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng xii HVTH: Đinh Tấn Ngọc
15. ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ADC: Analog-to-Digital Converter MAP: Manifold Absolute Pressure BATT: Battery ECU: Electronic Control Unit EFI: Electronic Fuel Injection LED: Light emitting diode LCD: Liquid-crystal display MAF: Mass Air Flow Sensors MCU: Microcontroller RPM: Revolution Per Minute GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng xiii HVTH: Đinh Tấn Ngọc
16. ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Tốc đô ̣đôṇ g cơ còn g ọi là tua máy hay tốc độ quay trục khuỷu là môṭ thông số rất quan trọng, nó chứa đựng nhiều thông tin phản ánh toàn diện tình trạng làm viêc̣ của đôṇ g cơ như tính năng đ ộng học, động lực học, tính năng về kinh tế nhiên liệu Dựa vào tốc độ động cơ và thông qua hệ thống chẩn đoán người ta có thể biết được các chi tiết, cơ cấu bên trong động cơ có hoạt động bình thường hay không. Vì thế viêc̣ xác điṇ h tốc đô ̣đôṇ g cơ môṭ cách nhanh chóng tứ c thời có môṭ ý nghiã r ất quan troṇ g trong điều khiển cũng như trong viêc̣ kiểm tra bảo dưỡng và sử a chữa. Các phương pháp đ ể xác định tốc đô ̣đôṇ g cơ thư ờng được sử duṇ g hi ện nay trên ô tô có độ bền và chính xác cao . Trong điều khiển động cơ, người ta dưạ trên việc nhận tín hiệu gửi về từ các cảm biến như cảm biến điện từ, cảm biến Hall, cảm biến quang và đưa tín hiệu này vào bộ xử lý để xác định tốc độ động cơ. Bên cạnh đó để hiển thị tốc độ lên đồng hồ Taplo, người ta dùng tín hiệu từ cực âm bobine hay chân Tach của Igniter. Tuy cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cảm biến là khác nhau nhưng có điểm chung là đều tính tốc độ động cơ dưạ vào viêc̣ tính khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp hoăc̣ đếm số xung trong môṭ khoảng thời gian. Tuy nhiên, tốc độ động cơ cũng ảnh hưởng đến rất nhiều hoạt động của các hệ thống trên động cơ, gây ra sự biến đổi của các tín hiệu có tính quy luật theo tốc độ động cơ. Do đó, còn có nhiều tín hiệu khác có thể dùng để tính ra tốc độ động cơ. Người nghiên cứu dựa vào một vài tín hiệu có liên quan để xác định tốc độ động cơ. 1.1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Nhận thấy tầm quan trọng của thông số tốc độ động cơ, do đó các nhà nghiên cứ u luôn tìm moị cách để làm sao có thể đo đươc̣ tốc đô ̣đôṇ g cơ môṭ cách nhanh chóng, chính xác nhưng vẫn tiện lợi trong việc đo . Dưới đây là môṭ vài nghiên cứ u chỉ ra cách xác định tốc độ động cơ theo các phương pháp mới . GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng 1 HVTH: Đinh Tấn Ngọc
17. ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp “A new method for measuring engine rotational speed based on the vibration and discrete spectrum correction technique” - Hinbin Lin và Kang Ding [1]. Bài viết của tác giả Hinbin Lin và Kang Ding công tác taị khoa Cơ khí và Kỹ thuâṭ ô tô thuôc̣ trường Đaị hoc̣ Công nghê ̣phía Nam Trung Quốc . Nôị dung bài viết cho thấy viêc̣ xác điṇ h tốc đô ̣đôṇ g cơ piston dưạ trên sư ̣ rung đôṇ g và kỹ thuật hiệu chỉnh phổ rời rạc . Phương pháp đề xuất tính tốc độ động cơ từ tần số điều hòa nhỏ nhất của tín hiệu dao động và sử dụng kỹ thuật hiệu chỉnh phổ rời rạc để cải thiện độ chính xác của phép đo. Kết quả thu đươc̣ t ừ việc thử nghiệm trên băng thử và thử nghiệm trên động cơ thực. Mỗi lần thử nghiệm với số xilanh khác nhau và phương pháp này cho thấy kết quả đ ạt được độ chính xác khá cao khi động cơ làm việc ở trạng thái ổn định và tốc độ nhỏ. So với các phương pháp cơ bản khi xác định tốc độ động cơ thì phương pháp này sử dụng phần cứng khá đơn giản, dễ dàng cài đặt và thích hợp cho việc kiểm tra bảo dưỡng định kỳ ô tô. “The new Measurement Algorithm of the Engine Speed Base on the Basic Frequency of Vibration Signal” - SONG Xiang, LI Xu và ZHANG Wei-gong [2]. Ở bài viết này tác giả SONG Xiang , LI Xu, ZHANG Wei-gong khoa Khoa học và Kỹ thuật thuộc Đại học Đông Nam , Nam Kinh, Trung Quốc trình bày tầm quan troṇ g trong viêc̣ xác điṇ h tốc đô ̣đôṇ g cơ nhanh chóng và chính xác có ý nghĩa rất lớn trong viêc̣ chẩn đoán các lỗi trên ô tô . Bài viết cũng chỉ ra những thiếu sót và bất tiêṇ của các phương pháp đo tốc đô ̣đôṇ g cơ truyền thống qua đó chỉ ra phương pháp đo mới dựa trên tần số rung cơ bản . Thông qua phần mềm Lab VIEW để thu thâp̣ dữ liêụ và ứ ng duṇ g các phương pháp xử lý tín hiêụ như biến đổi wavelet , biến đổi Fourier thời gian ngắn từ đó tính đươc̣ tính đươc̣ tần số rung cơ bản , ưu điểm của phương pháp là các thuật toán có độ chính xác cao , ít tốn kém, đô ̣bền cao , dê ̃ thưc̣ hiêṇ và tỉ lê ̣lỗi của thuâṭ toán chỉ có 1%. “Measurement of engine speed by the analysis of vibration” - Alastair J.Hotchkiss, Paul Smith, Barbara L and Jones [3]. Phương pháp đo tốc độ động cơ mới dựa trên tín hiệu thu được từ cảm biến gia tốc được gá trên thân động cơ là những gì Alastair J .Hotchkiss, Paul Smith , Barbara L and Jones muốn trình bày trong bài viết này . Phương pháp này có ưu điểm GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng 2 HVTH: Đinh Tấn Ngọc
18. ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp là chi phí thấp, vừa có thể ứng dụng cho cả động cơ xăng và Diesel, dễ dàng gá đặt cảm biến, có thể đo t ốc độ động cơ từ cầm chừng 700 vòng/phút cho đ ến khoảng 5000 vòng/phút và điện năng tiêu thụ của mạch đo thấp. Trong trạm đăng kiểm hiện nay dùng phổ biến máy đo tốc độ động cơ AVL Dispeed và MAHA RPM VC2 để xác định tốc độ động cơ. Đầu đo của máy thu nhận tín hiệu rung động hoặc tiếng ồn của động cơ để xác định tốc độ. Người nghiên cứu cũng đã nghiên cứu sự rung động của động cơ thu thập từ tín hiệu cảm biến kích nổ trên động cơ 1.2 Tính cấp thiết của đề tài Tốc đô ̣đôṇ g cơ là môṭ trong những thông số rất quan troṇ g trên ô tô . Dưạ vào tốc đô ̣đôṇ g cơ ECU se ̃ điều khiển hoaṭ đôṇ g phun xăng và đánh lử a hơp̣ lý đảm b ảo sao cho đôṇ g cơ hoaṭ đôṇ g tối ưu nhất trong moị chế đô ̣làm viêc̣ . Trong chẩn đoán viêc̣ xác điṇ h nhanh chóng và chính xác tốc đô ̣đôṇ g cơ giúp cho công viêc̣ bảo dưỡng sử a chữa đươc̣ diêñ ra nhanh chóng và thuâṇ lơị hơn. Hiện nay các cảm biến đo tốc độ động cơ trên ô tô bên cạnh các ưu điểm như có độ chính xác và tuổi thọ cao song cũng tồn tại một vài nhược điểm như phải gia công các điã có xe ̃ rañ h yêu cầu đô ̣chính xác cao , các biên dạng r ăng lồi hoăc̣ lõm và các loại này phải được dẫn động trực tiếp bởi trục khuỷu hay gián tiếp thông qua dây đai, xích. Để giảm bớt công đoạn gia công, lắp ráp qua đó góp phần giảm chi phí sản xuất cũng như chi phí bảo dưỡng sửa chữa sau này thiết nghĩ cần có một phương pháp đo tốc độ động cơ mới thay thế phương pháp đo truyền thống nhưng vẫn có độ bền và chính xác cao. 1.3 Mục đích của đề tài Trong quá trình động cơ làm việc các bộ phận như trục cam, máy phát điện, bơm trợ lực lái được động cơ dẫn động thông qua dây đai đồng thời một vài cảm biến trên xe liên tục gửi tín hiệu về ECU để tính toán sao cho động cơ luôn hoạt động tối ưu nhất ở mọi chế độ làm việc. Với ý tưởng là nếu các bộ phận, chi tiết được kết nối với động cơ thì ta có thể tính được tốc độ động cơ. Do đó, người nghiên cứu xin trình bày phương pháp dùng tín hiệu từ cảm biến đo áp suất tuyệt đối đường ống nạp MAP và daṇ g xung c ủa các tín hiệu trong hệ thống cung cấp điện để tính GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng 3 HVTH: Đinh Tấn Ngọc
19. ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp toán tốc độ động cơ ở đây sử dụng tín hiệu điện áp ắc qui và so sánh với việc tính toán tốc độ động cơ từ tín hiệu cảm biến vị trí trục cam. Phương pháp này cho thấy việc tính toán tốc độ động cơ vẫn có thể được xác định từ các cảm biến khác hay từ một hệ thống nào đó trên ô tô. Người nghiên cứu thiết kế một máy đo dưạ vào các tín hiệu trên đ ể tính toán tốc độ động cơ và mong muốn thiết bị này được cải thiện thêm về hình dáng và các chức năng khác nữa để có thể phục vụ công tác giảng dạy hay ứng dụng vào công việc kiểm định, chẩn đoán trong tương lai. 1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài Phân tích các phương pháp đo tốc độ động cơ Phân tích cơ sở lý thuyết về áp suất chân không trên đường ống nạp, cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của cảm biến MAP. Phân tích cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoaṭ đôṇ g của hê ̣thống cung cấp điện trên ô tô. Nghiên cứ u, phân tích biên dạng tín hiệu của cảm biến MAP và tín hiệu điện trong hệ thống cung cấp điện. Tìm hiểu về các linh kiêṇ điêṇ tử và vi điều khiển. Thiết kế mạch tính tốc độ động cơ từ cảm biến MAP, G và tín hiệu điện áp ắc quy. Thử nghiệm và đánh giá kết quả. 1.4.2 Giới hạn của đề tài Đề tài chỉ tập trung giải quyết những vấn đề sau: Tầm quan trọng của giá trị tốc độ động cơ và các phương pháp đo tốc độ động cơ hiện nay. Mối quan hệ giữa tín hiệu cảm biến MAP, G và các tín hiệu điện trong hệ thống cung cấp điện với tốc độ động cơ. Thiết kế, chế tạo máy đo tốc độ động cơ, đánh giá độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tiển. 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu tài liệu. Phương pháp khảo sát đối tượng. Phương pháp xây dựng mô hình toán. Phương pháp thực nghiệm và xử lí số liệu. GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng 4 HVTH: Đinh Tấn Ngọc
20. ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp Chƣơng 2: LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 2.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ 4 kỳ loại piston [4] Đối với động cơ 4 kỳ để hoàn thành một chu trình công tác piston của độ ng cơ phải thưc̣ hiêṇ bốn hành trình tương ứng với các quá trình diễn ra trong xilanh là : nạp, nén, cháy giãn nở và thải . Do các quá trìn h diêñ ra lăp̣ đi lăp̣ laị có tính chu kỳ nên khi khảo sát nguyên lý làm viêc̣ ta chỉ khảo sát môṭ chu trình công tác trong toàn bô ̣quá trình làm việc của động cơ. Môṭ chu trình công tác gồm 4 quá trình sau: Quá trình nạp (kỳ một ): Là quá trình nạp môi chất mới vào xilanh đôṇ g cơ ( nạp hòa khí đối với đôṇ g cơ xăng và không khí đối với đôṇ g cơ diesel) Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ xăng 4 kỳ[4] a) Quá trình nạp b) Quá trình nén c) Quá trình cháy – giãn nở d) Quá trình thải 1. Xupap nạp 2. Xupap thải 3. Piston 4. Bougie 5. Thanh truyền 6. Trục khuỷu Vào đầu kỳ nạp, piston ở vi ̣trí điểm chết trên. Toàn bộ thể tích buồng cháy V c chứ a đầy sản vâṭ cháy do hành trình trước để laị với áp suất cao hơn áp suất khí trời , áp suất này còn gọi là áp suất khí sót . Khi truc̣ khuỷu quay theo chiều mũi tên , thông qua thanh truyền làm cho piston dic̣ h chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, cơ cấu phân phối khí điều khiển xupap mở thông đường ống nap̣ với không gian trong xilanh . Chuyển đôṇ g đi xuống của piston hình thành chân không trong xilanh nên áp suất trong lòng xilanh nhỏ hơn á p suất trên đường ống nap̣ . Mứ c đô ̣ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng 5 HVTH: Đinh Tấn Ngọc
21. ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Luận văn tốt nghiệp chênh lêc̣ h áp s uất này khoảng 0,01 – 0,03 MPa taọ nên quá trình nap̣ môi chất mới từ đường ống nap̣ vào xilanh (hình 2.1a). Quá trình nén (kỳ hai) Piston di chuyển từ điểm chết dưới lên điểm c hết trên, cơ cấu phân phối khí điều khiển cho xupap nap̣ và xupap thải đóng laị , môi chất đươc̣ nén trong lòng xilanh. Vào cuối quá trình nạp, khi piston ở vi ̣trí điểm chết dưới áp suất trong xilanh còn nhỏ hơn áp suất trên đư ờng ống nạp người ta tận dụng điều này để hoàn thiện quá trình nạp là làm cho cơ cấu phân phối khí điều khiển xupap nạp đóng muộn sau khi piston qua khỏi điểm chết dưới. Viêc̣ đóng muôṇ xupap nap̣ như trên có tác duṇ g nạp thêm môi chất mới vào xilanh điều này có đươc̣ là do tác duṇ g của đôṇ g năng và chênh lêc̣ h áp suất của dòng môi chất đi vào . Khi xupap nap̣ đóng , piston chuyển đôṇ g lên phía điểm chết trên làm cho áp suất và nhiêṭ đô ̣trong môi chất tăng dần lên. Giá trị áp suất cuối quá trình nén phụ thuộc vào tỉ số nén , đô ̣kín khít của không gian chứ a môi chất , mứ c đô ̣tản nhiêṭ của thành xilanh và áp suất của môi chất đầu quá trình nén (hình 2.1b). Để taọ điều kiêṇ tốt cho môi chất cháy môṭ cách kip̣ thời và nhiêṭ lươṇ g sinh ra đươc̣ tâṇ duṇ g triêṭ để thì viêc̣ đốt cháy hỗn hơp̣ phải đươc̣ thưc̣ hiêṇ trước khi piston tới điểm chết trên . Đối với động cơ xăng thì bougie phải tạ o ra tia lử a trước khi piston đến điểm chết trên còn với đôṇ g cơ diesel thì nhiên liêụ phun vào từ kim phun trước khi piston đến điểm chết trên. Quá trình cháy giãn nở (kỳ ba) Môi chất bi ̣nén trong xilanh ở cuối kỳ nén đươc̣ bố c cháy với tốc đô ̣rất nhanh làm áp suất và nhiêṭ đô ̣của môi chất tăng rất cao taọ áp lưc̣ sinh công đẩy piston dic̣ h chuyển về phía điểm chết dưới thưc̣ hiêṇ quá trình giañ nở trong xilanh . Vì vậy kỳ ba còn gọi là kỳ sin h công (kỳ phát động ), trong quá trình này cả hai xupap đều đóng (hình 2.1c). Quá trình thải (kỳ bốn) Piston dic̣ h chuyển từ điểm chết dưới lên điểm chết trên đẩy sản vâṭ cháy ra khỏi xilanh động cơ qua xupap thải đang mở. Áp suất trong xilanh vào cuối quá trình cháy giãn nở còn khá cao nên xupap thải phải mở sớm trước khi piston xuống đến o o điểm dưới khoảng 40 – 60 tương ứ ng với góc quay truc̣ khuỷu . Nhờ đó giúp làm GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng 6 HVTH: Đinh Tấn Ngọc
22. S K L 0 0 2 1 5 4