Đồ án: Thi công mô hình hệ thống điều hòa ô tô và hiển thị tín hiệu cảm biến

Đồ án tốt nghiệp hệ thống điều hòa ô tô, trình bày chi tiết thi công mô hình, thu thập và hiển thị tín hiệu cảm biến, kèm bài tập thực hành.

• Tác giả: Đinh Văn Nhật
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Thành Tuyên
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên cứu thi công mô hình hệ thống điều hòa không khí trên ô tô kết hợp thu thập, hiển thị tín hiệu cảm biến
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Điều hòa Không khí Ô tô

Hệ thống điều hòa không khí ô tô là một trong những hệ thống quan trọng nhất trên phương tiện hiện đại, đóng vai trò thiết yếu trong việc duy trì môi trường sống thoải mái cho hành khách. Hệ thống này không chỉ làm mát không khí mà còn điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí bên trong cabin. Nguyên lý hoạt động dựa trên chu trình làm lạnh với chất lỏng làm lạnh R134a, kết hợp các bộ phận như máy nén, giàn nóng, bộ lọc và van tiết lưu. Việc thu thập tín hiệu cảm biến từ hệ thống giúp kiểm soát và tối ưu hóa hoạt động, đảm bảo an toàn và hiệu quả năng lượng. Mô hình hệ thống này được thiết kế để đào tạo kỹ thuật viên và sinh viên ngành cơ khí hiểu rõ cách hoạt động của các thành phần chính.

1.1. Cấu tạo Chung của Hệ thống

Hệ thống điều hòa ô tô bao gồm bộ máy nén, giàn nóng (bộ ngưng tụ), bộ lọc hút ẩm, van tiết lưu, bộ ly hợp từ và quạt dàn nóng. Mỗi bộ phận đều có chức năng riêng biệt và hoạt động phối hợp để tạo ra hiệu quả làm lạnh tối ưu. Máy nén là trái tim của hệ thống, nén chất lạnh thành áp suất cao. Giàn nóng tỏa nhiệt ra ngoài, trong khi giàn lạnh hấp thụ nhiệt từ cabin.

1.2. Vai trò của Cảm biến trong Hệ thống

Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát hiệu suất hệ thống. Chúng thu thập dữ liệu về điện áp, nhiệt độ môi trường, áp suất gas và trạng thái hoạt động. Dữ liệu này được truyền đến ECU (bộ điều khiển điện tử) để điều chỉnh tốc độ máy nén, quạt và các thành phần khác, đảm bảo điều khiển tự động chính xác.

II. Nguyên lý Hoạt động của Mô hình Hệ thống Điều hòa

Mô hình hệ thống điều hòa không khí được thiết kế dựa trên nguyên lý chu trình làm lạnh tiêu chuẩn, bắt đầu từ máy nén nén chất lạnh thành áp suất và nhiệt độ cao. Chất lạnh sau đó chảy vào giàn nóng nơi tỏa nhiệt ra bên ngoài cabin thông qua quạt làm lạnh. Tiếp theo, chất lạnh chuyển trạng thái từ lỏng sang gas tại van tiết lưu, giảm áp suất và nhiệt độ. Cuối cùng, chất lạnh ở giàn lạnh hấp thụ nhiệt từ không khí cabin, làm mát không khí trước khi trở lại máy nén. Quá trình này lặp lại liên tục để duy trì nhiệt độ ổn định trong xe. Bộ ly hợp từ điều khiển việc bật tắt máy nén dựa trên tín hiệu từ các cảm biến nhiệt độ.

2.1. Chu trình Làm lạnh Refrigeration

Chu trình làm lạnh gồm 4 giai đoạn chính: nén, tỏa nhiệt, giãn nở và hấp thụ nhiệt. Trong giai đoạn nén, máy nén tăng áp suất chất lạnh. Ở giàn nóng, chất lạnh chuyển sang lỏng và tỏa nhiệt. Van tiết lưu giảm áp suất, và giàn lạnh hấp thụ nhiệt từ cabin.

2.2. Các Bộ phận Chính trong Mô hình

Máy nén là thành phần quan trọng nhất, điều khiển bởi bộ ly hợp từ. Giàn nóng và giàn lạnh là bộ trao đổi nhiệt chính. Bộ lọc hút ẩm ngăn chặn độ ẩm và tạp chất. Van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng chất lạnh, đảm bảo hiệu suất tối ưu.

III. Thu thập và Hiển thị Tín hiệu Cảm biến

Thu thập tín hiệu cảm biến là bước quan trọng trong việc giám sát và điều khiển tự động hệ thống điều hòa. Mô hình sử dụng Arduino R3 kết hợp với màn hình LCD 2004 có tích hợp giao tiếp I2C để hiển thị dữ liệu từ các cảm biến. Hệ thống thu thập các thông số như điện áp, nhiệt độ môi trường, và trạng thái hoạt động của các thiết bị. Dữ liệu được xử lý bởi vi điều khiển Arduino, sau đó hiển thị trực tiếp trên màn hình LCD. Phương pháp này cho phép giám sát thời gian thực hiệu suất hệ thống, phát hiện sớm các sự cố tiềm ẩn và tối ưu hóa điều khiển nhiệt độ. ECU điều khiển A/C sử dụng dữ liệu cảm biến để điều chỉnh tốc độ máy nén và quạt.

3.1. Hệ thống Arduino và Giao tiếp I2C

Arduino R3 là vi điều khiển mạnh mẽ có khả năng xử lý dữ liệu từ nhiều cảm biến. Giao tiếp I2C cho phép kết nối trực tiếp với màn hình LCD 2004, giảm số chân GPIO cần dùng. Tín hiệu cảm biến được chuyển đổi qua ADC (bộ chuyển đổi tương tự-số) trên Arduino.

3.2. Hiển thị và Điều khiển Ly hợp Máy nén

Màn hình LCD hiển thị nhiệt độ, điện áp và trạng thái hoạt động của các cảm biến. Bộ ly hợp từ được điều khiển bởi tín hiệu từ ECU, bật tắt máy nén dựa trên điểm cài đặt nhiệt độ. Khi nhiệt độ vượt ngưỡng, ly hợp kích hoạt máy nén.

IV. Ứng dụng Thực hành và Bài tập Kỹ thuật

Mô hình hệ thống điều hòa ô tô được thiết kế để hỗ trợ giáo dục thực hành nhiều bài tập kỹ thuật quan trọng. Bài thực hành nạp gas R134a giúp sinh viên hiểu rõ quy trình bảo dưỡng và nạp chất lạnh. Bài phát hiện hư hỏng sử dụng đồng hồ đo áp suất để chẩn đoán tình trạng hệ thống. Đo kiểm điện áp và servo motor giúp kiểm tra hiệu suất các bộ phận. Quy trình chẩn đoán lỗi hệ thống điện rèn luyện kỹ năng xử lý sự cố chuyên nghiệp. Những bài tập này cung cấp kiến thức thực tiễn cần thiết cho kỹ thuật viên trong ngành ô tô hiện đại.

4.1. Các Bài Thực hành Chính

Nạp gas R134a là bài tập cơ bản để bảo dưỡng hệ thống. Phát hiện hư hỏng bằng đồng hồ áp suất giúp chẩn đoán vấn đề. Đo kiểm điện áp xác nhận trạng thái các thành phần điện. Kiểm tra servo motor đánh giá hiệu suất điều khiển.

4.2. Quy trình Chẩn đoán và Hướng phát triển

Quy trình chẩn đoán lỗi hệ thống điện được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn ngành. Các bài tập này nâng cao kỹ năng phân tích và xử lý sự cố. Mô hình có thể mở rộng để tích hợp cảm biến khí thải, hệ thống điều khiển tự động hiên đại hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Lí do chọn đề tài. Ngày nay nhu cầu sống của con người ngày một nâng cao, ô tô ngày càng được sử dụng rộng rãi như một phương tiện giao thông thông dụng. Ô tô hiện đại được thiết kế nhằm cung cấp tối đa về các tiện nghi cũng như tính năng an toàn cho người sử dụng.

Các tiện nghi được sử dụng trên ô tô hiện đại ngày càng phát triển, giữ vai trò quan trọng đối với việc đảm bảo nhu cầu của khách hàng như xem phim, nghe nhạc, một số hệ thống thông minh( nhớ vị trí ghế, sưởi ghế, guơng chiếu hậu thông minh, khóa thông minh,…), và một trong những tiện nghi bắt buộc phải có trên một chiếc ôtô đó là hệ thống điều hòa không khí ôtô. Để kịp thời nắm bắt được xu thế chung đó trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật đã sớm đưa hệ thống điều hòa vào việc giảng dạy trên cơ sở lý thuyết chuyên sâu và đi kèm với đó là mô hình thực tế minh họa nguyên lý hoạt động bên ngoài lẫn hệ thống trên xe. Dựa trên nền tảng kiến thức được học nhóm chúng em quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu thi công mô hình hệ thống điều hòa không khí trên ô tô kết hợp thu thập hiển thị tín hiệu cảm biến ” với mục đích chính là nghiên cứu sâu hơn về hệ thống điều hòa cũng như tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh. Chúng em rất mong rằng khi đề tài của chúng em được hoàn thành sẽ đóng góp phần nhỏ trong công tác giảng dạy của nhà trường.

Do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên không thể tránh những thiếu sót trong quá trình thực hiện đề tài, chúng em rất mong được sự giúp đỡ và góp ý từ các thầy cô để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu đề tài. Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại xưởng thực hành nhóm chúng em nhận thấy các mô hình mô tả hoạt động của hệ thống điều hòa có tại xưởng đa số đều khá cũ và hoạt động không ổn định cũng như hư hỏng khá nhiều. Vì vậy dựa trên những kiến thức được học kèm với quá trình nghiên cứu nhóm chúng em áp dụng thể thực hiện các vấn đề sau: - Thiết kế khung 3D mô hình hệ thống điều hòa bằng phần mềm SolidWorks.

- Lắp ráp hai mô hình điều hòa hoàn chỉnh với đầy đủ các cảm biến cần thiết. 1 - Dùng Arduino kết hợp thu thập các tín hiệu cảm biến để hiển thị lên màn hình LCD các giá trị điện áp và nhiệt độ. - Biên soạn tập thuyết minh một cách rõ ràng và chi tiết về cơ sở lí thuyết, nguyên lí hoạt động của hệ thống điều hòa cũng như chi tiết về mô hình. Phạm vi nghiên cứu: Vì đây là mô hình cũ nên trong quá trình thi công mô hình một số vật tư trong mô hình đã mất vì vậy nhóm em đã tìm mọi cách để thay thế và sữa chữa và cũng vì thế mà một số thông số trên mô hinh có thể sai lệch đôi chút so với trên xe thực tế.

Phương pháp nghiên cứu. - Ôn tập các kiến thức còn thiếu sót và phát sinh trong quá trình thực hiện đề tài. - Tham khảo kiến thức từ giảng viên hướng dẫn. - Tìm hiểu các tài liệu liên quan đến đề tài để hoàn thiện cơ sở lý thuyết.

- Thực nghiệm nhiều lần trên mô hình kết hợp mô phỏng bằng máy tính nhằm cho ra kết quả chính xác nhất. Phạm vi ứng dụng. Mô hình thực tế có thể đưa vào chương trình giảng dạy và học tập. Các bạn sinh viên có thể thực hành trực tiếp trên mô hình dưới sự hướng dẫn của giảng viên nhằm hiểu sâu hơn về nguyên lí hoạt động của hệ thống điều hòa.

Tài liệu đi kèm mô tả chi tiết về hoạt động của hệ thống giúp các bạn sinh viên có cái nhìn tổng quan hơn về hệ thống đang học. 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu chung về điều hòa không khí. Vùng nhiệt độ lý tưởng đối với cơ thể con người.

Nhiệt độ là yếu tố gây cảm giác nóng lạnh đối với con người. Cơ thể con người có nhiệt độ là tct = 37oC. Trong quá trình vận động cơ thể con người luôn luôn toả ra nhiệt lượng qtỏa. Lượng nhiệt do cơ thể toả ra phụ thuộc vào cường độ vận động.

Để duy trì thân nhiệt cơ thể thường xuyên trao đổi nhiệt với môi trường. Sự trao đổi nhiệt đó sẽ biến đổi tương ứng với cường độ vận động. Theo các nhà khoa học nghiên cứu chỉ ra rằng con người sinh trưởng và phát triển tốt nhất trong khoảng nhiệt độ từ 22oC đến 27oC. Xét về độ ẩm, độ ẩm không khí tốt cho sức khỏe con người là ở mức 55% - 65%.

Con người có xu hướng vẫn cảm thấy dễ chịu nếu độ ẩm cao trên 70% nhưng nhiệt độ thấp dưới 22oC hoặc nhiệt độ cao khoảng 28oC đến 32oC nhưng độ ẩm thấp chỉ khoảng 30%. Nhiệt và sự truyền nhiệt. Nói một cách ngắn gọn thì nhiệt là một dạng năng lượng dự trữ trong vật chất nhờ vào chuyển động nhiệt hỗn loạn của các hạt cấu tạo nên vật chất. Trong vật chất, các phân tử cấu tạo nên vật chuyển động hỗn loạn không ngừng, do đó chúng có động năng.

Động năng này có thể chia làm động năng chuyển động của khối tâm của phân tử, cộng với động năng trong dao động của các nguyên tử cấu tạo nên phân tử quanh khối tâm chung, và động năng quay của phân tử quanh khối tâm. Tổng các động năng này của các phân tử chính là nhiệt năng của vật. Nhiệt có xu hướng truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp, ví dụ như cơ thề chúng ta cảm thấy mát mẻ là do nhiệt từ cơ thể đã truyền ra môi trường có nhiệt độ thấp hơn làm giảm nhiệt độ tại vùng cơ thể đó. Có 3 cách truyền nhiệt chính là: Dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ: - Dẫn nhiệt (hay tán xạ nhiệt) là sự truyền động năng giữa các nguyên tử hay phân tử lân cận mà không kèm theo sự trao đổi phần tử vật chất.

Hình thức trao đổi nhiệt luôn diễn ra từ vùng có mức năng lượng cao hơn (với nhiệt độ cao hơn) đến vùng có mức năng lượng 3 thấp hơn (với nhiệt độ thấp hơn). Sự truyền nhiệt trong kim loại thông qua sự chuyển động của các electron cũng là sự dẫn nhiệt. - Đối lưu nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện nhờ sự chuyển động của chất lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau hoặc sự truyền nhiệt từ một hệ rắn sang một hệ lỏng (hoặc khí) và ngược lại. Người ta phân biệt giữa đối lưu tự nhiên (dòng vật chất chuyển động nhờ nội năng trong chất lỏng, khí) và đối lưu cưỡng bức (dòng chuyển động do ngoại lực tác dụng, ví dụ như quạt, bơm v.

- Bức xạ nhiệt là sự trao đổi nhiệt thông qua sóng điện từ. Bức xạ nhiệt có thể truyền qua mọi loại vật chất cũng như qua chân không. Tất cả các vật thể có nhiệt độ lớn hơn độ không tuyệt đối (0 Kelvin) đều bức xạ nhiệt. Trong bức xạ nhiệt, dòng nhiệt không chỉ truyền từ nơi nóng sang nơi lạnh mà còn theo chiều ngược lại.

Tuy nhiên, vì dòng nhiệt từ nóng sang lạnh luôn luôn lớn hơn dòng từ lạnh sang nóng nên dòng nhiệt tổng hợp luôn theo chiều từ nóng sang lạnh. Hiểu theo một cách khác, sự chênh lệch nhiệt độ luôn nhỏ đi. Trong bức xạ nhiệt, dòng nhiệt được tính thông qua định luật Stefan-Boltzmann. 1: Sự trao đổi nhiệt 2.

Tổng quan về hệ thống điều hòa không khí. Điều hòa không khí còn gọi là điều tiết không khí là quá trình tạo ra và giữ ổn định các thông số trạng thái của không khí theo một chương trình định sẵn không phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài. Khác với thông gió, trong hệ thống điều hòa, không khí trước khi thổi vào phòng đã được xử lý về mặt nhiệt ẩm. Vì thế điều tiết không khí đạt đạt hiệu quả cao hơn thông gió.

4 Hệ thống điều hòa không khí trên ô tô là một hệ thống quan trọng bởi nó không chỉ điều khiển nhiệt độ và tuần hoàn không khí trong xe mà nó còn hoạt động như một máy hút ẩm có chức năng điều khiển nhiệt độ lên xuống. Điều hòa không khí cũng giúp loại bỏ các tác nhân gây cản trở tầm nhìn như sương mù, băng đọng trên mặt trong của kính xe. Các chức năng của điều hòa không khí trên ô tô: - Điều khiển nhiệt độ và thay đổi độ ẩm trong xe. - Điều khiển dòng không khí trong xe.

- Lọc và làm sạch không khí. Điều khiển nhiệt độ. Hệ thống sưởi không khí. Người ta dùng một két sưởi ấm như một bộ trao đổi nhiệt để làm nóng không khí.

Két sưởi lấy nước làm mát của động cơ đã được hâm nóng bởi động cơ và dùng nhiệt độ này để làm nóng không khí nhờ một quạt thổi vào xe, vì vậy nhiệt độ của két sưởi là thấp cho đến khi nước làm mát nóng lên. Do đó ngay sau khi động cơ khởi động két sưởi không làm việc như là một bộ sưởi ấm. 2: Nguyên lý hoạt động của bộ sưởi ấm. Hệ thống làm mát không khí.

Giàn lạnh trong hệ thống điều hòa làm việc như là một bộ trao đổi nhiệt để làm mát không khí trước khi đưa vào trong xe. Khi bật công tắc điều hòa không khí, máy nén bắt đầu làm việc đẩy môi chất lạnh (ga) tới giàn lạnh. Giàn lạnh được làm mát nhờ môi chất 5 làm lạnh và sau đó nó làm mát không khí được thổi vào trong xe từ quạt gió. Việc làm nóng không khí phụ thuộc vào nhiệt độ của nước làm mát động cơ nhưng việc làm mát không khí hoàn toàn độc lập với nhiệt độ nước làm mát động cơ.

3: Nguyên lý hoạt động của hệ thống làm mát không khí. Hệ thống hút ẩm không khí. Lượng hơi nước trong không khí tăng lên khi nhiệt độ không khí cao và giảm xuống khi nhiệt độ không khí giảm. Khi đi qua giàn lạnh, không khí được làm mát.

Hơi nước trong không khí ngưng tụ lại và bám vào các cánh tản nhiệt của giàn lạnh. Kết quả là độ ẩm trong xe bị giảm xuống. Nước dính vào các cánh tản nhiệt đọng lại thành sương và được chứa trong khay xả nước. Cuối cùng, nước này được tháo ra khỏi khay của xe bằng một vòi nhỏ.

Điều khiển nhiệt độ không khí.