Tóm tắt Luận án Nghiên cứu điều khiển hệ thống phun nhiên liệu CommonRail(CR) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-Biodiesel

thành khi tham gia thực hiện đề tài cấp Quốc gia của đề tài ĐT.08.14/NLSH, với nội dung chính cần thực hiện đồng thời cũng là của luận án NCS: thiết kế chương trình điều khiển HTPNL CR khi sử dụng nhiên liệu biodiesel B20. Khi thực hiện nội dung này ngoài việc đạt được mục tiêu thiết kế chương trình điều khiển cho động cơ sử dụng nhiên liệu B20 thì mục tiêu quan trọng hơn là giải mã thành công công nghệ điều khiển của động cơ diesel điều khiển điện tử sử dụng HTPNL CR. 1.3 Tổng quan về thiết kế điều khiển động cơ diesel Theo Olivier Grondin [61] việc thiết kế chương trình điều khiển ECU của động cơ thường sử dụng 2 phương pháp: (1) chạy tối ưu xác định các thông số điều khiển vòng hở và vòng kín theo các tiêu chí đặt trước với động cơ đặt trên bệ thử; (2) xây dựng MHMP của động cơ nghiên cứu làm việc theo thời gian thực, từ đó xây dựng chương trình điều khiển trên mô hình này. Hình 1.10 trình bày cơ sở thiết kế chương trình điều khiển trên MHMP động cơ: (1) Xây dựng mô hình động học và động lực học của động cơ theo thời gian thực; (2) thiết kế chương trình điều khiển trực tiếp trên MHMP động cơ, chương trình điều khiển ECU sau khi mô phỏng được nạp vào ECU trắng tiêu chuẩn để điều khiển động cơ thực (sử dụng hệ thống thiết bị và phần mềm chuyên dụng để lập trình ECU); (3) hiệu chỉnh lại các các bộ tham số của hệ thống điều khiển đối với động cơ thật trên băng thử. Phương pháp này có ưu điểm là không cần thiết kế phần cứng mà sử dụng phần cứng sẵn có, thời gian chạy động cơ trên bệ thử ngắn, giảm chi phí thiết kế và thử nghiệm. Qua phân tích ở trên cho thấy, phương pháp thiết kế CTĐK dựa trên MHMP động cơ làm việc theo thời gian thực sẽ giảm chi phí và thời gian thực hiện luận án. Bên cạnh đó, đề tài ĐT.08.14/NLSH được trang bị ECU trắng tiêu chuẩn và trình biên dịch của hãng Woodward Motohawk, đây là bộ điều khiển cho phép lập trình bằng ngôn ngữ Matlab/Simulink, rất thuận tiện cho việc thiết kế, nạp và hiệu chỉnh tối ưu CTĐK mới được xây dựng trên MHMP động cơ làm việc theo thời gian thực. Hình 1.10 Cơ sở thiết kế chương trình điều khiển trên MHMP động cơ (SIL), [61] 5 1.3.1 Tổng quan về mô hình mô phỏng động cơ diesel Thường chia ra hai phương pháp, thứ nhất là mô hình trung bình và thứ hai là mô hình theo góc quay trục khuỷu. Mô hình trung bình là mô hình nghiên cứu đơn giản nhất, trong đó coi động cơ là một chuỗi các bộ phận ghép nối với nhau, trong đó đặc tính của mỗi bộ phận được xác định bằng thực nghiệm. Khi xây dựng mô hình này tác giả đưa vào hàm truyền để đơn giản quá trình tính. Theo Rolf Isermann [68] sử dụng Matlab Simulink để xây dựng MHMP động cơ diesel kiểu CR làm việc theo thời gian thực, nghiên cứu chỉ ra cần phải xây dựng các mô hình thành phần: mô hình động học đường nạp – thải, mô hình TB – MN, mô hình HTPNL kiểu CR, mô hình cháy, mô hình động lực học của động cơ, mô hình ma sát. Sơ đồ khối mô hình động cơ theo góc quay trục khuỷu được thể hiện trên hình 1.13. Theo phương pháp này mô hình cháy mô phỏng theo góc quay trục khuỷu, cho phép xét tới ảnh hưởng của quy luật phun nhiên liệu đồng thời đánh giá được dao động mô men của từng xylanh ảnh hưởng lên tốc độ động cơ do đó MHMP giống với động cơ thực và có độ chính xác cao hơn so với mô hình động cơ trung bình. Hình 1.13 Sơ đồ khối mô hình động cơ theo góc quay trục khuỷu 1.3.2 Tổng quan về mô hình điều khiển động cơ diesel Với động cơ dùng HTPNL sử dụng bơm dãy điện tử ECU điều khiển lượng nhiên liệu phun vào động cơ thông qua điều khiển vị trí thanh răng, [37]. Với động cơ dùng HTPNL sử dụng bơm cao áp (BCA) phân phối piston hướng kính, ECU điều khiển lượng phun và thời điểm phun, [37]. Trong HTPNL kiểu CR áp suất phun được điều khiển bởi BCA, van SCV (van điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp vào BCA) và van RPCV (van điều khiển áp suất rail), thời điểm phun và lượng phun quyết định bởi thời gian của xung cấp cho cuộn dây vòi phun. Điều này cho thấy áp suất phun, thời điểm phun và lượng phun hoàn toàn độc lập nhau và không phụ thuộc chế độ làm việc của động cơ, [37]. Nhờ đó cho phép phun mồi, phun chính 6 và phun sau mà không làm thay đổi áp suất và lượng phun định trước, giúp cho động cơ nổ êm hơn và giảm nồng độ khí thải. Lượng nhiên liệu phun được quyết định bởi thời gian phun và áp suất phun. Do đó chương trình điều khiển HTPNL rất phức tạp. Nhìn chung, việc thiết kế, chế tạo ECU nói chung, ECU dùng cho động cơ diesel nói riêng vẫn còn khá mới mẻ tại Việt Nam. Do đặc điểm công nghệ tạo hỗn hợp và cháy nên việc thiết kế, lập chương trình điều khiển cho động cơ diesel dùng HTPNL kiểu CR phức tạp hơn khá nhiều khi so với động cơ phun xăng. 1.4 Hƣớng tiếp cận của luận án Để tối ưu các thông số vận hành và mức phát thải của động cơ diesel dùng HTPNL kiểu CR khi sử dụng biodiesel cần phải thiết kế chương trình điều khiển động cơ; Chương trình điều khiển động cơ sử dụng HTPNL kiểu CR rất phức tạp gồm nhiều thông số điều khiển (số lần phun, thời gian phun, thời điểm phun, lượng phun, áp suất phun, tốc độ không tải, tăng áp VGT, tuần hoàn EGR). Sơ đồ khối được trình bày trên Hình 1.18. Trong khuôn khổ của luận án mới chỉ thiết kế điều khiển HTPNL kiểu CR khi sử dụng biodiesel B20. Do giới hạn kinh phí cũng như thời gian thực hiện nên chưa thiết kế chương trình điều khiển ECU khi sử dụng biodiesel có tỷ lệ pha trộn lớn (>20%). Khi đã làm chủ công nghệ thiết kế, lập chương trình điều khiển HTPNL kiểu CR, việc chuyển sang nghiên cứu sử dụng với biodiesel có tỷ lệ pha trộn lớn là hoàn toàn khả thi. 1.5 Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu của luận án được thể hiện trên Hình 1.21 1.6 Kết luận Chƣơng 1 Khi tăng tỷ lệ pha trộn biodiesel → Ne↓, ge↑, phát thải PM, HC và CO↓, NOx↑; Để tối ưu các thông số vận hành và mức phát thải cần phải thay đổi QLCCNL (số lần phun, SOI, ET, minj, pphun). Với động cơ diesel sử dụng HTPNL kiểu CR thì việc điều chỉnh này trở nên rất phức tạp, ECU đảm nhiệm việc điều khiển HTPNL (qua các thông số như: áp suất phun, lượng phun, số lần và thời điểm phun), cho phù hợp với chế độ vận hành của động cơ. Hiện nay, ECU (phần cứng) đã được nhiều hãng chế tạo ở dạng ECU trắng tiêu chuẩn. Tuy nhiên, chương trình và thuật toán điều khiển trong ECU lại là công việc rất phức tạp, có khối lượng lớn và là bí quyết công nghệ của các hãng sản xuất động cơ. Do vậy động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng biodiesel cần phải thiết kế điều khiển hệ thống phun nhiên liệu CR phù hợp với chế độ làm việc của động cơ. Hình 1.20 Sơ đồ khối điều khiển động cơ sử dụng HTPNL kiểu CR 7 Trong LA này NCS lựa chọn phương pháp mô phỏng trực tiếp trên đối tượng bằng phần mềm Matlab Simulink để xây dựng mô hình động cơ diesel sử dụng biodiesel làm việc theo thời gian thực, từ mô hình động cơ thiết kế mô hình điều khiển HTPNL mới phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ đảm bảo tiêu chí giữ nguyên mô men động cơ khi sử dụng ECU nguyên bản dùng diesel. Thực nghiệm xác định các thông số đầu vào cho mô hình Xây dựng mô hình động học các hệ thống chính của động cơ (Mô hình đường ống nạp; tuabin tăng áp – đường thải; bơm cao áp – vòi phun; cháy; động học của động cơ) Xây dựng mô hình bộ điều khiển vòng hở: Dự đoán các thông số không đo được, tính toán các thông số: Lượng phun, áp suất phun, thời điểm phun Xây dựng mô hình bộ điều khiển vòng kín: Xây dựng phương trình động học hệ thống phun CR; hệ thống tua bin tăng áp. Lựa chọn bộ điều khiển Đánh giá và hiệu chỉnh mô hình điều khiển trên mô hình động cơ Thực nghiệm đánh giá bộ điều khiển trên băng thử động cơ + + Hình 1.21 Trình tự thiết kế ECU khi xây dựng MHMP động cơ theo thời gian thực CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG HỆ THỐNG PHUN KIỂU COMMONRAIL (CR) LÀM VIỆC THEO THỜI GIAN THỰC 2.1 Đặt vấn đề Mô hình động cơ diesel thường sử dụng mô hình điền đầy thải sạch (Filling and Emptying model). Quá trình khảo sát nhiệt động của động cơ dựa vào mô hình hệ thống hở và dòng không ổn định (Hình 2.1), khi đó có các phương trình cân bằng khối lượng và năng lượng. MHĐC dùng HTPNL kiểu CR, tăng áp tua bin khí thải kiểu VGT được giới thiệu trên Hình 2.2. 2.2 Mô hình động học hệ thống phun nhiên liệu kiểu CR Hình 2.2 Mô hình động cơ diesel dùng HTPNL kiểu CR, tăng áp kiểu VGT, [68]. 8 HTPNL kiểu CR dùng trên động cơ D4CB 2.5 TCI-A gồm các khối sau (Hình 2.3), [6, 68]: Khối cấp nhiên liệu diesel thấp áp (bao gồm thùng dầu, bơm cấp nhiên liệu, lọc dầu, ống dẫn dầu và đường dầu hồi); Khối nhiên liệu cao áp (bao gồm bơm cao áp (BCA), ống Rail, các đường ống cao áp, van an toàn, vòi phun); Khối điều khiển (gồm các cảm biến, van SCV, van RPCV, ECU, EDU và van cao áp vòi phun). Để điều khiển áp suất nhiên liệu trong ống tích áp (pr), cần mô phỏng chính xác động lực học của từng phần tử trong HTPNL. 2.2.1 Bơm cao áp Theo phương trình (2.7) áp suất trong BCA được xác định bằng: . ( )( ) ( ) ( ) pVf p u prp p t dk p p q q V d       2.2.2 Van điều chỉnh lƣợng nhiên liệu cấp vào BCA (van SCV) . ( ) 2 2.[sgn( ). . . . sgn( ). . . . f v p v pv pv p v v r vr vr v rV v k p p p p C A p p p p C A p p V          Áp suất nhiên liệu ở van SCV được xác định theo phương trình (2.13) 2.2.3 Đƣờng ống Rail Áp suất nhiên liệu ở ống Rail được xác định bởi phương trình (2.14) . ( ) ( ) f r pr ri pcvr r k p p q q q V     (2.14) trong đó: + qpr là lượng nhiên liệu từ BCA tới ống Rail + qPCV là lượng nhiên liệu từ ống Rail tới van RPCV, được xác định bởi phương trình max 2 2sgn( ). . . . .PCV r t dreg t pq p p C A p p U    (2.15) + qri là lượng nhiên liệu từ ống Rail tới vòi phun, xác định theo phương trình (2.16) 4 , , 1 2sgn( ). . . .ri r i k di di r i k i q p p C A p p      (2.16) 2.2.4 Vòi phun Áp suất phun tại mỗi vòi phun được xác định bởi phương trình (2.17) . , , , , , . ,, , ( ) 2.[ sgn( ). . . . ] f i k ri i k cyl k i k i k cyl k T ki k i k k p p q p p A p p E V       Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý HTPNL kiểu CR dùng BCA kiểu CP1-H, [6, 68]. 9 2.3 Mô hình cháy 2.3.1 Cơ sở lựa chọn mô hình cháy MHC một và hai vùng thường được xây dựng dựa trên cơ sở thực nghiệm như sơ đồ khối trình bày trên Hình 2.7. Mô hình biểu diễn tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh sẽ được áp dụng cho các giai đoạn cơ bản của quá trình cháy trong động cơ diesel dùng HTPNL kiểu CR, bao gồm: quá trình cháy do phun mồi; quá trình cháy do phun chính và quá trình cháy khuếch tán. 2.3.2 Mô hình cháy Phương trình Wiebe (phương trình 2.18) 1 1 exp i i m SOC bi i i x a                 (2.18) Từ phương trình 2.18 cho thấy để xác định được phần nhiên liệu đã cháy ở mỗi giai đoạn cháy cần phải xác định các tham số: ai; mi; φSOCi; Δφi và i. Cơ sở xác định các tham số của phương trình Wiebe như sau: + Cơ sở xác định số hàm Wiebe: i = z + 1 (với z là số lần phun, gồm phun mồi, phun chính, phun sau). + Cơ sở xác định tham số ai: ai là thông số phản ánh hiệu suất cháy trong từng giai đoạn cháy. ai = 5 thì hiệu suất cháy bằng 99,3%, [33, 39], chọn ai bằng 5 cho tất cả các giai đoạn cháy. +) Cơ sở xác định tham số mi: mi cho biết quy luật tỏa nhiệt của mỗi giai đoạn cháy. +) Cơ sở xác định tham số φSOCi và Δφi: theo các nghiên cứu [35, 39, 80], hai tham số φSOCi và Δφi không phụ thuộc vào các tham số ai, mi và i. Cách xác định φSOCi và Δφi sẽ được trình bày cụ thể trong Chương 3 của luận án. Hàm Wiebe có thể được dùng ở hai dạng khác nhau. 1 , , ,( 1) .exp i im m b i SOC i SOC ii i i i i i dx a m a d                             Hình 2.7 Phương pháp xây dựng MHC không chiều một vùng và hai vùng, [39]. Bảng 2.5 Tham số mô hình mi 10 1 , inj ( 1) . .Q . .exp i i m SOCf i i i SOCi fi H i i dQ a m m x a d                            2.4 Mô hình động học tuabin tăng áp và đƣờng nạp, thải 2.4.1 Tốc độ của rô to cụm TB-MN 2.4.2 Tuabin 2.4.3 Máy nén 2.4.4 Lƣu lƣợng khí nạp 2.4.5 Lƣu lƣợng khí thải 2.5 Mô hình tổn thất cơ khí trên động cơ 6 1 ( ) . ( )m i i M z M     4π 0 ( ) 1 = . .d 4.π m mM M   2.6 Mô hình truyền nhiệt 2.7 Xác định áp suất xylanh     w in ex in ex dQ dQ dm dmdV .p . - -h . +h . dp dt -1 dt dt dt dt = 1dt .V -1 f cyl cyl 2.8 Mô hình động học động cơ , , , 2 2 .cos ( ) ( ). ( ) ( ) . .sin .(1 ) 1 .sin cyl i i kt i j iM T R P P R                 ( ) .eng c eng d M M I dt     2.7 Mô hình truyền nhiệt 2.9 Tính toán mô men và công suất động cơ 2.10 Kết luận Chƣơng 2 Để có thể hoàn thiện được mô hình động cơ cần phải thực nghiệm xác định các tham số sau: Ở mô hình động học tuabin tăng áp và đường nạp thải cần phải xác định được thể tích đường nạp, thải; quy luật phối khí; hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xupap nạp, thải; xây dựng các MAP thực nghiệm: MAP lưu lượng khí tăng áp, MAP áp suất khí tăng áp, MAP lưu lượng khí thải qua tuabin, MAP áp suất khí thải sau tuabin, MAP hiệu suất của tuabin và MAP tốc độ TB – MN; Ở mô hình động học HTPNL kiểu CR cần phải xác định được các thông số kỹ thuật của BCA, đường ống cao áp, ống rail, vòi phun, van SCV, van RPCV và van điện từ trên vòi phun; Với mô hình cháy cần phải xác định các tham số của phương trình Wiebe là φSOCi; Δφi và xfi để nhập vào mô hình cháy làm cơ sở tính toán tốc độ tỏa nhiệt 11 và biến thiên áp suất trong xylanh; Với mô hình mô men ma sát cần xác định các hệ số của các phương trình mô men ma sát. CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ HYUNDAI D4CB 2.5 TCI-A SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL LÀM VIỆC THEO THỜI GIAN THỰC 3.1 Đặt vấn đề Để xây dựng MHĐC làm việc theo thời gian thực và đánh giá độ tin cậy của mô hình động cơ, ngoài cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ đã trình bày trong Chương 2 thì cần thiết phải thực hiện thí nghiệm để xác định các tham số đầu vào cho mô hình . 3.2 Chế độ thực nghiệm xác định các tham số đầu vào cho mô hình 3.2.1 Đối tƣợng nghiên cứu Động cơ diesel D4CB 2.5TCI-A. Nhiên liệu sử dụng là diesel dầu mỏ và biodiesel B20 (được sản xuất từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ→dầu ăn) 3.2.2 Trang thiết bị và chế độ thực nghiệm 3.2.2.1 Trang thiết bị thử nghiệm Động cơ được thử nghiệm trên bệ thử động lực học cao của phòng thí nghiệm Động cơ, Viện Cơ khí Động lực/Đại học Bách khoa Hà Nội 3.2.2.2 Chế độ thử nghiệm Động cơ lắp ECU-NT sử dụng với 2 loại nhiên liệu B0 và B20 tốc độ của trục khuỷu từ 1000 đến 3500 vg/ph với bước nhảy là 500 vg/ph. Tiến hành xây dựng đường đặc tính ngoài (100% tải) để xác định giá trị Me max. Lấy giá trị Me max nhân với các hệ số 0,75; 0,5; 0,25 tương ứng với 75%; 50%; 25% để xác định đặc tính bộ phận. 3.3 Kết quả thực nghiệm Kết quả thực nghiệm xác định các thông số đầu vào cho mô hình động cơ sử dụng diesel và biodiesel bao gồm: (1) xác định các tham số đầu vào cho mô hình HTPNL kiểu CR; (2) xác định các tham số đầu vào cho mô hình TB-MN; (3) xác định các tham số đầu vào cho mô hình cháy; (4) xác định các tham số đầu vào cho mô hình ma sát; xác định các tham số đầu vào cho mô hình đường nạp/thải. 3.3.1 Xác định các tham số đầu vào của mô hình HTPNL kiểu CR QLCCNL tại các chế độ tải và tốc độ khác nhau được trình bày chi tiết trong Bảng 3.4 và Hình 3.4. Hình 3.4 Quy luật thay đổi số lần phun theo tốc độ động cơ 12 3.3.2 Xác định các tham số của mô hình tuabin – máy nén Hình 3.6 Quan hệ áp suất khí tăng áp, áp suất khí thải theo tốc độ và mômen của động cơ Hình 3.7 Map lưu lượng khí nạp, tốc độ tuabin theo tốc độ và mômen của động cơ 3.3.3 Áp suất xylanh Kết quả đo áp suất trong xylanh động cơ diesel 2.5 TCI-A khi sử dụng B0 và B20 ở chế độ tải 100% trong dải tốc độ từ 1000 vg/ph đến 3500 vg/ph với bước nhảy 500 vg/ph được giới thiệu trên Hình 3.11 đến Hình 3.16. Các giá trị áp suất đỉnh trong xylanh tại các chế độ thử nghiệm khác (25%; 50%; 75% tải) được tổng hợp trong Bảng 3.5. Hình 3.13 Diễn biến áp suất tại tốc độ 1000 và 2000 vg/ph ở chế độ 100% tải 3.3.4 Xác định hệ số của mô hình mô men ma sát 13 Giá trị của các thông số này được trình bày trong Bảng 3.6. 3.3.5 Quy luật phối khí Quy luật phối khí của xupap nạp và thải được xác định bằng thực nghiệm 3.3.6 Lƣu lƣợng khí qua xupap nạp và thải Lưu lượng khí qua xupap nạp/thải được xác định trên thiết bị đo lưu lượng và tổn thất dòng khí, tại PTN động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực - Đại học Bách khoa Hà Nội. 3.4 Xử lý số liệu 3.4.1 Xác định tốc độ tỏa nhiệt Tốc độ tỏa nhiệt được xác định theo phương trình 3.1, [58, 76, 80]. 1 . . .p. 1 1 hrdQ dp dVV d d d           (3.1) Hình 3.18 Kết quả tính toán diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh tại tốc độ 1000 và 2000 vg/ph ở chế độ 100% tải 3.4.2 Xác định thời điểm cháy, khoảng thời gian cháy và phần nhiên liệu đã cháy Hình 3.20 Sơ đồ thuật toán tối ưu xác định các tham số φSOCi, Δφi và xfi Hình 3.16 Mối quan hệ giữa lưu lượng khí và độ nâng xupap 14 3.4.3 Xác định hệ số lƣu lƣợng qua xupap nạp và thải 2 4.G . . 2. / meas f v C D p    3.5 Xây dựng và đánh giá mô hình 3.5.1 Xây dựng mô hình động cơ Thông số đầu vào của mô hình là vị trí bàn đạp ga và tốc độ động cơ yêu cầu. Thông số đầu ra của mô hình là mô men có ích, tốc độ động cơ, áp suất xylanh, tốc độ tỏa nhiệt... Hình 3.22 Mô hình động cơ sử dụng diesel và biodiesel làm việc theo thời gian thực 3.5.2 Đánh giá độ tin cậy của mô hình động cơ 3.5.2.1 Về tốc độ tỏa nhiệt Hình 3.23 Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm tại chế độ tốc độ 1000 (vg/ph) và tải 100% tải 15 3.5.2.2 Về áp suất xylanh Hình 3.26 So sánh áp suất xylanh giữa mô phỏng và thực nghiệm tại chế độ tốc độ 1000 (vg/ph) và tải 100% tải 3.5.2.3 Về mô men và công suất động cơ Kết quả cho thấy, khi sử dụng diesel sai số lớn nhất về mô men giữa mô hình và thực nghiệm tại các chế độ tải 100%, 75%, 50% và 25% lần lượt là 6,85%; 4,40%; 4,31% và 5,87%. Khi sử dụng biodiesel B20 sai số lớn nhất về mô men giữa mô hình và thực nghiệm tại các chế độ tải 100%, 75%, 50% và 25% lần lượt là 3,0%; 4,41%; 3,4% và 3,98%. 3.6 Kết luận Chƣơng 3 - Đã xác định được bộ số liệu thực nghiệm làm thông số đầu vào để xây dựng mô hình động cơ làm việc theo thời gian thực. - Đã xây dựng được mô hình động cơ sử dụng diesel và biodiesel làm việc theo thời gian thực đảm bảo: độ chính xác và độ tin cậy cần thiết cho quá trình điều khiển + Tốc độ tỏa nhiệt tính toán từ mô hình tương đương với động cơ thực. Khi động cơ sử dụng diesel sai số trung bình về tốc độ tỏa nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm tại tốc độ 1000, 2000 và 3000 vg/ph ở chế độ toàn tải lần lượt là 1,12%, 1,11% và 1,15%; Khi động cơ sử dụng biodiesel B20 sai số trung bình tốc độ tỏa nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm tại tốc độ 1000, 2000 và 3000 vg/ph ở chế độ toàn tải lần lượt là 1,34%, 1,8% và 1,75%. + Áp suất xylanh tính toán từ mô hình tương đương với động cơ thực. Khi động cơ sử dụng diesel sai số trung bình về áp suất xylanh giữa mô phỏng và thực nghiệm tại tốc độ 1000, 2000 và 3000 vg/ph ở chế độ toàn tải lần lượt là 6,25%, 1,35% và 2,71%. Khi động cơ sử dụng biodiesel B20 sai số trung bình về áp suất xylanh giữa mô phỏng và thực nghiệm tại tốc độ 1000, 2000 và 3000 vg/ph ở chế độ toàn tải lần lượt là 2,38%, 2,45% và 1,01%. + Mô men và công suất tính toán từ mô hìnhtương đương với động cơ thực. Khi động cơ sử dụng diesel sai số lớn nhất về mô men giữa mô hình và thực nghiệm tại các chế độ tải 100%, 75%, 50% và 25% lần lượt là 6,85%; 4,40%; 4,31% và 5,87%. Khi động cơ sử dụng biodiesel B20 sai số lớn nhất về mô men 16 giữa mô hình và thực nghiệm tại các chế độ tải 100%, 75%, 50% và 25% lần lượt là 3,0%; 4,41%; 3,4% và 3,98%. CHƢƠNG 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ HYUNDAI D4CB 2.5TCI-A SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL 4.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển Để xây dựng mô hình điều khiển động cơ cần: (1) thiết kế chương trình điều khiển HTPNL (thời điểm phun, lượng phun và áp suất phun); (2) thiết kế bộ điều khiển áp suất rail; (3) thiết kế bộ điều khiển tốc độ không tải. Để tính toán, điều khiển được QLCCNL (số lần phun, thời điểm phun, thời gian phun, áp suất phun, lượng phun) thì chương trình điều khiển cần bao gồm 3 khối sau: (1) Khối tính toán lượng nhiên liệu yêu cầu; (2) Khối điều khiển áp suất rail; (3) Khối tính toán quy luật phun nhiên liệu. Sơ đồ điều khiển quá trình phun nhiên liệu được thể hiện trên Hình 4.1 4.2 Thiết kế các bộ điều khiển vòng hở 4.2.1 Tính toán lƣợng phun nhiên liệu 4.2.1.1 Tính toán lượng nhiên liệu phun khi khởi động Lượng nhiên liệu phun khi khởi động phụ thuộc vào nhiệt độ và tốc độ động cơ: minj_start = f(Twater, ne) 4.2.1.2 Tính toán lượng nhiên liệu không tải yêu cầu Tốc độ không tải yêu cầu phụ thuộc vào nhiều thông số: nhiệt độ động cơ, tốc độ động cơ, điện áp ác quy và tốc độ của xe, tín hiệu bật tắt điều hòa và được xác định như sau, [67]. nidle_demand = f(Twater, ne, uacquy, vvehicle, A/C). 4.2.1.3 Tính toán lượng nhiên liệu yêu cầu Tính toán quy luật phun nhiên liệu Tính toán lượng phun nhiên liệu yêu cầu Điều khiển áp suất Rail (Prail) SOIpilot1 SOIpilot2 SOImain ETpilot1 ETpilot2 ETmain USCV URPCV prail ne minj_demand Tkn Twater Tnl ne minj_demand Tkn Twater Tnl prail ne Tkn PWG Twater prail Tnl prail_demand uacquy Hình 4.1 Sơ đồ điều khiển quá trình phun nhiên liệu, [67]. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Luong phun (mm 3 /ct) Toc do dong co (vg/ph) v i tr i c h a n g a ( % ) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Hình 4.9 MAP lượng phun theo tốc độ và vị trí ga khi sử dụng B20 17 Lượng nhiên liệu yêu cầu (minj_demand), được tính toán theo hàm sau, [67]:        _idle _ _ _ m =0vµ W 5% m m =0vµ W 5% m =1 inj inj demand inj PWG inj start nÕu Start P G nÕu Start P G nÕu Start 4.2.2 Tính toán quy luật phun Mô hình điều khiển quá trình phun của động cơ 2.5 TCI-A khi sử dụng biodiesel được trình bày trên Hình 4.10. Trong đó các thông số đầu vào là: minj_demand là lượng nhiên liệu phun yêu cầu, (mm3); ne là tốc độ động cơ (vg/ph); uacquy là điện áp ắc quy, (mV); prail là áp suất Rail yêu cầu, (MPa); ne là tốc độ động cơ, (vg/ph). Các thông số đầu ra là: SOIpilot là thời điểm phun mồi, (độ GQTK); SOImain là thời điểm phun chính, (độ GQTK); ETpilot là thời gian phun mồi, (s); ETmain là thời gian phun chính, (s); minj_pilot là lượng phun mồi, (mm3); minj_main là lượng phun chính, (mm 3 ); 4.2.2.1. Phun mồi Phun mồi là một trong những ưu điểm của HTPNL kiểu CR nhằm giảm phát thải NOx, giảm rung động, giảm tiếng ồn cháy của động cơ diesel. Tuy nhiên, đây là bí quyết công nghệ của các hãng chế tạo động cơ, các kết quả nghiên cứu ít được công bố chi tiết. Để tối ưu các thông số khí thải, rung động, ồn theo tỷ lệ pha trộn biodiesel cần phải tiến hành rất nhiều thí nghiệm, khối lượng công việc rất lớn do vậy trong khuôn khổ luận án chưa xét tới ảnh hưởng của biodiesel B20 tới phun mồi, các MAP điều khiển phun mồi (số lần phun mồi, thời điểm phun mồi, thời gian phun mồi, lượng phun mồi) dựa vào ECU nguyên bản khi chạy nhiên liệu diesel. 4.2.2.2. Phun chính Việc tính toán quá trình phun chính bao gồm: Tính toán thời điểm phun chính; Tính toán lượng nhiên liệu phun chính; Tính toán thời gian phun chính. Sơ đồ điều khiển phun chính được trình bày trên Hình 4.15. Hình 4.10 Mô hình điều khiển quá trình phun của động cơ 2.5 TCI-A khi sử dụng biodiesel 18 Hình 4.15 Sơ đồ điều khiển phun chính - Tính toán lượng nhiên liệu phun chính: minj_main = minj_demand - minj_pilot - Thời điểm phun chính phụ thuộc vào tốc độ và lượng nhiên liệu yêu cầu. Mối quan hệ giữa thời điểm phun chính với lượng nhiên liệu yêu cầu và tốc độ động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 được thể hiện trên Hình 4.17 Hình 4.17 MAP thời điểm phun chính của động cơ 2.5TCI-A khi sử dụng B0 4.3 Thiết kế các bộ điều khiển vòng kín 4.3.1 Bộ điều khiển PID Cấu trúc bộ điều khiển PID (Hình 4.18) gồm 3 thành phần: khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I), và khâu vi phân (D). Khi sử dụng thuật toán PID, nhất thiết phải lựa chọn chế độ làm việc P, PI hay PID và sau đó đặt các tham số cho các chế độ đã chọn. Hình 4.8 Điều khiển với bộ điều khiển PID 4.3.2 Bộ điều khiển áp suất rail 19 Để điều chỉnh