中華民國第49屆中小學科學展覽會

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1 中華民國第 50 屆中小學科學展覽會 R 作品說明書高職組電子電機及資訊科五期環保化油器式機車之製作及研究學校名稱 : 國立臺南高級工業職業學校作者 : 指導老師 : 職二黃銘鋒職二鍾凱全陳東杰郭文勝職二趙立德職一黃宗毅關鍵詞 : 環保化油器機車

2 摘要自 98 年 1 月 1 日起, 各大機車製造廠皆已生產噴射引擎機車而已無生產化油器式機車但化油器系統仍具有不易故障及成本低的優點, 故如果使用含氧感知器之回饋訊號並作動旁通閥以修正混合比, 則就能減少廢氣污染物排放量本研究使用具節氣門位置感知器 (TPS) 之化油器, 並讀取引擎轉速訊號及含氧感知器訊號含氧感知器可由排氣管量測到進入引擎汽缸之混合比, 再以 PWM 方式控制旁通閥之旁通量以修正混合比結果顯示, 本研究所製作之系統可有效減少廢氣污染物之排放量壹. 研究動機自 96 年 7 月 1 日五期環保規定實施以後, 各機車製造廠所生產之化油器機車幾乎都無法符合五期環保規定所以自 98 年 1 月 1 日起, 皆已生產噴射引擎機車而已無生產化油器式機車目前在市面上的噴射引擎機車在政府補助下價格仍比化油器式機車貴 1 萬多元而由於機車進氣歧管較短, 即使是化油器系統, 燃油自霧化至進入汽缸之時間較短暫另外, 重型機車以下皆為單缸設計, 所以進氣歧管之真空壓力變化幅度較大, 且基本噴油量是由多個感知器經電腦計算出來的, 所以一旦有感知器故障則混合氣就不會是理想混合比值, 因此反而會使廢氣污染物增加而化油器式本身就是利用流體力學方式設計, 故障率低及構造較為簡單, 油量會隨著空氣多寡而被吸出混合, 也就是已有較不易故障之基本油量值雖然此基本油量值會隨著溫度而改變, 如加上修正油量設計則除成本比噴射引擎較少外也較不易有故障而影響引擎性能產生貳. 研究目的本研究目的為製作一具油量修正的化油器式機車系統, 使機車能符合五期環保規定 1

3 參. 研究設備及器材表 1 零件器材表使用設備規格數量備註設備 : 1. 直流電源供應器 MOTECH LPS-305 數位式 2. 示波器 RIGOL DS1052E 50MHz 3. 函數產生器 HOLA HFG-101 5Mhz 4. 個人電腦 1 5. 印表機 1 6. 筆記型電腦 1 器具 : 1. 電烙鐵 30W 1 2. 尖嘴鉗電子用 1 3. 斜口鉗電子用 1 4. 剝線鉗電子用 1 5. 螺絲起子組電子用 1 6. 麵包版電子用 1 7. 三用電錶數位式 1 8.IC 拔取器 9.IC 整腳器電子零件表 Code Vision AVR Microsoft Word Proteus 7 材料名稱規格數量電阻 330Ω 1 電阻 1kΩ 1 電阻 10kΩ 1 電阻 100kΩ 1 電阻 1MΩ 1 可變電阻 50kΩ 2 指撥開關二段式 2 電容 1μF 2 電容 10μF 1 電容 47μF 1 電容 100μF 1 2

4 電容 0.1μF 1 電容 0.022μF 1 電容 0.068μF 1 穩壓 IC L 穩壓 IC L 電晶體電晶體 LED 1 IC LM2907N 1 單晶片 ATMEL AVR MEGA8 1 3

5 肆. 研究過程或方法一化油器式機車引擎系統介紹化油器 (carburetor) 是機車引擎中的一個裝置, 其作用是利用較窄的喉部, 加速引擎吸進的空氣, 產生文氏管效應將細管中的燃油吸出霧化和空氣相混合, 其內部如圖 1 所示而文氏管效應為白努力原理氣體流動得越快, 它的靜態壓力便越低, 而動態壓力則越高而由油門控制之節氣閥不是直接控制燃油的流量而是控制在引擎運轉時被吸入的空氣流量吸入空氣的速度便產生一個壓力, 利用這個壓力來控制燃油進入引擎的多寡如進入引擎汽缸內空氣與汽油之混合氣數量少, 則產生動力較小反之則產生較大的動力圖 1 可變喉管式化油器另外機車引擎因大多數為單缸設計, 其進氣歧管之壓力變動非常大, 所以皆用可變喉管式化油器其是利用滑塊和滑塊上的油針來控制文氏管的管路面積和汽油油路的開閉化油器內部包含以下油路 ( 一 ) 浮筒油路為了供應穩定的油氣, 化油器上還有一個叫做浮筒室的裝置, 浮筒室內裝著準備被各油路使用的汽油而室內壓力約等於大氣壓力而室內的汽油量則受到浮筒和一個針閥的控制當汽油不足時, 浮筒下降針閥開啟, 汽油便會補充至浮筒再度將針閥關閉為止 4

6 ( 二 ) 怠速油路怠速油路是位於節氣閥全關之處, 為提供引擎怠速時之油量當節氣閥在關閉位置, 此時經節氣閥與本體之間可通過面積很小, 所以節氣閥處之空氣流速很快相對地, 可變喉管處之空氣流速較慢此時, 油量由怠速油路提供 ( 三 ) 主油路當節流閥開度更大時, 由於歧管內的真空度下降導致怠速油路流量減少, 所以這時候就是化油器內可言喉管構造發生作用的時候了, 如之前所說當氣流經過文氏管細的部分時, 由於壓力的下降, 便從主油路之油針中吸出汽油 ( 四 ) 加速油路由於汽油在液態時慣性比空氣還要大, 所以在油門突然開啟時, 氣流增大的速度遠大於汽油的速度導致混合比突然下降 ( 混合比較稀 ), 以致於要加速時引擎轉速卻下降的情況為了避免這種情況, 所以在化油器加上一個小泵浦, 由連桿連接節流閥並由節流閥控制當油門開啟時便會用泵浦將汽油直接噴入氣流中, 以補償混合比的濃度 ( 五 ) 自動快怠速油路由於在冷車時, 汽油的氣化效果不好, 容易在歧管壁上凝結, 導致油氣太稀發車不易因此, 在引擎到達工作溫度前, 需要較濃的混合比來啟動和暖車 ( 快怠速 ) 所以為了供應更濃的油氣, 另增加一油路並由臘丸式控制閥控制此油路在引擎未發動前為打開狀況而提供額外油量及空氣, 當引擎鑰匙開關 ON 後, 電路會加熱臘丸再籍由熱漲冷縮原理將閥門關閉二噴射引擎機車系統介紹噴射引擎是由感知器電腦及致動器所組成, 由各式感知器感測引擎之轉速溫度進氣壓力節氣門位置以計算出進入引擎汽缸之空氣量, 再作動噴油嘴將汽油噴入進氣歧管中, 如圖 2 所示另外在排氣歧管上裝有含氧感知器, 其可由排氣測得進氣混合比之濃稀, 並透過電腦以精確地使空氣與燃油之混合比值修正在 14.7:1 之理想值範圍, 而使燃燒後之廢氣排放污染物減少 5

7 圖 2 噴射引擎系統圖 1. 含氧感知器氧化鋯 (ZrO2) 為固態電解質的一種, 它有一種特性就是在高溫時氧離子易於移動此型含氧感知器將氧化鋯燒結成管狀, 並與內層與外層塗上白金 (Pt), 這就是氧化觸媒的作用, 當氧離子移動時即會產生電動勢, 而電動勢的大小是依氧化鋯兩側的白金所接觸到的氧而定, 最外層則覆蓋一層保護殼內層白金面所大氣接觸, 所以氧氣濃度高, 外層白金與排氣接觸, 氧氣濃度低當混合比較高時, 排放的廢氣所含的氧相對地減少, 因此氧化鋯兩側的白金所接觸到的氧氣高低落差大, 所產生的電動勢也相對高 ( 將近 1V); 當混合比稀時, 燃燒完所多餘的氧氣較多, 氧化鋯兩側的白金層的氧氣落差小, 因此所產生的電動勢低 ( 將近 0V) 所以引擎控制電腦由此電壓訊號即可偵測到當時混合比的狀況然而含氧感知器須在高溫才能發揮正常用作 (400 ~900 ), 因此當引擎剛開始發動時, 含氧感知器尚未開始作用, 須等到達到其作工溫度才開始有電動勢的產生, 所以之後的含氧感知器皆改良成加熱型, 也就是利用陶瓷加熱器來使得感知器能也迅速地達到正常的作工狀態, 因此目前的車型幾乎可以在引擎發動 30 秒後, 含氧感知器即可供給電腦正確的訊號, 有些車型甚至可以達到更低的時間當含氧感知器達到工作溫度時, 其輸出電壓為 0~0.9V 當輸出電壓為 0.45V 以上時則表示引擎空氣 / 燃料混合比比理論混合比 (14.7:1) 偏濃 ; 當輸出電壓為 0.45V 以下時則表示引擎混合比偏稀, 所以如果控制混合比而使含氧感知器之輸出電壓在 0.45V 上下跳動, 則表示將引擎混合比控制在理論混合比附近之範圍內 6

8 2. 節氣門位置感知器 ( 油門電位計 ) 的運作原理主要是車輛運作當中即時回饋給引擎控制電腦一個訊號, 提供每一個單位時間的電壓差給引擎控制電腦做參考, 方便讓電腦知道駕駛人油門的位置及單位時間變動率, 來做供油與怠速馬達控制的依據輸入電壓 5V 輸出電壓怠速 0.45V~0.5V 全開 4.5V~5.0V 三使用化油器系統之可行性分析目前使用於機車上之化油器式與噴射引擎之優缺點如下表表 2 化油器式與噴射引擎之優缺點項目化油器式引擎噴射引擎耗油率大小單位馬力大小汽油霧化差佳進氣阻力大小污染物排放量多少因為噴射引擎具有耗油率低污染物排放量少的優點, 所以汽車已經沒有化油器系統, 而皆改為噴射引擎自 98 年 1 月 1 日起, 因為化油式式機車無法通過五期環保, 所以機車也都生產噴射引擎雖然汽車與機車皆為內燃機, 但實際上卻有所差別, 其差別如表 3 所示由表 3 可看出 1. 機車因為是單缸引擎, 所以進氣歧管較短, 實際上混合氣很快就會進入汽缸, 不易附著於管壁上 2. 機車歧管壓力並不會稳定而是一直變化, 所以利用歧管壓力來計算噴油量之方式並無法很準確另外, 雖然化油器式無法因溫度改變而修正油量, 但如果我們也在排氣歧管裝上含氧感知器來回饋混合氣訊號在經由旁通道控制混合氣值, 那就可以如同噴射引擎一般的表 3 汽車與機車引擎部份之不同處項目汽車機車進氣歧管長短引擎怠速 800RPM 1700RPM 汽缸數多缸單缸歧管壓力穩定不穩定 7

9 四本研究系統介紹本研究首先將化油器換為具節氣門位置感知器 (TPS) 之化油器, 如圖 3 所示接著在排氣歧管上加上含氧感知器, 如圖 4 所示最後加上旁通閥, 如圖 5 所示圖 3 具 TPS 之化油器圖 4 含氧感知器 8

10 圖 5 旁通閥本研究讀取引擎轉速含氧感知器及節氣門位置感知器, 以控制旁通閥修正空氣 / 燃料混合氣之混合比, 並且將修正值儲存於 EEPROM 中系統電路圖, 如圖 6 所示圖 6 系統電路接線圖 9

11 五頻率轉電壓電路為了使單晶片減少負擔, 因此計算頻率部份就由頻率轉電壓 IC 處理本研究採用 LM2907 頻率轉電壓 IC, 將引擎轉速之頻率轉換成電壓輸出當引擎轉速增加時, 引擎轉速感知器所產生之脈波頻率會隨之增加, 轉換的電壓也會增加而且成一定比例, 所以可以由轉換的電壓值可得知引擎轉速, 其電路如圖 7 所示另外, 在 LM2907 頻率轉電壓 IC 之第 2 腳位接有一電容器此電容器之電容量會改變輸入頻率與輸出電壓之比例值, 如果此電容之電容量太小, 則輸出電壓之比例值會隨之縮小 ; 如果此電容之電容量太大, 則輸出電壓之比例值會隨之變大依 LM2907 之資料表得知 Vo = Vcc f in R1 C1 K (1) 圖 7 頻率轉電壓之電路圖六程式設計及說明程式流程圖, 如圖 8 所示因為含氧感知器在未達到工作溫度時並沒有訊號輸出, 所以程式一開始先讀取含氧感知器之訊號, 等到含氧感知器開始有回饋訊號後才控制混合比之修正另外在加速或有負載時, 混合氣要濃於理論混合比值, 也就是在節氣門位置感知器在固定位置及引擎轉速保持定值時才作動旁通閥旁通閥是以 PWM( 脈波調變寬度 ) 控制, 只要控制 ON 與 OFF 的百分比就可以控制旁通閥之旁通量, 進而控制混合比之修正最後當在引擎熄火, 電源關閉時, 將目前之修正值存在 EEPROM 裡, 以便下一次直接使用此值修正本研究所設計之實際程式, 如附錄所示 10

12 程式開始初始化否含氧感知器訊號? 是讀引擎訊號否 TPS 訊號是否固定是是引擎轉速是否變動否讀取含氧感知器訊號以 PWM 方式控制旁通閥圖 8 程式流程圖 11

13 七 EEPROM 介紹 EEPROM 是一種可以重覆清除及寫入資料的一種記憶體, 其最主要的特性為電源消失後, 其資料仍能保存下次提供電源時, 仍能可讀出原先寫入的資料本研究使用之 ATMEL 公司生產之 AVR MEGA 8 單晶片內建有 512bytes EEPROM 記憶體, 可由 EEPROM 之 Register Description 來設定 EEPROM 之使用狀態其 Register Description 如下所示 EEARH EEPROM 位址高位元 8bits EEARL EEPROM 位址低位元 8bits 可由此 EEARH 及 EEARL 設定要讀取或寫入的 EEPROM 位址 EEDR 要讀取或寫入 EEPROM 之資料放置位置 EERIE EEPROM 準備好寫入之中斷致能 EEMWE 設定 EEPROM 之允許寫入致能, 需要在 EEMWE 設定為 1 後之 4 個時脈, 設定 EEWE, 否則設定 EEWE 將為無效 EEWE EEPROM 寫入致能 EERE EEPROM 讀取致能本研究會偵測在引擎怠速下之含氧感知器變化, 當在 30 秒左右並且含氧感知器輸出電壓在 0.45V 上下變化 20 次以上時, 則將此時之旁通閥控制值於斷電前儲存於 EEPROM 記憶體內, 以便下一次控制旁通閥之初始依據 12

14 八 PWM 控制原理 ATMEL AVR 系列單晶片內建有 PWM 功能, 並可提供稳定及正確的 PWM 訊號 PWM(Pulse Width Modulation) 稱為脈波寬度調變, 常用於直流馬達的控制電源變換器之穩壓控制甚至是直流轉換交流弦波的控制等, 汽車上則使用於旁通閥控制其原理如圖 9 與 10 所示, 圖中高電位的部份是旁通閥動作 (active) 時間, 或叫做責任週期 (Duty Cycle), 低電位的部份是旁通閥停止 (stop) 時間, 兩者時間和即為一週期當使用者想減少旁通閥之旁通量, 只要減少動作的時間增加停止的時間, 並保持週期不變即可, 如圖 9 所示反之, 如果想增加旁通閥之旁通量, 則需要加長動作的時間縮短停止的時間, 並且保持週期不變, 如圖 10 所示由於旁通閥之旁通閥係透過改變動作的時間比例, 也就是圖 9 與 10 中高電位脈波 (Pulse) 的相對時間寬度 (Width), 因此這樣的控制方式稱作脈波寬度調變圖 9 PWM 動作原理於 ON 時間寬度較小時圖 10 PWM 動作原理於 ON 時間寬度較大時 13

15 伍. 研究結果與討論自 98 年 1 月 1 日起, 皆已生產噴射引擎機車而已無生產化油器式機車噴射引擎之基本噴油量是由多個感知器經電腦計算出來的, 所以一旦有感知器故障則混合氣就不會是理想混合比值, 因此反而會使廢氣污染物增加而化油器式本身就是利用流體力學方式設計, 油量會隨著空氣多寡而被吸出混合, 也就是已有較不易故障之基本油量值雖然此基本油量值會隨著溫度而改變, 如加上修正油量設計則除成本比噴射引擎較少外也較不易有故障而影響引擎性能產生本研究使用 LM2907 頻率轉電壓 IC, 將引擎轉速訊號轉換成電壓訊號, 再經由單晶片內建之類比 / 數位轉換器將電壓訊號轉換成數位值, 所以可由數位值計算出引擎轉速經實際由函數產生器及 LM2907 電路量測, 其頻率轉電壓之關係如圖 11 另外, 使用具節氣門位置感知器 (TPS) 之化油器, 並讀取引擎轉速訊號及含氧感知器訊號含氧感知器可由排氣管量測到進入引擎汽缸之混合比, 再以 PWM 方式控制旁通閥之旁通量以修正混合比圖 12 為原來化油器式之廢氣分析儀量測值, 圖 13 則為本研究之廢氣分儀量測值由兩者可看出, 原來化油器式之 HC 為 163PPM 及 CO 為 2.96% 本研究因為有含氧感知器之回饋訊號以修正混合比值,HC 為 148PPM CO 為 1.44%, 明顯比原化油器式低並可符合五期環保規定另外, 我們也讀取化油器式及本研究之含氧感知器訊號圖 14 為原來化油器式之含氧感知器值, 圖 15 為本研究之含氧感知器值由兩者可看出, 原來化油器式之含氧感知器值因為沒有修正, 所以一直高於 0.5V, 混合比處於偏濃狀態本研究之含氧感知器值因為有修正, 所以訊號會在 0.5V 上下跳動, 而將混合比修正在理想值範圍內電壓 (V) 數列頻率 (Hz) 圖 11 頻率轉電壓之關係圖 14

16 圖 12 原化油器式引擎機車之廢氣分析值圖 13 本研究之廢氣分析值電壓 (V) CH 時間 (ms) 圖 14 原化油器式引擎機車之含氧感知器訊號 15

17 電壓 (V) CH1 時間 (s) 圖 15 本研究之含氧感知器訊號陸. 結論結果顯示, 本研究所製作之系統可減少製作成本減少故障並有效減少廢氣污染物之排放量而符合五期環保規定柒. 參考資料及其他一黃靖雄 ( 民 90) 汽車學 Ⅰ 台北市全華圖書二何義達 ( 民 94) 汽車實習 Ⅲ 台北縣台科大圖書三蔡燕山蔡賜琦 ( 民 96) 電子概論與實習台北縣台科大圖書四孫宗瀛 ( 民 90) 常用線性 IC 資料手冊台北市全華科技圖書五孫宗瀛 ( 民 92) 常用數位 IC 資料手冊台北市全華科技圖書六盧明智 ( 民 92) 感測器原理與應用實習台北縣台科大圖書七松井邦彥 ( 民 88) 感測器應用電路的設計與製作台北縣建興出版社八許俊達等 ( 民 94) AVR 單晶片微處理器台北縣台科大圖書九郁文工作室 ( 民 94) 嵌入式 AVR 程式設計台北市全華圖書十張志安蕭柱惠 ( 民 90) 數位邏輯實習台北縣台科大圖書十一 National Semiconductor( 民 98) LM2907/LM2917 Frequency to Voltage Converte 民國 98 年 10 月 21 日, 取自 : 16

18 附錄 #include <io.h> #include <delay.h> #define EEMWE 2 #define EEWE 1 void ADC(void); int O2_V,TPS_V,RPM_V; int df_o2,bf_o2,df_tps,bf_tps,df_rpm,bf_rpm; int cnt,ptr,cnt1; interrupt [EXT_INT0] void ISR(void) // 中斷副程式 (int0) { ptr++; if(ptr<10) {return;} else {ptr=0;} ADMUX=0x42; //** 讀含氧感知器之電壓值 ADC( ); O2_V=ADCW; //** df_o2=o2_v-bf_o2; // 計算現在含氧感知器電壓值與上一次之差值 if(o2_v>92) //** 含氧電壓大於 0.45V 則 OCR2+1 並計算變化次數 { OCR2++; if(bf_o2<92&&rpm_v<150) {cnt++;} //** } else //** 含氧電壓小於 0.45V 則 OCR2-1 並計算變化次數 { OCR2--; if(bf_o2>92&rpm_v<150) {cnt++;} //** } if(ocr2>254) //** 限制 OCR2 值於 1~254 範圍 {OCR2=254;} if(ocr2<1) {OCR2=1;} //** bf_o2=o2_v; if(cnt>254) 17

19 {cnt=254;} } interrupt [TIM0_OVF] void time0(void) // 計時器中斷 (time0) { TCNT0=0; cnt1++; if(cnt1>=1000&cnt>=20) //** 約 30 秒檢查 O2 變化是否超過 20 次, 如有則將 OCR2 值寫入 EEPROM { cnt1=0; EEARL=1; EEDR=OCR2; EECR =1<<EEMWE; EECR =1<<EEWE; delay_ms(1); EECR =0<<EEMWE; } else {cnt=0;} //** } void main(void) // 主程式 { DDRB=0xff; //** 設定輸入輸出方向 DDRC=0; DDRD=0xc0; //** ADMUX=0x40; //** 設定 ADC ADCSRA=0x80; //** TCCR2=0x6f; //** 設定 fast PWM TCNT2=0; OCR2=30; //** MCUCR=2; // 中斷使用 INT0 TCCR0=5; //** 設定 time0 TCNT0=0; TIMSK=1; //** SREG=0x80; while(o2_v<92) //** 程式迴圈直到含氧電壓超過 0.45V { ADC( ); 18

20 O2_V=ADCW; delay_ms(8000); //** } EEARL=1; //** 讀取上一次儲存於 EEPROM 之 PWM 資料 EECR =1; OCR2=EEDR; delay_ms(1); //** while(1) { ADMUX=0x41; //**ADC 讀取 TPS 值 ADC( ); TPS_V=ADCW; df_tps=tps_v-bf_tps; bf_tps=tps_v; //** ADMUX=0x40; //**ADC 讀取引擎轉速值 ADC( ); RPM_V=ADCW; df_rpm=rpm_v-bf_rpm; bf_rpm=rpm_v; //** if(df_tps<40&&df_tps>=0&&df_rpm<20&&df_rpm>-20) //** 如 TPS 或引擎轉速變化則不修正混合比 {GICR=0x40;} else {GICR=0;} //** } } void ADC(void) // 讀取 ADC 副程式 { ADCSRA =0x40; while(!adcsra.4); } 19

21 評語利用感知器的回饋訊號, 以修正混合比值, 對環保觀念清楚, 構思值得嘉許, 有助於在汽車本科系對電子控制的興趣作品說明書欠缺問題與討論部分, 參加高職組電子電機及資訊科, 組員欠缺電子觀念, 對電子電路的動作尚待補強

一、研究動機

一、研究動機中華民國第四十六屆中小學科學展覽會作品說明書高職組電子電機及資訊科第二名最佳創意獎 091006 智慧型汽車後視鏡學校名稱 : 國立屏東高級工業職業學校作者 : 職二楊上玄指導老師 : 童信源職二黃龍聖職二林冠樺職二李嘉清關鍵詞 : 後視鏡汽車單晶片車不車車路來利輪輪利來車車車來行車來車行度度來車易度車度車行車...

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