Luận án Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống phun nhiên liệu điện tử cung cấp xăng sinh học có tỷ lệ cồn etanol tới 100% (E100) cho động cơ ô tô và xe máy sử dụng nhiên liệu linh hoạt - Nguyễn Khánh Tùng

MỤC LỤC

MỤC LỤC.i

LỜI CAM ĐOAN.iv

LỜI CẢM ƠN . v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ/ SƠ ĐỒ .vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .xii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .xiv

MỞ ĐẦU. 1

i. Sự cần thiết của đề tài. 1

ii. Mục đích nghiên cứu . 2

iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu . 2

iv. Phương pháp nghiên cứu. 2

v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn . 3

vi. Tính mới của đề tài . 3

vii. Các nội dung chính của đề tài. 3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN. 4

1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học . 4

1.1.1. Sự cần thiết phải nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học. 4

1.1.2. Các loại nhiên liệu sinh học được sử dụng trên phương tiện. 5

1.2. Nhiên liệu cồn ethanol và xăng sinh học . 6

1.2.1. Nhiên liệu cồn ethanol. 6

1.2.2. Xăng sinh học. 9

1.2.3. Sản xuất và sử dụng cồn ethanol và xăng sinh học trên phương tiện . 10

1.3. Các nghiên cứu sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn trên động cơ xăng

. 13

1.3.1. Các nghiên cứu trên thế giới . 13

1.3.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam. 25

1.4. Kết luận Chương 1 . 28

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT . 29

2.1. Quá trình cháy của động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học. 29

2.1.1. Quá trình cháy trong động cơ xăng . 29

2.1.2. Quá trình cháy của động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học . 31ii

2.2. Lý thuyết mô phỏng động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học. 34

2.2.1. Mô hình hỗn hợp nhiên liệu. 34

2.2.2. Mô hình cháy. 34

2.2.3. Mô hình truyền nhiệt . 42

2.2.4. Mô hình phát thải. 45

2.2.5. Một số mô hình phụ khác . 47

2.3. Hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ phun xăng khi sử dụng xăng sinh học có

tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100%. 51

2.3.1. Cấu tạo hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ . 51

2.3.2. Cơ sở lý thuyết chuyển đổitừ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh

học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% . 54

2.3.3. Bộ dữ liệu chuẩn trong động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol

lớn tới 100%. 58

2.4. Kết luận chương 2 . 61

CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ KHI SỬ

DỤNG XĂNG SINH HỌC CÓ TỶ LỆ CỒN ETHANOL TỚI 100% . 62

3.1. Đối tượng nghiên cứu và xây dựng mô hình động cơ . 62

3.1.1. Đối tượng nghiên cứu. 62

3.1.2. Xây dựng mô hình động cơ. 63

3.2. Đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản trên động cơ ô tô phun xăng

điện tử khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100%. 64

3.2.1. Hiệu chuẩn mô hình và đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản . 65

3.2.2. Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới tham số của

mô hình cháy Fractal. 80

3.2.3. Xác định hệ số dư lượng không khí  của hỗn hợp cháy với các tỷ lệ cồn ethanol

khác nhau . 81

3.3. Nghiên cứu mô phỏng xây dựng bộ thông số chuẩn với xăng sinh học. 82

3.3.1. Tính toán mô phỏng lượng nhiên liệu phun đảm bảo hệ số dư lượng không khí

 = 1 . 82

3.3.2. Tính toán góc đánh lửa sớm để mô men động cơ đạt Memax khi sử dụng xăng sinh

học. 87

3.4. Kết luận chương 3. 92

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM . 94

4.1. Đối tượng, nhiên liệu và trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm . 93

4.1.1. Đối tượng thử nghiệm. 93

4.1.2. Nhiên liệu thử nghiệm . 93iii

4.1.3. Trang thiết bị thử nghiệm. 94

4.2. Thử nghiệm hiệu chuẩn mô hình mô phỏng và bộ thông số chuẩn động cơ khi sử

dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% . 96

4.2.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm . 96

4.2.2. Kết quả thử nghiệm. 98

4.3. Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ECU phụ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn

ethanol tới 100% . 102

4.3.1. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển ECU phụ cho động cơ Toyota 1NZ-FE. 102

4.3.2. Nghiên cứu nạp bộ thông số chuẩn lên ECU phụ. 109

4.4. Thử nghiệm đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ xăng khi

được lắp thêm ECU phụ trên băng thử động cơ . 110

4.4.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm . 110

4.4.2. Kết quả thử nghiệm trên băng thử động cơ . 110

4.5. Thử nghiệm tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của xe ô tô được lắp thêm

ECU phụ trên băng thử ô tô. 115

4.5.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm . 115

4.5.2. Kết quả thử nghiệm với ô tô nguyên bản khi chưa lắp ECU phụ. 116

4.5.3. Kết quả thử nghiệm với ô tô được lắp thêm ECU phụ . 119

4.6. Kết luận Chương 4 . 123

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI . 125

Kết luận chung: . 125

Hướng phát triển của đề tài: . 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO. 127

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 137

PHỤ LỤC

pdf172 trang | Chia sẻ: trungkhoi17 | Lượt xem: 682 | Lượt tải: 5download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống phun nhiên liệu điện tử cung cấp xăng sinh học có tỷ lệ cồn etanol tới 100% (E100) cho động cơ ô tô và xe máy sử dụng nhiên liệu linh hoạt - Nguyễn Khánh Tùng, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
uay của trục khuỷu. ECU động cơ làm thay đổi lượng phun nhiên liệu bằng cách thay đổi thời gian phun của kim phun (Hình 2.12). Thời gian phun nhiên liệu cơ bản được xác định qua lượng khí nạp và tốc độ động cơ. Các thời gian phun hiệu chỉnh khác nhau được xác định qua các cảm biến khác nhau. Tín hiệu thời gian phun mà ECU động cơ cuối cùng truyền đến kim phun được bổ sung các hiệu chỉnh thời gian phun cơ bản. Có các hiệu chỉnh sau: làm đậm để khởi động; Làm đậm để hâm nóng; hiệu chỉnh phản hồi tỷ lệ không khí - nhiên liệu (chỉ có ở một số kiểu xe); làm đậm để tăng tốc; cắt nhiên liệu; làm đậm để tăng công suất; các hiệu chỉnh khác, [12]. Hình 2.12. Phương pháp phun độc lập theo trình tự trên động cơ phun xăng 53 2.3.1.3. Hệ thống đánh lửa trực tiếp trên động cơ phun xăng Hệ thống đánh lửa trong động cơ xăng có nhiệm vụ tạo ra một tia lửa mạnh, vào thời điểm chính xác để đốt cháy hỗn hợp hòa khí. Hệ thống đánh lửa trong quá trình phát triển đã phát triển qua các hệ thống sau: kiểu điều khiển bằng vít, kiểu bán dẫn, kiểu bán dẫn có ESA (đánh lửa sớm bằng điện tử), Hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS). Hệ thống đánh lửa hiện được sử dụng nhiều trên các động cơ phun xăng điện tử hiện nay là hệ thống đánh lửa trực tiếp. Sơ đồ điều khiển hệ thống đánh lửa trực tiếp của động cơ được thể hiện trong Hình 2.13. Hình 2.13. Sơ đồ điều khiển hệ thống đánh lửa trực tiếp trên động cơ phun xăng Trong hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS, bộ chia điện không còn được sử dụng nữa. Thay vào đó, hệ thống DIS cung cấp một bô bin cùng với một IC đánh lửa độc lập cho mỗi xy lanh. Vì hệ thống này không cần sử dụng bộ chia điện hoặc dây cao áp nên có thể giảm tổn thất năng lượng trong khu vực cao áp và tăng độ bền, đồng thời giảm đến mức tối thiểu nhiễu điện từ vì không sử dụng tiếp điểm trong khu vực cao áp. Chức năng điều khiển thời điểm đánh lửa được thực hiện thông qua việc sử dụng ESA. Hệ thống ESA là một hệ thống dùng ECU động cơ để xác định thời điểm đánh lửa dựa vào các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau. ECU động cơ tính toán thời điểm đánh lửa từ thời điểm đánh lửa tối ưu được lưu trong bộ nhớ để phù hợp với tình trạng của động cơ, sau đó chuyển các tín hiệu đánh lửa đến IC đánh lửa. Thời điểm đánh lửa tối ưu cơ bản được xác định qua tín hiệu tốc độ của động cơ và lượng không khí nạp. ECU của động cơ nhận được các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau, tính toán thời điểm đánh lửa, truyền tín hiệu đánh lửa đến IC đánh lửa. Thời điểm đánh lửa được tính toán liên tục theo điều kiện của động cơ, dựa trên giá trị thời điểm đánh lửa tối ưu đã được lưu giữ trong máy tính, dưới dạng một bản đồ ESA (Hình 2.14). Phương pháp điều khiển bằng ESA có độ chính xác cao hơn và không cần phải đặt lại thời điểm đánh lửa. Kết quả là hệ thống này giúp cải thiện tiết kiệm nhiên liệu và tăng công suất phát ra [27, 28]. 54 Hình 2.14. Điều khiển góc đánh lửa sớm theo phương pháp điều khiển ESA Bên cạnh việc điều khiển hệ thống phun nhiên liệu và hệ thống đánh lửa, hệ thống điều khiển điện tử còn điều khiển tại chế độ không tải, thực hiện chức năng chuẩn đoán, thực hiện các chức năng an toàn và dự phòng cũng như nhiều chức năng khác nhằm đảm bảo điều khiển được quá trình làm việc của động cơ. Để thực hiện được tất cả các chức năng điều khiển đó, thì ECU động cơ cần phải phân tích, so sánh các bộ thông số làm việc của động cơ với các bộ dữ liệu chuẩn đã được cài đặt trong ECU để có thể đưa ra được tín hiệu điều khiển phù hợp. 2.3.2. Cơ sở lý thuyết chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% 2.3.2.1. Sơ đồ hệ thống Để chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% (sử dụng nhiên liệu linh hoạt) và đảm bảo tính năng kỹ thuật thì hai thông số quan trọng trên động cơ phun xăng điện tử là lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm cần được điều chỉnh phù hợp với tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu. Như vậy, nếu giữ nguyên hệ thống điều khiển phun xăng điện tử nguyên bản (ECU chính), cần bổ sung thêm ECU điều khiển thứ hai (ECU phụ) để hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển phù hợp với tỷ lệ cồn cũng như cảm biến để nhận biết tỷ lệ cồn trong nhiên liệu. Trên cơ sở đó, luận án xây dựng hệ thống phun xăng điện tử chuyển đổi với sơ đồ khối được trình bày ở Hình 2.15. Hình 2.15. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ phun xăng điện tử khi chuyển đổi 55 Các bộ phận chính trong sơ đồ điều khiển động cơ phun xăng điện tử khi chuyển đổi bao gồm: 1. ECU chính của động cơ 8. Vòi phun nhiên liệu 2. Cảm biến tốc độ động cơ 9. Bô bin đánh lửa 3. Cảm biến lưu lượng khí nạp 10. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 4. Cảm biến áp suất khí nạp 11. Cảm biến lambda 5. Cảm biến vị trí bướm ga 12. Bộ xúc tác 6. Đường khí nạp vào 13. Bộ chuyển đổi (ECU phụ) 7. Đường dẫn nhiên liệu 14. Cảm biến nồng độ cồn trong nhiên liệu Trong đó ECU chính sẽ nhận các tín hiệu từ các cảm biến của động cơ và tính toán lượng nhiên liệu phun (FI), thời điểm đánh lửa (IGT) và điều khiển vòng kín van không tải, hai tín hiệu IGT và FI được đưa vào ECU phụ nhằm hiệu chỉnh lại góc đánh lửa sớm và lượng nhiên liệu phun theo tỷ lệ ethanol đo được từ cảm biến tỷ lệ ethanol lắp trên đường cung cấp nhiên liệu trước vòi phun. ECU phụ sẽ tính toán dựa trên bộ dữ liệu lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm chuẩn đã được nạp vào. Tín hiệu từ ECU phụ bao gồm thời điểm đánh lửa đã hiệu chỉnh IGT’ và lượng nhiên liệu phun đã hiệu chỉnh FI’ được gửi tới cuộn dây đánh lửa và vòi phun. Do tín hiệu điều khiển van không tải là tín hiệu điều khiển vòng kín theo tốc độ động cơ nên không cần phải hiệu chỉnh lại trong hệ thống này. Trong quá trình nghiên cứu chuyển đổi động cơ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt, các tính hiệu từ cảm biến cũng như cơ cấu chấp hành trong hệ thống điều khiển nguyên bản được giữ nguyên. Các tín hiệu cần điều chỉnh sẽ được trình bày cụ thể sau đây. 2.3.2.2. Tín hiệu điều khiển Hình 2.16 thể hiện tín hiệu đầu vào và đầu ra của ECU phụ, trong đó Hình 2.16a là tín hiệu xung phun của ECU chính được tính toán từ các cảm biến của động cơ, tín hiệu này được đưa vào ECU phụ, tại đây ECU phụ sẽ tính toán độ rộng xung nhiên liệu cần thêm vào FI dựa trên cảm biến tỷ lệ cồn sau đó cộng thêm với độ rộng xung FI từ ECU chính và gửi tới vòi phun, độ rộng xung điều khiển vòi phun từ ECU phụ FI’ được thể hiện trong Hình 2.16b. Hình 2.16c thể hiện tín hiệu điều khiển đánh lửa từ ECU chính, trong đó độ rộng của xung thể hiện thời gian ngấm điện cho bô bin, thời điểm kết thúc của xung chính là thời điểm đánh lửa (IGT) so với điểm chết Hình 2.16. Nguyên lý điều chỉnh tín hiệu khi qua bộ ECU phụ 56 trên (TDC) của động cơ, tín hiệu này được đưa vào ECU phụ, tại đây ECU phụ sẽ xác định góc đánh lửa cần thêm bớt (IGT) dựa vào lượng nhiên liệu phun và tốc độ động cơ, từ giá trị này ECU phụ sẽ đưa ra tín hiệu IGT’ (Hình 2.16d) có thời điểm kết thúc lệch với tín hiệu IGT ban đầu một đại lượng là IGT, tuy nhiên độ rộng của xung IGT’ vẫn sẽ được giữ nguyên so với tín IGT ban đầu. 2.3.2.3. Cảm biến tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu Có nhiều phương pháp khác nhau để điều khiển động cơ khi sử dụng xăng sinh học. Phương pháp đầu tiên là sử dụng chính cảm biến lambda (hay cảm biến ô xy trong khí xả) để điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp trong chế độ điều khiển kín (closed loop control). Thông thường nhiên liệu xăng cần 14.7 kg không khí để đốt kiệt 1 kg nhiên liệu, trong đó nhiên liệu E85 chỉ cần khối lượng không khí là 9,855 kg để đốt kiệt 1 kg nhiên liệu, do đó khi lượng cồn ethanol trong nhiên liệu tăng lên thì hỗn hợp sẽ trở nên nghèo và làm tăng lượng ô xy dư trong khí xả. Tín hiệu cảm biến lambda phản hồi về sẽ giúp bộ điều khiển hiệu chỉnh lại lượng nhiên liệu phù hợp với lượng khí nạp vào. Tuy nhiên, biện pháp này sẽ gây ra vấn đề là khó kiểm soát các hư hỏng trong hệ thống trong công tác chẩn đoán. Ngoài ra biện pháp này cũng không áp dụng được khi xe khởi động với một loại nhiên liệu mới. Do đó để đảm bảo chính xác trong vấn đề điều khiển và chẩn đoán của động cơ sử dụng nhiên liệu cồn thì biện pháp tối ưu nhất là sử dụng cảm biến lượng cồn trong nhiên liệu xăng (ethanol concentration sensor). Cảm biến này xác định lượng cồn trong nhiên liệu trước khi nhiên liệu được phun vào động cơ nhờ đó hệ thống có tính đáp ứng cao. Có hai loại cảm biến chính thường được sử dụng trên các phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt là các cảm ứng điện dung (đo lường sự thay đổi tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu thông qua sự thay đổi của hằng số điện môi trong nhiên liệu) và các cảm biến quang trở (đo lường sự thay đổi tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu thông qua sự khúc xạ ánh sáng khi tia sáng đi qua nhiên liệu). Các cảm biến tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu có thể được lắp đặt tại hai vị trí khác nhau là tại bình chứa nhiên liệu hoặc trên đường cấp nhiên liệu. Luận án sử dụng cảm biến điện dung và cảm biến được lắp trên đường cấp nhiên liệu tới động cơ. Vị trí cảm biến và sơ đồ cấu tạo của cảm biến được thể hiện trong Hình 2.17. Hình 2.17. Cấu tạo và lắp đặt cảm biến cồn ethanol trên động cơ 57 Về cơ bản, cảm biến này là một tụ điện đồng trục có 2 điện cực trong và ngoài, nhiên liệu sẽ chảy giữa hai điện cực. Một điện áp xoay chiều được cấp vào hai bản cực, hằng số điện môi của nhiên liệu sẽ thay đổi theo tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu sẽ làm cho thay đổi điện dung của tụ điện, điện dung tăng lên khi tăng tỷ lệ ethanol dẫn tới tần số dao động trong mạch điện cũng sẽ thay đổi theo. Công thức dưới xác định điện dung (C) của tụ điện theo hằng số điện môi (r), chiều dài tụ điện (l), bán kính của điện cực trong (R1) và điện cực ngoài (R2), trong đó hằng số điện môi của xăng r  2 và của ethanol là r  25. 𝐶 = 2𝜋. 𝜀𝑟 . 𝑙 ln( 𝑅2 𝑅1 ⁄ ) (2.52) Một vi xử lý bên trong cảm biến sẽ đo lại tần số từ mạch điện để xác định tỷ lệ ethanol đồng thời hiệu chỉnh lại giá trị này thông qua cảm biến nhiệt độ nhiên liệu. Hình 2.18 là đặc tính của cảm biến ethanol, trong đó trục hoành là điện áp ra và trục tung là tỷ lệ ethanol, đặc tính này có thể xây dựng dựa trên công thức %E = 200.U. Hình 2.18. Đặc tính cảm biến tỷ lệ ethanol 2.3.2.4. Bộ điều khiển ECU phụ Để có thể đáp ứng được các yêu cầu điều khiển tín hiệu phù hợp cho động cơ khi sử dụng xăng sinh học thì ECU phụ phải được kết hợp cùng với ECU chính cùng với hệ thống phun xăng điện tử sẵn có trên động cơ như Hình 2.19. Hình 2.19. Sơ đồ khối hệ thống nhiên liệu chuyển đổi ECU phụ sử dụng vi điều khiển ATxmega 128A có vai trò nhận và xử lý tín hiệu xung phun (FI), xung đánh lửa (IGT) từ ECU chính, tín hiệu tỷ lệ cồn ethanol (ER) trong nhiên 58 liệu. Tín hiệu từ vi xử lý ra được qua khối công suất nhằm khuếch đại tín hiệu và được truyền tới cơ cấu chấp hành là vòi phun và bô bin đánh lửa. Để đáp ứng được những yêu cầu xử lý đó, ECU phụ phải bao gồm các bộ phận chính sau: bộ vi xử lý, bộ đếm (Timer/Counter), các ngắt và bộ chuyển đổi ADC. Chi tiết về các bộ phận này xem tại Phụ lục 2.6. Sơ đồ nguyên lý ECU phụ đối với động cơ ô tô 1NZ-FE bao gồm các khối nguồn, khối nhận tín hiệu phun xăng và đánh lửa, khối nhận tín hiệu tỷ lệ ethanol, khối điều khiển vòi phun, khối điều khiển đánh lửa và mạch vi điều khiển. ECU phụ sẽ xử lý các tín hiệu tiếp nhận các tín hiệu điều khiển quá trình phun nhiên liệu và đánh lửa sớm từ ECU chính và căn cứ trên tỷ lệ cồn ethanol có trong nhiên liệu nhận được từ cảm biến ethanol. Các tín hiệu này sẽ được xử lý tại khối vi xử lý đã được nhập bộ dữ liệu chuẩn về lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm. Sau đó các tín hiệu được điều chỉnh qua khối công suất để khuếch đại tín hiệu và sau đó được đưa tới cơ cấu chấp hành là vòi phun và bô bin đánh lửa (Hình 2.20). Hình 2.20. Sơ đồ nguyên lý của bộ điều khiển ECU phụ Cụ thể chức năng và nhiệm vụ của các khối trong bộ điều khiển ECU phụ được trình bày trong Phụ lục 2.6. 2.3.3. Bộ dữ liệu chuẩn trong động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% 2.3.3.1. Bộ dữ liệu chuẩn trong động cơ xăng Bộ dữ liệu chuẩn của ECU là bộ dữ liệu được xây dựng trong quá trình nghiên cứu- phát triển và ghi sẵn trong bộ nhớ của ECU dưới dạng các bộ thông số vận hành hay đặc tính chuẩn. Trong quá trình động cơ làm việc, ECU sẽ căn cứ trên những dữ liệu được lưu trong bộ dữ liệu chuẩn để đưa ra tín hiệu điều khiển phù hợp. Về mặt cấu tạo, ECU bao gồm các phần cơ bản sau: bộ vi xử lý có chức năng tính toán và ra quyết định điều khiển; bộ nhớ ROM, RAM, PROM và KAM có nhiệm vụ lưu trữ chương trình và các số liệu; mạch vào/ra: chuẩn hóa tín hiệu vào, lọc, khuếch đại tín hiệu ra...; bộ chuyển đổi tín hiệu từ dạng tương tự sang tín hiệu số; đường truyền BUS (dùng để chuyển các lệnh và số liệu trong ECU); tầng khuếch đại công suất cho mạch điều khiển: phun nhiên liệu, đánh lửa...; mạch nguồn. 59 Các thuật toán dùng để điều khiển động cơ rất phức tạp, vì chúng phải đáp ứng nhiều yêu cầu khác nhau về công suất, suất tiêu thụ nhiên liệu, mức độ phát thải Bộ ECU phải dùng một biểu thức tính toán và một loạt các bảng dữ liệu có sẵn (dữ liệu chuẩn) để xác định độ rộng xung cho từng chế độ làm việc của động cơ. Biểu thức tính toán bao gồm một loạt các hệ số được tra từ các bảng dữ liệu chuẩn. Có thể có tới hàng trăm tham số trong biểu thức tính toán này. Trên thực tế, hệ thống điều khiển động cơ chứa hàng trăm tham số, mỗi tham số này lại có bảng dữ liệu chuẩn của riêng nó. Hơn nữa, tùy theo tốc độ động cơ, ECU có thể phải thực hiện tính toán và điều chỉnh hàng triệu lần một giây [98, 99]. Như vậy có thể thấy rằng, bộ dữ liệu chuẩn cho ECU của hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ là cần thiết và quan trọng trong việc quyết định hiệu quả làm việc của động cơ. Vì vậy, việc xác định bộ dữ liệu chuẩn cho ECU luôn được coi là nhiệm vụ quan trọng hàng đầu của các hãng sản xuất động cơ. Đối với động cơ phun xăng điện tử trong quá trình chuyển đổi từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học thì việc xây dựng một bộ dữ liệu chuẩn cho động cơ để nạp vào ECU điều khiển động cơ là một việc làm vô cùng cần thiết để tối ưu hóa quá trình làm việc của động cơ. Hai thông số quan trọng được tập trung nghiên cứu trong luận án là lượng nhiên liệu phun và góc đánh lửa sớm. 2.3.3.2. Phương pháp xây dựng bộ thông số chuẩn cho động cơ khi sử dụng xăng sinh học Quá trình xây dựng giá trị lượng nhiên liệu phun và góc đánh lửa sớm phù hợp với tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học được thực hiện qua bốn bước được thể hiện trong hình 2.21. Cụ thể từng bước như sau: * Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ Để mô phỏng được động cơ thì việc đầu tiên cần phải thực hiện là nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng của động cơ sử dụng phần mềm mô phỏng, trong luận án này phần mềm được sử dụng là phần mềm AVL Boost. Mô hình mô phỏng được xây dựng phải đảm bảo bám sát số liệu đo đạc trong thực tế của động cơ. Các chế độ làm việc của mô hình mô phỏng phải được xây dựng với miền làm việc xác định thông qua các tham số chính như tốc độ và tải của động cơ, trong đó giới hạn vùng làm việc được xác định với tốc độ động cơ từ nmin đến nđm và tải từ không tải đến toàn tải. Quá trình chia lưới vùng làm việc của động cơ được thực hiện như sau: - Xác định giới hạn tốc độ làm việc của động cơ, từ nmin đến nmax. - Xác định đặc tính ngoài của động cơ để có vùng làm việc từ không tải tới toàn tải. - Xác định độ lớn của các mắt lưới theo tốc độ và tải của động cơ. - Xác định các vùng làm việc của động cơ. Tiến hành xây dựng mô hình mô phỏng cho động cơ tại các mắt lưới ở các chế độ làm việc khác nhau của động cơ. 60 Hình 2.21. Các bước quy trình xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho động cơ * Chuẩn hóa mô hình Để đảm bảo mô hình mô phỏng đảm bảo chính xác có khả năng sử dụng để thay thế động cơ thật trong quá trình xây dựng bộ dữ liệu chuẩn, cần thực hiện chuẩn hóa mô hình bằng thực nghiệm. Thí nghiệm chuẩn hóa được tiến hành với mục tiêu đo đạc các thông số của động cơ (thông số đầu vào cũng như đầu ra) để điều chỉnh mô hình. Các thông số được đo đạc trong thí nghiệm bao gồm: mô men, tốc độ, diễn biến áp suất trong xy lanh, lưu lượng khí nạp, lượng nhiên liệu cung cấp, góc đánh lửa sớm và phát thải của động cơ tại một số chế độ làm việc của động cơ. Quá trình chuẩn hóa mô hình mô phỏng được tiến hành trên phần mềm mô phỏng AVL Boost với các thông số dùng để chuẩn hóa mô hình là các thông số đo đạc được trong thí nghiệm chuẩn hóa mô hình. Thông qua việc điều chỉnh các thông số của mô hình mô phỏng bao gồm: thông số của mô hình cháy, mô hình truyền nhiệt, mô hình phát thải, mô hình tổn thất ma sát và các mô hình phụ khác của động sơ sao cho các kết quả đầu ra là công suất, mô men, suất tiêu hao nhiên liệu, diễn biến áp suất trong lòng xy lanh động cơ và phát thải của động cơ trong mô hình mô phỏng sát với kết quả đo đạc trong thực tế. Sau khi chuẩn hóa mô hình, luận án tiến hành mô phỏng động cơ với ECU nguyên bản ở các chế độ toàn tải, tải trung bình và tải nhỏ trên toàn dải tốc độ làm việc. Thông qua mô phỏng xác định được thông số tính năng kỹ thuật động cơ nguyên bản với các loại xăng sinh học. Từ đó, điều chỉnh lượng phun nhiên liệu và điều chỉnh góc đánh lửa sớm phù hợp với xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol khác nhau làm cơ sở cho quá trình thực nghiệm xác định bộ thông số chuẩn cho động cơ, cụ thể như sau: B1: Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ Nhập các thông số kỹ thuật của động cơ vào các mô hình đã được lựa chọn trong phần mềm AVL Boost để xây dựng mô hình mô phỏng động cơ. B2: Chuẩn hóa mô hình Tiến hành thí nghiệm và đo đạc các thông số làm việc của động cơ: mô men, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, diễn biến áp suất trong lòng xy lanh, phát thải để chuẩn hóa mô phỏng sao cho kết quả đầu ra của mô phỏng và thực nghiệm có độ sai lệch nhỏ nhất (<5%). B3: Tính toán bộ thông số bằng mô phỏng Điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ trong một chu trình (gcr) sao cho kết quả đầu ra là hệ số dư lượng không khí =1. Sau đó tiến hành hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm sao cho giá trị mô men đạt giá trị lớn nhất (Memax). B4: Hiệu chỉnh bộ thông số bằng thực nghiệm Tiến hành thí nghiệm hiệu chỉnh bộ thông số bằng thực nghiệm trên cơ sở điều chỉnh các giá trị thực nghiệm trong miền lân cận với các giá trị đã được tính toán bằng mô phỏng. Khi đó, lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ trong một chu trình (gcr) được hiệu chỉnh sao cho kết quả thực nghiệm đo đạc hệ số dư lượng không khí =1 và góc đánh lửa sớm sau đó được hiệu chỉnh sao cho giá trị mô men đạt giá trị lớn nhất (Memax). 61 * Tính toán bộ thông số chuẩn bằng mô phỏng Tính toán lượng phun nhiên liệu cho một chu trình (gct): lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình (gct) được điều chỉnh trên mô hình mô phỏng sao cho kết quả hệ số dư lượng không khí động cơ sau khi đạt  = 1. Vì khi  = 1 thì bộ xúc tác khí xả ba thành phần đạt hiệu quả làm việc cao nhất. Sau khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu thì trên phần mềm mô phỏng đề tài sẽ tiến hành điều chỉnh góc đánh lửa sớm. Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh trên cơ sở sao cho mô men động cơ đạt giá trị cực đại Memax. Chế độ tính toán của động cơ trên phần mềm mô phỏng được thực hiện tại các chế độ làm việc khác nhau của động cơ với tốc độ từ nmin đến nđm và tải trọng từ 0% đến 100% tương ứng với xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol khác nhau. * Hiệu chỉnh bộ thông số bằng thực nghiệm Sau khi có bộ thông số chuẩn tính toán bằng mô phỏng, tiến hành thí nghiệm nhằm hiệu chỉnh bộ thông số bằng thực nghiệm. Thông qua thí nghiệm, bộ thông số chuẩn cho động cơ được hiệu chỉnh lại cho phù hợp. Quá trình hiệu chỉnh bộ thông số bằng thực nghiệm cũng tiến hành tương tự như xây dựng bộ thông số bằng mô phỏng. Đầu tiên hiệu chỉnh lượng phun nhiên liệu cung cấp cho động cơ trong một chu trình (gct) sao cho hệ số dư lượng không khí  = 1, sau đó hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm của động cơ để tìm được góc đánh lửa sớm tối ưu cho động sao cho tại đó mô men động cơ đạt giá trị cực đại Memax. Thông qua thí nghiệm này, luận án đã xây dựng được bộ thông số chuẩn bằng thực nghiệm. 2.4. Kết luận chương 2 Quá trình cháy của xăng sinh học trong động cơ xăng có diễn biến giống như quá trình cháy của xăng thông thường tuy nhiên tùy thuộc vào từng tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học mà các thông số của quá trình cháy của xăng sinh học sẽ biến đổi tương ứng. Luận án đã phân tích và lựa chọn được các mô hình phù hợp trong phần mềm AVL Boost để mô phỏng động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn. Các mô hình được lựa chọn bao gồm: mô hình cháy Fractal, mô hình truyền nhiệt Woschni 1978, mô hình nạp thải Zaft, mô hình tổn thất ma sát Patton, các mô hình phát thải NOx, CO, HC và một số mô hình phụ khác. Để chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử sử dụng xăng thông thường sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt thì phương án được luận án đưa ra là sử dụng ECU phụ nhằm lượng nhiên liệu cung cấp và góc đánh lửa sớm theo tỷ lệ cồn ethanol đo được từ cảm biến tỷ lệ cồn ethanol lắp trên đường cung cấp nhiên liệu. ECU sẽ tính toán và xử lý các tín hiệu đầu vào thời điểm đánh lửa IGT và lượng phun nhiên liệu FI nhận được từ ECU chính thành các tín hiệu đầu ra thời điểm đánh lửa đã hiệu chỉnh IGT’ và lượng nhiên liệu phun đã hiệu chỉnh FI’ được gửi tới cuộn dây đánh lửa và vòi phun căn cứ trên bộ dữ liệu chuẩn đã được nạp vào ECU phụ. Việc xây dựng bộ thông số lượng nhiên liệu cung cấp và góc đánh lửa sớm chuẩn cho động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% trong luận văn cần phải kết hợp hai phương pháp mô phỏng và thực nghiệm. Bộ thông số chuẩn sẽ được tính toán bằng mô phỏng trước sau đó sẽ được hiệu chuẩn bằng thực nghiệm sau. 62 CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ KHI SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC CÓ TỶ LỆ CỒN ETHANOL TỚI 100% Dựa trên phần mềm AVL Boost với các mô hình cháy, truyền nhiệt, nạp thải, phát thải đã được phân tích và lựa chọn trong Chương 2, trong chương này sẽ tiến hành mô phỏng và đánh giá quá trình làm việc của động cơ xăng với ECU nguyên bản khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100%. Sau đó, tiến hành điều chỉnh để tính toán lượng nhiên liệu và góc đánh lửa sớm phù hợp cho động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% trên mô hình mô phỏng. 3.1. Đối tượng nghiên cứu và xây dựng mô hình động cơ Quá trình mô phỏng động cơ bao gồm hai quá trình chính là xây dựng mô hình và hiệu chỉnh mô hình. Quy trình mô phỏng cũng được tiến hành tuần tự cho từng loại nhiên liệu theo thứ tự là xây dựng mô hình cho động cơ rồi tiến hành mô phỏng động cơ khi sử dụng xăng thông thường RON92 trước, sau đó tiến hành mô phỏng động cơ khi sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85 và E100. 3.1.1. Đối tượng nghiên cứu Để xây dựng mô hình thì đầu tiên phải lựa chọn một loại động cơ thực tế đang được sử dụng. Động cơ được lựa chọn phải đảm bảo là loại động cơ thông thường và được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam. Vì vậy, đối tượng nghiên cứu là động cơ xăng Toyota 1NZ-FE lắp trên xe ô tô Toyota Vios 1.5 với thông số kỹ thuật chính được thể hiện trong Bảng 3.1. Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của động cơ 1NZ-FE Loại động cơ 1NZ-FE Kiểu 4 xy lanh thẳng hàng Dung tích công tác 1497 cm3 Đường kính xy lanh D 75 mm Hành trình piston S 84,7 mm Tỉ số nén 10,5 Công suất tối đa 81kW/6000 v/ph Mô men xoắn tối đa 142/4200 (N.m/v/ph) Hệ thống phun nhiên liệu SFI (Sequential Fuel Injection) Cơ cấu phối khí 16 xu páp dẫn động bằng xích, VVT-i Thời điểm phối khí Nạp Mở -70 ~ 530 BTDC Đóng 520 ~ -80 ABDC Xả Mở 420 BTDC Đóng 20 ABDC Chất lượng dầu 5W-30 63 Trước khi t

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_thiet_ke_va_che_tao_he_thong_phun_nhien_l.pdf
Tài liệu liên quan