Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu - Ở thế kỷ 21, nhu cầu đi lại, vận chuyển của con người ngày càng tăng, ô tô xuất hiện ngày càng nhiều và trở thành phương tiện không thể thiếu đối với xã hội loài người. Trong bối cảnh nhiên liệu có nguồn gốc hoá thạch đang cạn kiệt, trái đất đang ngày một nóng lên, không khí ngày càng ô nhiễm, tiếng ồn ngày càng nhiều….
trở thành một vấn đề gây đau đầu đối với những nhà sản xuất ô tô. Ngoài việc tìm kiếm những nguồn năng lượng mới thì họ luôn từng ngày, từng giờ tìm cách giảm lượng khí thải, giảm tiếng ồn và hơn thế nữa là giảm lượng tiêu hao nhiên liệu của động cơ. Nhờ vậy, hàng loạt công nghệ mới đã ra đời nhằm đáp ứng những mong muốn trên. - Động cơ Diezel với nhiều ưu điểm như: + Tính kinh tế nhiên liệu cao, dầu diesel rẻ hơn xăng, mật độ năng lượng trong dầu diesel cao hơn xăng, năng suất toả nhiệt của 1 lít dầu là 8755 calori trong khi của xăng chỉ có 8140 calori.
+ Có hiệu suất cao hơn hẳn so với động cơ xăng (45% so với 30%) nhờ tỉ số nén cao. Và trong tương lai động cơ diesel có hiệu suất 55% đến 63% là có thể đạt được. + Mômen xoắn của động cơ diesel cao hơn so với động cơ xăng (dung tích động cơ bằng nhau) nên đây là một ưu điểm khi đi trong thành phố nó cho phép động cơ hoạt động với tốc độ nhỏ nhất. + Tuổi thọ của động cơ diesel cao hơn so với động cơ xăng.
Ở điều kiện bình thường, dầu diesel có tính bốc hơi kém nên ít phát hoả do đó ít nguy hiểm hơn so với các loại nhiên liệu khác chẳng hạn như xăng. Trang 1 Nghiên cứu chế tạo EDU cho hệ thống phun dầu điện tử Common Rail - Chính nhờ những ưu điểm nổi bậc này nên mặc dù động cơ Diezel có một số nhược điểm như: tạo thành nhiều HC, NOX, bồ hóng trong quá trình cháy, rung, ồn nhiều khi hoạt động, có khối lượng lớn và đắt tiền… nhưng động cơ Diezel vẫn không thể thiếu trong nền công nghiệp vận tải. - Để giảm tối đa những nhược điểm và tận dụng triệt để những ưu điểm của dầu diesel, các hãng ô tô đã thiết kế lại hệ thống nhiên liệu cho động cơ Diezel và hệ thống này có tên gọi là Common Rail. So với động cơ Diezel cổ điển thì động cơ phun dầu điện tử Common Rail ít ô nhiễm hơn, tiết kiệm nhiên liệu hơn, có công suất lớn hơn, hiệu suất cao hơn đồng thời êm dịu hơn rất nhiều (bằng chứng là động cơ Diezel cổ điển chỉ được trang bị trên xe tải thì ngày nay rất nhiều ô tô du lịch được trang bị động cơ Common Rail.
- Trên động cơ Diesel hiện đại (Common Rail), mỗi vòi phun được điều khiển một cách riêng lẻ, nhiên liệu áp suất cao được chứa trong ống rail và sau đó được phân phối đến từng vòi phun. Để làm được điều này, việc phun nhiên liệu của động cơ Common Rail được điều khiển hoàn toàn bằng điện tử mà trong đó ECU và EDU là những bộ phận quan trọng nhất. ECU nhận tín hiệu từ cảm biến xử lý rồi điều khiển các hệ thống gần giống như ECU sử dụng trên động cơ xăng. EDU nhận tín hiệu từ ECU để điều khiển nhấc kim bằng dòng điện cao áp.
- Việc nghiên cứu chế tạo EDU giúp ngành công nghiệp ô tô của Việt Nam có thêm một bước tiếp cận với nền công nghiệp ô tô thế giới. - Với đề tài “Nghiên cứu – chế tạo EDU sử dụng trên động cơ phun dầu Common Rail” giúp ta hiểu rõ hơn về sự cần thiết của việc nâng áp để điều khiển kim phun, hiểu hơn về động cơ Common Rail và từng bước nội địa hoá nền công nghiệp ô tô của nước nhà. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước - Hệ thống Common Rail đầu tiên được phát minh bởi Robert Huber, người Thuỵ Sỹ vào cuối những năm 60. Công trình này sau đó được tiến sĩ Marco Ganser của viện nghiên cứu kỹ thuật Thụy Sỹ tại Zurich tiếp tục nghiên cứu và phát triển.
Đến giữa những năm 90, tiến sĩ Shohei Itoh và Masahiko Miyaki của tập đoàn Trang 2 Nghiên cứu chế tạo EDU cho hệ thống phun dầu điện tử Common Rail Denso – một nhà sản xuất phụ tùng ô tô lớn của Nhật Bản đã phát triển tiếp và ứng dụng trên các xe tải nặng hiệu Hino, và bán rộng rãi ra thị trường vào 1995, sau đó ứng dụng rộng rãi trên các xe du lịch. Hệ thống nhiên liệu của động cơ phun dầu điện tử Common Rail xuất hiện đồng nghĩa với việc EDU cũng ra đời. - Ở Việt Nam chưa có bất kỳ một đề tài nào nghiên cứu về EDU được công bố. - Nhiệm vụ chính của EDU là nâng áp để điều khiển kim phun vì vậy những kết quả nghiên cứu về việc nâng áp cũng cần được quan tâm.
- Có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến vấn đề nâng cao điện áp đã được công bố và đề tài này chủ yếu tham khảo bài báo DC – DC SWITCHING BOOST CONVERTER của Anita Soni để thiết kế chế tạo biến áp xung, tham khảo đề tài COMPARATIVE STUDY ON DC – DC CONVERTERS của Mehedi Hasan Tushar để hiệu chỉnh biến áp xung sau khi chế tạo. - Sau đây sẽ phân tích hai công trình nói trên: Công trình 1: DC – DC SWITCHING BOOST CONVERTER Tác giả: Anita Soni Trong công trình này tác giả đưa ra thiết kế chuyển đổi điện áp từ 5 volt lên 12 volt bằng cách sử dụng bộ tăng áp DC - DC switching BOOST converter với hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 73%. Hiệu suất, kích thước, và giá cả là những ưu điểm cơ bản của bộ biến áp xung khi so sánh với những bộ biến áp tuyến tính. Một bộ biến áp xung có thể hoạt động với hiệu suất từ 70 % đến 80 % trong khi hiệu suất của bộ biến áp tuyến tính chỉ có thể đạt được khoảng 30 %.
Vì vậy thiết kế biến áp xung là một giải pháp hiệu quả để cung cấp điện một chiều cao áp ở các giá trị mong muốn cho các thiết bị. Thông số kỹ thuật: Nguồn cấp vào: 5V ± 10 % Nguồn đầu ra: 12V Gợn tối đa của điện áp đầu ra: 2 % Trang 3 Nghiên cứu chế tạo EDU cho hệ thống phun dầu điện tử Common Rail Dòng điện tối đa đầu ra: 100 mA Hiệu suất tối thiểu: 70 % Sơ đồ nguyên lý: Hình 1.1: Sơ đồ BOOST converter Sau khi tính toán, tác giả đã chọn linh kiện như sau: IC điều chế độ rộng xung: MC33063 Tần số điều chế độ rộng xung là 62,5 kHz Tụ định thời CT = 390 pF Độ tự cảm nhỏ nhất của cuộn dây Lmin = 80 H Giá trị điện trở cảm biến dòng là R = 0,5 giá trị tụ đầu ra Cout = 1,68 F R1 = 2,4 k; R2 = 20.64 k Kết quả kiểm tra sau khi chế tạo: 120 Ohms No Load 145 Ohms Input Voltage 4.6 % Efficiency 73% Not Applicable 71% Trang 4 Nghiên cứu chế tạo EDU cho hệ thống phun dầu điện tử Common Rail Công trình 2: COMPARATIVE STUDY ON DC-DC CONVERTERS Tác giả: Mehedi Hasan Tushar Công trình này có phần so sánh về giá trị điện áp, dòng điện, hiệu suất của bộ nâng áp khi thay đổi giá trị của cuộn dây và tụ điện. Qua đó làm cho việc hiệu chỉnh bộ nâng áp sau khi chế tạo nhằm khắc phục những sai số khi tính toán và phù hợp hơn với yêu cầu thực tế trở nên dễ dàng hơn. Để so sánh, tác giả dùng mạch điều khiển sử dụng MOSFET IRF 540n và IC điều chế độ rộng xung là SG 3524.
Các phần tử còn lại như cuộn dây, tụ điện, điện trở, đi-ốt được bố trí như hình 1.2: Mạch tăng áp dùng để so sánh Trên các hình 1.4, các đường màu xanh biểu thị cho dòng điện, điện áp ngõ vào, các đường màu hồng biểu thị cho dòng điện, điện áp ngõ ra. Trang 5 Nghiên cứu chế tạo EDU cho hệ thống phun dầu điện tử Common Rail a b Hình 1.3: So sánh về điện áp và dòng điện khi thay đổi độ tự cảm (D = 0,9) Hình 1.3b Giá trị điện áp đầu vào 10 V 10 V Giá trị dòng điện đầu vào 11 A 11 A Trang 6 Nghiên cứu chế tạo EDU cho hệ thống phun dầu điện tử Common Rail Giá trị điện áp đầu ra 90 V 100 V Giá trị dòng điện đầu ra 900 mA 1A Công suất ngõ vào 110 W 110 W Công suất ngõ ra 81 W 100 W Hiệu suất 73,6 % 91 % a b Hình 1.4: So sánh về điện áp và dòng điện khi thay đổi giá trị điện dung (D = 0,9) Trang 7 Nghiên cứu chế tạo EDU cho hệ thống phun dầu điện tử Common Rail Hình 1.4b Giá trị điện áp đầu vào 10 V 10 V Giá trị dòng điện đầu vào 11 A 15 A Giá trị điện áp đầu ra 100 V 115 V Giá trị dòng điện đầu ra 1A 1,15 A Công suất ngõ vào 110 W 150 W Công suất ngõ ra 100 W 132 W Hiệu suất 91 % 88 % - Như vậy, khi tăng độ tự cảm của cuộn dây hoặc tăng giá trị điện cảm của tụ điện thì dòng điện và điện áp ngõ ra sẽ tăng lên. Tuy nhiên, khi tăng độ tự cảm của cuộn dây thì hiệu suất sẽ tăng lên còn khi tăng giá trị điện cảm của tụ điện thì hiệu suất sẽ giảm xuống. - Tham khảo các công trình nghiên cứu nói trên giúp ta dễ dàng hơn trong việc thiết kế, chế tạo và hiệu chỉnh bộ biến áp xung – một phần quan trọng của hộp EDU mà đề tài này sẽ thực hiện.
Tính cấp thiết của đề tài - Đây là đề tài chế tạo hộp EDU đầu tiên ở Việt Nam. - Sau khi chế tạo thành công sẽ làm giảm giá thành thay thế hộp EDU trên các xe sử dụng động cơ phun dầu điện tử Common Rail và giải quyết bài toán thiếu phụ tùng. Mục đích của đề tài - Vận dụng lý thuyết về điều khiển động cơ, lý thuyết về điện tử để nghiên cứu, chế tạo hộp EDU trong hệ thống phun dầu điện tử Common Rail. - Tìm hiểu để theo kịp công nghệ, góp phần từng bước nội địa hoá ôtô.
Trang 8 Nghiên cứu chế tạo EDU cho hệ thống phun dầu điện tử Common Rail 1. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 1.