DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆUChữ viết tắt hoặc thuật ngữ Giải thích ???? Hệ số dư lượng không khí yêu cầu ω Tốc độ quay của trục tuabin/động cơ, rad/s ω0 Tốc độ quay trục truyền đ
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, với sự tiến bộ không ngừng của ngành công nghiệp ô tô, mặc dù động cơ điện đang là xu hướng tiềm năng cho sự thay đổi trong tương lai gần, nhưng ở hiện tại động cơ đốt trong vẫn là “trái tim” của ngành công nghiệp ô tô, nhờ vào hiệu suất, phạm vi hoạt động, chi phí,… Do đó các vấn đề như tính kinh tế nhiên liệu, mức độ ảnh hưởng đến môi trường, hay độ bền của động cơ đốt trong vẫn là một trong những vấn đề được quan tâm đặc biệt, vì vậy hiệu suất của động cơ được đặt ra những yêu cầu cực kỳ nghiêm ngặt Để đánh giá và cải thiện các tiêu chí này, việc thử nghiệm động cơ là thiết yếu và cực kỳ quan trọng
Và quá trình thử nghiệm động cơ trước khi đưa chúng ra thị trường cũng là một phần giúp tránh được những rủi ro không đáng có, đảm bảo sự an toàn Ở Việt Nam, cơ sở và hạ tầng cho phòng thí nghiệm động cơ vẫn chưa được phát triển rộng rãi và toàn diện, vẫn còn nhiều hạn chế trong cả cơ sở và nhân lực Phòng thử nghiệm động cơ hiện chỉ tồn tại ở một số học viện, trường đại học và nhà máy sửa chữa ô tô Điều này phần lớn là do chi phí đầu tư và vận hành của các thiết bị và phòng thí nghiệm, cũng như chi phí đào tạo và duy trì nhân lực chuyên môn là khá cao Dẫn đến việc phát triển và duy trì một phòng thí nghiệm động cơ trở nên cực kì khó khăn Vì vậy, việc thực hiện các thí nghiệm mô phỏng trở thành một giải pháp thay thế hữu ích, giúp chúng ta tiếp cận và nâng cao hiểu biết, kiến thức về phòng thí nghiệm động cơ mà không phải tốn nhiều chi phí, cũng như giảm được nhiều rủi ro và thời gian phát triển phòng thí nghiệm
Vì những lí do trên, nhóm chúng em xin chọn đề tài “Tìm hiểu và ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink mô phỏng phòng thử nghiệm động cơ đốt trong” làm đề tài tốt nghiệp.
Mục tiêu nghiên cứu
- Tổng quan về khái niệm, thiết kế và quy trình vận hành của phòng thử nghiệm động cơ
- Phân tích và tính toán được công suất, lượng khí thải, tiêu hao nhiên liệu,… để đánh giá được hiệu suất động cơ
- Phát triển được mô hình mô phỏng của phòng thử nghiệm động cơ bằng công cụ MathWorks.
Đối tượng nghiên cứu
- Ứng dụng mô phỏng phòng thử nghiệm động cơ đốt trong.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu tài liệu
- Phương pháp dịch thuật tài liệu
- Phương pháp mô hình hóa mô phỏng.
Cấu trúc đề tài
Đề tài bao gồm 5 chương:
- Chương 1: Tổng quan về đề tài nguyên cứu: Trình bày các nguyên nhân và tầm quan trọng của việc nghiên cứu về phòng thử nghiệm động cơ Đưa ra các mục tiêu và phương pháp tiếp cận của đề tài
- Chương 2: Lý thuyết tổng quan về phòng thử nghiệm động cơ: Cung cấp các kiến thức cơ bản về phòng thử nghiệm động cơ, từ các thiết bị cho đến cách đo đạc
- Chương 3: Ứng dụng Matlab/Simulink mô phỏng thử nghiệm động cơ: Mô tả chi tiết các bước thực hiện mô phỏng thử nghiệm động cơ bằng Matlab/Simulink, bao gồm xây dựng mô hình, nhập dữ liệu, và thiết lập các thông số
- Chương 4: Kết quả mô phỏng: Đưa ra các kết quả cụ thể từ các mô phỏng thử nghiệm động cơ, bao gồm các đồ thị, bảng số liệu và phân tích dữ liệu
- Chương 5: Kết luận và đề nghị: Tóm tắt những kết quả chính đã đạt được từ nghiên cứu mô phỏng và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo, cải tiến mô hình
LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ PHÒNG THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ
Tổng quan phòng thử nghiệm động cơ
Trong quá trình sản xuất các loại động cơ mới, việc đưa chúng vào thử nghiệm thực tế trước khi sản xuất hàng loạt cho thị trường là một điều hết sức cần thiết Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến động cơ khi chúng hoạt động Những ảnh hưởng này khá phúc tạp, nên những đánh giá tính toán khi thiết kế là chưa đủ Ngoài ra trong chế tạo thì những sai sót là việc không thể tránh khỏi Vậy nên qua thử nghiệm ta có thể xem xét và rút ra được những điểm còn thiếu sót cần hoàn chỉnh, ngoài ra thử nghiệm cũng giúp tìm ra các quy trình công nghệ tiên tiến hơn Việc đưa ra phương án thiết kế cũng cần phải kết hợp chặt chẽ với quá trình thử nghiệm, chạy thử và hoàn chỉnh lại thiết kế, cuối cùng mới đến việc sản xuất ra thị trường
Hình 2.1 Phòng thử nghiệm động cơ
Quá trình thử nghiệm động cơ cũng là một công việc phức tạp, tùy vào mục đích mà quá trình thử nghiệm này có thể thay đổi Muốn đạt được kết quả tốt và chính xác nhất thì công đoạn chuẩn bị cần được chỉnh chu và kỹ lưỡng, từ việc xây dựng phương pháp thử
4 nghiệm, lập mô hình, các nội dung sẽ thử nghiệm, đến từng thiết bị đo lường, thiết bị xử lí số liệu,
Tóm lại việc thử nghiệm mang lại cho ta một vài lợi ích như sau:
- Phát hiện được những điểm mạnh, điểm yếu, những sai sót trong thiết kế, trong quá trình chế tạo, hay trong công nghệ và vật liệu sử dụng
- Việc thử nghiệm những động cơ có sẵn giúp ta thu thập những kinh nghiệm thiết kế thể của nó
- Với những thử nghiệm đối chứng, kết quả thử nghiệm giúp ta so sánh được sản phẩm của ta sản xuất với những sản phẩm có sẵn
- Ngoài ra thử nghiệm động cơ cũng giúp chúng ta hoàn thiện được các quy trình, tiêu chuẩn thử nghiệm, các điều kiện làm việc tốt nhất cho việc vận hành động cơ
• Các thông số tính toán
Với mỗi mô hình thử nghiệm, yêu cầu và những khả năng mà phòng thử nghiệm có thể đáp ứng ta sẽ tính toán được những thông số khác nhau, nhưng thông thường sẽ có những thông số sau đây:
- Số vòng quay động cơ
- Lượng khí nạp và tiêu hao nhiên liệu
- Nhiệt độ và áp suất (nhiệt độ và áp suất của dầu bôi trơn, không khí nạp, nước làm mát, nhiệt độ khí thải,…)
Việc thử nghiệm động cơ có thể có nhiều kiểu, tùy thuộc vào mục đích mà ta thử nghiệm:
• Thử nghiệm phục vụ đào tạo
Giúp học sinh, sinh viên cũng cố và nắm vững hệ thống các kiến thức đã được trang bị trong những môn học chuyên môn như: Kết cấu và nguyên lý động cơ đốt trong, Tính toán thiết kế động cơ đốt trong,…
Sinh viên có thể làm quen với các thiết bị, băng thử, hiểu thêm về cách thực hiện một thử nghiệm, biết sử dụng các dụng cụ đo, các hệ thống các thiết bị phụ trợ trong thử nghiệm động cơ đốt trong
Ngoài ra đây còn là một điều kiện tốt cho sinh viên để có thể tiếp cận được với các kỹ thuật đo tiên tiến trong thử nghiệm động cơ đốt trong
• Thử nghiệm chuyên sâu phục vụ nghiên cứu
Thí nghiệm theo các nội dung nghiên cứu chuyên sâu liên quan đến động cơ đốt trong như:
- Nhằm tối ưu quá trình đánh lửa, phun nhiên liệu, nghiên cứu buồng cháy, đường ống nạp, ống thải,… để nâng cao công suất, hiệu suất động cơ
- Nghiên cứu các loại dầu mỡ bôi trơn và các loại nhiên liệu
- Nghiên cứu khả năng của động cơ trong việc thích ứng nhiều điều kiện khác nhau về khí hậu, thời tiết, môi trường,…
- Tính toán thiết kế, cải thiện động cơ để nâng cao đặc tính hiệu quả, đặc tính kinh tế, giảm lượng khí thải
• Thử nghiệm nghiên cứu cải tiến
Tìm ra các giải pháp để hoàn thiện kết cấu, cải tiến các chi tiết hay một hệ thống trên động cơ
• Thử nghiệm kiểm định động cơ Đánh giá các tính năng kỹ thuật, xác định chất lượng chế tạo, hoạt động của động cơ mới và động cơ sau đại tu, sửa chữa, hoặc động cơ sau khi sử dụng một thời gian
2.1.3 Cách bố trí phòng thử nghiệm động cơ và một vài lưu ý
Phòng thử nghiệm động cơ là một tổ hợp các máy móc, các thiết bị đo lường và hỗ trợ,… chúng được phân bổ trong từng khu vực phù hợp để thuận tiện cho việc thử nghiệm cũng như đảm bảo an toàn Để quá trình diễn ra một cách hiệu quả và chính xác, những thiết bị này phải hoạt động như một thể thống nhất với nhau Ngoài ra nếu cuộc thử nghiệm yêu cầu độ chính xác cao và những kiểm tra chuyên sâu sẽ đòi hỏi phụ thuộc khá nhiều vào các công cụ và thiết bị đo, công nghệ tiên tiến
Hình 2.2 Sơ đồ phòng thử nghiệm
Hình 2.3 Tổng quan phòng thử nghiệm
Các hệ thống phụ trợ của phòng thử nghiệm gồm có như hệ thống nước làm mát, hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống xử lí khí thải, hệ thống thông gió điều hòa không khí,… Và một vài hệ thống đảm bảo cho việc thử nghiệm diễn ra thuận lợi như hệ thống
7 thu thập dữ liệu và điều khiển, hệ thống đèn, hệ thống báo động,…
Kích thước của phòng thử nghiệm là một trong những thông số quan trọng và cần lưu ý để việc lắp đặt các thiết bị được dễ dàng việc thử nghiệm thuận tiện Có thể phân phòng thử nghiệm ra nhiều khu vực để đặt từng thiết bị riêng biệt như sau:
- Thiết bị thử nghiệm động cơ
- Các thiết bị hỗ trợ trong việc thử nghiệm
Hình 2.4 Kích thước sơ bộ phòng thử nghiệm động cơ cho băng thử SF902
SuperFlow là công ty kỹ thuật hàng đầu toàn cầu chuyên về thử nghiệm và tái sản xuất
8 thiết bị cho hệ thống truyền động xe Về kích thước phòng cho băng thử SF902 SuperFlow khuyến nghị chiều dài tối thiểu là 12 feet (3.6m) và chiều dài tối đa là 15 feet (4.5m), chiều rộng tối thiểu là 10 feet (3m) và tối đa là 12 feet (3.6m) và chiều cao trần thấp nhất đề xuất là 10 feet (3m)
Hình 2.5 Một vài kích thước phòng thử nghiệm động cơ do IAC Acoustics cung cấp
Thể tích phòng thử càng chật thì việc vận hành phòng thử càng khó, lối đi trong phòng xung quanh động cơ thử nghiệm cần có khoảng 1m Về chiều cao cần được xác định dự phòng cho sự phát triển, cải tiến phòng thử nghiệm sau này Chiều cao đề xuất thấp nhất là 3m, một vài những thiết bị máy móc tự động hiện đại có chiều cao vào khoảng 4 đến 4,5m và có thể cao hơn nữa
Bảng 2.1 Kích thước của một động cơ và băng thử động cơ diesel cụ thể
• Buồng thử Đây là nơi mà động cơ và hấu hết các thiết bị thử nghiệm được đặt vào, và là nơi diễn ra quá trình thử nghiệm động cơ Tại đây động cơ sẽ được gắn vào hệ thống bệ đỡ được bắt chặt với sàn thông qua các gối có lắp thiết bị giảm chấn Tùy thuộc vào sự thay đổi thường xuyên động cơ thử nghiệm mà hệ thống lắp đặt động cơ có sự phức tạp khác nhau Động cơ có thể được di chuyển vào để lắp đặt hoặc có thể tiến hành liên kết với băng thử trước khi di chuyển vào phòng thử nghiệm Động cơ và băng thử được nối với nhau qua một khớp nối, băng thử là thiết bị tạo tải cho động cơ Ngoài ra động cơ còn kết nối với nhiều hệ thống phụ trợ khác như hệ thống làm mát, hệ thống nhiên liệu, khí thải, các cảm biến, thiết bị đo,…
Hình 2.6 Động cơ trên bệ thử
Hình 2.7 Băng thử động lực học APA
Thiết kế mỗi buồng thử sẽ là khác nhau, phù hợp với những yêu cầu thử nghiệm, không gian địa hình khác nhau,… Nhằm có được sự thuận tiện nhất trong việc thử
11 nghiệm, từ việc di chuyển các thiết bị cho đến việc di chuyển trong buồng thử nghiệm
Đo công suất động cơ
2.2.1 Công suất và các đường đặc tính của động cơ Động cơ đốt trong là loại động cơ biến đổi năng lượng của hỗn hợp nhiên liệu cháy thành cơ năng Để đánh giá các chỉ số động lực và kinh tế của động cơ ở các chế độ làm việc khác nhau, người ta sử dụng các đường đặc tính được xây dựng từ số liệu đo bằng thực nghiệm Các đặc tính cơ bản của động cơ ô tô và máy kéo bao gồm đường đặc tính tốc độ và đường đặc tính tải Ngoài ra, để điều chỉnh hệ thống cung cấp nhiên liệu cho một tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu và không khí thích hợp với từng chế độ làm việc, cũng như để quy định góc đánh lửa sớm hay góc phun nhiên liệu sớm, người ta xây dựng các đường đặc tính điều chỉnh Để phân tích tính tiết kiệm của động cơ khi chạy không tải, có một loại đường đặc tính gọi là đường đặc tính chạy không tải Đặc tính tốc độ của động cơ là một hàm số thể hiện sự biến thiên của các chỉ số công tác chủ yếu như: momen quay (𝑀 𝑒 ), công suất có ích (𝑁 𝑒 ), lượng tiêu thụ nhiên liệu trên giờ (𝐺 𝑛𝑙 ), và suất tiêu thụ nhiên liệu (𝑔 𝑒 ) theo số vòng quay (𝑛 𝑒 ) khi giữ cơ cấu điều khiển động cơ (tay ga) cố định Công thức biểu diễn đặc tính tốc độ sẽ bao gồm:
Công suất của động cơ phát ra thay đổi không chỉ theo sự tăng hoặc giảm số vòng quay do tải trọng tác động lên động cơ, mà còn là theo vị trí bướm ga Vậy nên ta có thể xây dựng được nhiều đường đặc tính tốc độ vì ứng với mỗi vị trí bướm ga sẽ có một đường cong biểu diễn sự biến thiên công suất, momen, và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ theo số vòng quay Đường đặc tính tốc độ biểu thị công suất cực đại của động cơ ứng với từng tốc độ gọi là đường đặc tính tốc độ ngoài, và những đường đặc tính tốc độ khác nằm dưới đường đặc tính tốc độ ngoài gọi là đường đặc tính tốc độ bộ phận Để đánh giá đầy đủ về động cơ, các thông số như lượng nhiên liệu, tỷ số nén, góc đánh lửa v.v., được thay đổi trong các điều kiện làm việc khác nhau Qua các thực nghiệm này, có thể xác định công suất động cơ cực đại, mô men cực đại, và tốc độ cực đại của động cơ
2.2.2 Các thiết bị đo công suất động cơ
Ngày nay có rất nhiều thiết bị đo công suất động cơ, việc lựa chọn băng thử sẽ phụ
23 thuộc vào những loại động cơ khác nhau, yêu cầu của thí nghiệm, độ chính xác, chi phí,…
Có thể kể đến 3 loại băng thử phổ biến nhất :
• Băng thử thủy lực Đây là một trong những loại băng thử lâu đời nhất, dù có sự phát triển và sự xuất hiện của các công nghệ mới nhưng băng thử thủy lực vẫn được sử dụng rộng rãi trong một số ứng dụng đặc biệt như kiểm tra động cơ công nghiệp và hệ thống truyền động lớn
Hình 2.22 Cấu tạo băng thử thủy lực
Băng thử thủy lực về cơ bản hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng chất lỏng để tạo ra lực cản đối với động cơ Động cơ được gắn liền với trục quay của Rotor, Rotor sẽ quay trong một vỏ bọc chứa đầy chất lỏng (thường là nước hoặc dầu) Stator là phần cố định bao quanh rotor, chứa các cánh hoặc van điều chỉnh dòng chảy của chất lỏng Khi Rotor quay nước từ những cánh quạt của Rotor sẽ đập vào cánh quạt trên stator, truyền mô men cho Stato qua trung gian lực ma sát với nước Vì vậy, Stato có khuynh hướng quay theo và được cân bằng nhờ lực ngược chiều tác dụng lên cánh tay đòn Chuyển động tương đối giữa Roto và Stato gây nên sự trượt giữa các lớp nước trong băng thử Nhiệt lượng phát sinh do sự trượt này được thải ra ngoài Vì vậy, phải đảm bảo lượng nước qua băng thử ổn
24 định để tản nhiệt Một đồng hồ đo lực và cánh tay đòn được gắn trên Stator, mô men cản mà đồng hồ đo được bằng với mô men tác động từ động cơ
Việc thay đổi mô men cản bằng điều chỉnh số lượng nước giữa rotor và stato Điều này thực hiện bằng van ở đường nước ra
Băng thử thủy lực có thể đo được công suất lên đến 35000 kW, chi phí và bảo trì cũng khá rẻ tiền nhưng đổi lại sẽ có một kết cấu rất cồng kềnh, phức tạp Không thử nghiệm được các động cơ công suất nhỏ và phương pháp vận hành cũng khó khăn
• Băng thử sử dụng động cơ điện
Hiện nay, băng thử sử dụng động cơ điện trong công nghiệp ô tô thường sử dụng hai loại động cơ chính:
- Động cơ AC Đặc tính chung của hai loại băng thử là biến đổi năng lượng của động cơ thành điện năng Phần năng lượng tổn thất ở băng thử dưới dạng nhiệt sẽ truyền qua môi trường làm mát mà trong đó chứa nước hay không khí Khi thử nghiệm động cơ sử dụng loại băng thử này thường sản sinh ra nhiệt và tiếng ồn lớn Ngoài ra, khi sử dụng băng thử motor DC/AC ta cần các tủ lớn để chứa thiết bị có điện áp cao và thiết bị điện tử phức tạp, vì thế chúng cần được đặt trong điều kiện thích hợp, có bầu không khí sạch không ngưng tụ, có đủ không gian để tiếp cận, làm mát Động cơ điện DC/AC trong thiết bị đo có thể hoạt động được cả ở chế độ máy phát và tạo tải (khi được động cơ thử nghiệm dẫn động) hay ở chế độ động cơ, để dẫn động động cơ thử nghiệm
Băng thử sử dụng động cơ DC
Hình 2.23 Cấu tạo băng thử sử dụng động cơ DC
Stator của motor trên băng thử điện được trang bị một ổ lăn có thể giúp stator quay ở một góc cố định Một cảm biến tốc độ sẽ được gắn ở trục của rotor để xác định số vòng quay của băng thử Bên ngoài, cánh tay đòn được lắp với một load cell để đo mô men của stator Theo nguyên lý của động cơ DC, khi động cơ thử nghiệm hoạt động, trục của động cơ được nối với trục của rotor sẽ làm rotor của băng thử quay theo, dẫn đến từ trường stator thay đổi, rotor xuất hiện suất điện động cảm ứng, xuất hiện từ trường trái dấu vs stator, làm cho chuyển động quay của rotor và stator bị hãm Lúc này, load cell sẽ cảm nhận được mô men xoắn Trên băng thử động cơ DC sẽ được lắp một phụ tải (biến trở) có chức năng điều chỉnh dòng điện để thay đổi tải của băng thử
Băng thử sử dụng động cơ AC
Hình 2.24 Băng thử sử dụng động cơ AC Động cơ AC được đặt trên giá và lắp các thiết bị như DC Khi động cơ thử nghiệm hoạt động, rotor quay làm biến đổi từ thông qua các cuộn dây trên stator, xuất hiện suất điện động cảm ứng trên stator (3 pha), lúc này stator quay ngược chiều với rotor, tạo ra mô men tác dụng lên cảm biến tải trọng Để điều chỉnh tải của băng thử, ở động cơ AC người ta thường sử dụng bộ biến tần
Băng thử dùng dòng điện Foucault
Hình 2.25 Cấu tạo băng thử dùng dòng Foucault
1 – Rotor 8 – Khoảng cách không khí
2 – Trục Rotor 9 – Cảm biến tốc độ
5 – Cuốn dây kích từ 12 – Đường nước vào
7 – Buồng làm mát 14 - Ống nước
Băng thử dòng điện foucault hoạt động dựa theo nguyên lí hiện tượng cảm ứng điện từ để sinh ra mô men xoắn Từ trường được sinh ra bằng hai cuộn dây song song với trục của thiết bị và sự chuyển động của rotor làm thay đổi từ thông trên rotor giúp sinh ra dòng Foucault trong rotor Dòng điện Foucault luôn chống lại nguyên nhân gây ra nó, vì thế sẽ tạo ra một mô men cản chống lại chiều quay của rotor
Phương pháp xác định các đường đặc tính
Kết quả đo công suất động cơ chính là kết quả của phép đo momen và số vòng quay
28 động cơ Kết quả các phép đo sẽ là kết quả trung bình của nhiều lần đo khác nhau ( với cùng một chế độ làm việc)
• Phương pháp xác định các đường đặc tính tốc độ động cơ Đặc tính tốc độ của động cơ là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa momen có ích Me, công suất có ích Ne, suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge, theo tốc độ n của động cơ, hoặc theo tốc độ góc 𝜔 Có hai loại đường đặc tính tốc độ của động cơ :
- Đường đặc tính tốc độ cục bộ
- Đường đặc tính tốc độ ngoài (đường đặc tính ngoài của động cơ)
Với độ mở bướm ga 100% thì ta gọi đó là đặc tính tốc độ ngoài, còn đường đặc tính cục bộ sẽ được xây dựng với từng phần độ mở bướm ga thấp hơn ( 25%, 30%, 70% )
Hình 2.26 Đồ thị đặc tính tốc độ ngoài Đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ được nhận được bằng các thử nghiệm trên thiết bị đo (động cơ xăng có chế độ bướm ga mở hoàn toàn, động cơ diesel thanh răng ở vị trí cung cấp nhiên liệu tối đa) Ứng với từng thiết bị đo công suất động cơ, người ta sẽ qui định các quy trình đo khác nhau Tuy nhiên tổng quát nhất ta có thể tiến hành theo các bước sau:
- Khởi động và hâm nóng động cơ
- Điều chỉnh băng thử cho động cơ có tải trọng, và bướm ga mở hoàn toàn ở động cơ xăng (phun nhiên liệu cực đại ở động cơ diesel)
- Tăng tải trên băng thử làm giảm số vòng quay động cơ cho tới một trị số mà động cơ làm việc không vững vàng
Hình 2.27 Điều chỉnh tải băng thử
- Để động cơ nổ ở trạng thái ổn định rồi tiến hành ghi lại kết quả đo mô men có ích Tb, suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge và số vòng quay
- Giảm tải của băng thử để tăng số vòng quay thêm 200-300 vòng/phút, để động cơ hoạt động ổn định, ta lại tiến hành ghi kết quả đo
- Tiếp tục như thế cho đến khi có được điểm uốn của đường cong công suất
Công suất 𝑃 𝑒 được tính theo công thức sau:
𝑃 𝑒 , 𝑀 𝑒 , ge theo tốc độ n trên cùng một đồ thị dạng như sau:
Hình 2.29 Đồ thị đặc tính tốc độ động cơ Mitsubishi S4S
• Phương pháp xác định các đường đặc tính tải động cơ
Các đường cong biểu thị quan hệ giữa mức tiêu hao nhiên liệu (Gnl), suất tiêu hao nhiên liệu riêng (bsfc) khi số vòng quay (n) không đổi với công suất hữu ích (Ne) được gọi là đường đặc tính phụ tải của động cơ
Phương pháp xây dựng đường đặc tính tải trọng
- Khởi động và hâm nóng động cơ
- Tại số vòng quay định trước (n = const), điều chỉnh tải ở giá trị nhỏ nhất
- Tăng dần độ mở bướm ga (tăng dần phụ tải) ở 20%, 40%,…, 100%
- Tại mỗi độ mở bướm ga ta tiến hành đo các thông số cần thiết (BSFC, Pe, Me)
Hình 2.30 Điều chỉnh bướm ga
Đo lượng khí thải
Mức độ ô nhiễm môi trường trên toàn cầu trong nhiều năm qua có thể thấy là càng ngày càng trầm trọng Chúng không những không được cải thiện mà còn ô nhiễm nhiều hơn, trong đó khí thải do động cơ xe chiếm ảnh hưởng khoảng 20%
Trong quá trình đốt cháy nhiên liệu, sản phẩm khí thải có thể kể đến ba chất chính:
CO, HC, NOx Nếu nhiên liệu được đốt cháy hoàn toàn, sản phẩm cháy sẽ bao gồm CO2,
H2O, và N2 trong không khí Nhưng thực tế thì trường hợp này rất ít khi xảy ra, nguyên nhân có thể là do tỷ lệ hòa khí kém, áp suất xi lanh không đồng đều,… Vì vậy trong khí thải lúc này sẽ tồn tại thêm các loại khí có hại như CO, HC, NOx Đây là các chất rất có hại cho môi trường, từ đó việc đo đạc và hiệu chỉnh quá trình đốt cháy là rất cần thiết
Hình 2.32 Biểu đồ sản sinh CO, NOx, HC
• Mục đích Đầu tiên việc xác định nồng độ khí thải dễ thấy là để đáp ứng được các tiêu chuẩn khí thải như đã nêu bên trên, giúp cải thiện tình trạng ô nhiễm môi trường Tuy nhiên không chỉ nhằm đáp ứng các quy định mà còn cung cấp các thông tin rất hữu ích cho việc phân tích và đánh giá quá trình cháy diễn ra bên trong động cơ
Hàm lượng khí HC và CO trong khí thải phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của mức độ hòa trộn không khí – nhiên liệu, lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình,… vì vậy nó giúp ta đánh giá hiệu suất của quá trình cháy trong động cơ Ngoài ra, ta cũng cần quan tâm đến hàm lượng O2 và CO2 để phục vụ cho việc xác định tỷ số A/F của hỗn hợp cháy trước đó Tín hiệu này là một tín hiệu quan trọng trong việc điều khiển ngược hệ thống nhiên liệu điều khiển bằng điện tử dùng vòng lặp kín (nếu động cơ có hệ thống này)
• Phương pháp lấy mẫu Để đo nồng độ khí thải HC, CO, NOx đối với động cơ xăng hoặc độ mờ khói đối với động cơ diesel người ta có thể sử dụng hai phương pháp sau để thực hiện lấy mẫu:
- Phương pháp đo trực tiếp: phương pháp này tách một phần khí thải, qua một số bầu lọc để loại bỏ nước và các tạp chất, sau đó đưa chúng vào buồng đo để đo nồng độ các khí ngay lúc đó Nó sẽ đo liên tục nồng độ các chất gây ô nhiễm trong khí thải nhưng độ chính xác không được cao do tính không đồng bộ của mẫu trong những điều kiện vận hành khác nhau Phương pháp này cùng cần chú ý đảm bảo các đường ống dẫn mẫu khí thải đến thiết bị đo phải kín, tránh để thất thoát ra ngoài hoặc để không khí bên ngoài lọt vào làm khí mẫu bị pha loãng sẽ làm kết quả đo bị sai lệch
- Phương pháp thu mẫu thể tích không đổi (CVS – Constant Volume Sampling)
Hệ thống CVS là một hệ thống phổ biến để thu thập mẫu khí thải trong phòng thí nghiệm động cơ, tất cả các khí thải từ ống xả sẽ được pha loãng với không khí môi trường (đã được lọc sạch) hút vào ở trong buồng trộn Mục đích để lưu lượng tổng (khí thải và không khí pha loãng) không thay đổi trong điều kiện hoạt động khác nhau Nhằm mô phỏng thực tế việc khí thải bị pha loãng trong không khí tại đầu ống pô Lượng khí hòa trộn này cũng sẽ được đảm bảo tỷ lệ pha nhất định nhờ một hệ thống bơm và sẽ được đo bằng máy đo Sau đó phần lớn hỗn hợp sẽ được xả khỏi bộ lấy mẫu, chỉ giữ lại một phần nhỏ hỗn hợp giữ trong các túi chứa và được mang đi đo đạc Ưu điểm của phương pháp chính là sự pha loãng sẽ ngăn chặn việc các hợp chất có trong khí thải phản ứng với nhau (nhất là đối với các khí Hydrocarbon), đảm bảo được độ chính xác cao Ngoài ra phương pháp này giúp tránh được sự ngưng tụ hơi nước ở trong khí thải, từ đó tránh được hiện tượng khí NOx bị giảm nhiều Nhược điểm là nếu quá trình pha loãng không đạt (khí thải đặc hơn, loãng hơn so với thực tế) sẽ gây ra các kết quả không đúng về hàm lượng khí thải mà phương tiện tạo ra Vì vậy sẽ cần các thiết bị với các công nghệ hiện đại có thể phân tích với độ nhạy cao hơn Đối với động cơ Diesel, trong các túi chứa khí mẫu cần bố trí một đường ống sấy nóng (nhiệt độ khoảng 190 o C) để ngăn chặn sự ngưng tụ của các hydrocarbon nặng, nhằm phân tích lượng thải hydrocarbon liên tục Ngoài ra chiều dài của đường ống pha loãng cần đủ lớn để lượng khí mẫu này di chuyển đủ dài, từ đó phân tích được hàm lượng PM có trong khí thải
Hình 2.33 Sơ đồ hệ thống CVS của hãng AVL
• Phương pháp đo khí thải và một số thiết bị
Tổng quan một vài phương pháp được sử dụng để phân tích khỉ thải:
- Phương Pháp Quang Phổ Hồng Ngoại (Infrared Spectroscopy): gồm có:
+ Tia NDIR (Non-Dispersive Infrared Spectroscopy): chủ yếu để đo nồng độ của các khí như CO2, CO, NOx, và những khí khác dựa trên sự hấp thụ ánh sáng hồng ngoại của các phân tử khí này Thường được sử dụng trong các phòng thử nghiệm động cơ vớicảm biê các thử nghiệm tiêu chuẩn và kiểm tra định kỳ
+ Tia FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy): sử dụng phổ Fourier để đo nồng độ của nhiều loại khí cùng lúc với độ chính xác cao Được sử dụng nhiều hơn trong các phòng thử nghiệm cao cấp và các dự án nghiên cứu lớn đòi hỏi độ chính xác cao và các phân tích chuyên sâu
- Phương Pháp Hóa Học Điện Hóa (Electrochemical Sensors): Cảm biến điện hóa sử dụng các phản ứng điện hóa để đo nồng độ các khí như CO, NOx, và SO2 Các cảm
37 biến này thường nhỏ gọn và dễ sử dụng nhưng không phổ biến lắm vì độ chính xác không cao, độ bền thấp,…
- Phương Pháp Hóa Học Ẩm CLD (Chemiluminescence Detection): được sử dụng để đo nồng độ NOx bằng cách phản ứng NO với ozone (O3) để tạo ra ánh sáng, và đo cường độ ánh sáng này để xác định nồng độ NOx
- Phương Pháp Ion Hóa Ngọn Lửa FID (Flame Ionization Detection): được sử dụng để đo nồng độ của hydrocarbon (HC) bằng cách đốt cháy mẫu khí trong ngọn lửa hydro và đo dòng ion hóa sinh ra
• Các khái niệm cơ bản Độ mờ khói: là đặc tính quang học liên quan đến sự cản trở ánh sáng của các hạt nhỏ có trong thành phần khí thải Độ khói của một lượng khí thể hiện bằng tỉ lệ phần trăm (%) trong đó 0% có nghĩa là toàn bộ ánh sáng truyền đi từ nguồn phát đều đến được bộ tiếp nhận Độ khói 100% nghĩa là toàn bộ lượng ánh sáng truyền đi bị cản lại và không đến được bộ tiếp nhận
Hệ số hấp thụ ánh sáng k: Ngoài độ khói, các chất khí còn có đặc tính quang học nữa đó là hệ số hấp thụ ánh sáng, đặc trưng cho khả năng hấp thụ ánh sáng của các hạt vật chất có trong thành phần khí Do đó hệ số này được định nghĩa là tích số giữa nồng độ hạt hấp thụ ánh sáng và diện tích mặt cắt ngang của từng hạt
Các thiết bị cơ bản:
Thiết bị đo độ khói:
- Opacity Meter: Thiết bị này được sử dụng để đo độ mờ của khói khí thải bằng cách chiếu một chùm tia sáng qua khói và đo lượng ánh sáng bị khói hấp thụ hoặc phân tán Độ mờ của khói thường được biểu thị dưới dạng phần trăm (%), với 100% là khói hoàn toàn mờ và 0% là hoàn toàn trong suốt
Một số thiết bị như: Bosch RTT 100, AVL 415S
Đo lường khí nạp và tiêu hao nhiên liệu
2.4.1 Đo lường tiêu hao nhiên liệu
Suất tiêu hao nhiên liệu là lượng nhiên liệu cần dùng trong một giờ để tạo ra một giá trị công suất, vì thế mức độ tiêu hao nhiên liệu cũng là một trong các yếu tố quan trọng để đánh giá trạng thái hoạt động của động cơ Do đó suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ thấp, tức là hiệu suất của động cơ lớn, tình trạng hoạt động của động cơ còn tốt Ngược lại, nếu mức tiêu hao nhiêu liệu của động cơ cao, điều đó cho thấy tình trạng hoạt động của động cơ đang gặp vấn đề, từ đó cần khắc phục và sửa chữa Để tính toán mức tiêu hao
39 nhiên liệu có thể sử dụng các phương pháp như dùng thiết bị điện tử, đo thể tích…
Tuy nhiên phương pháp đo theo thể tích thì khá mất nhiều thời gian cũng như nhiều bước dể tiến hành, nhưng độ chính xác mang lại không cao, bên cạnh đó khi tính toán mức tiêu hao nhiên liệu dựa vào đo thể tích cần quan tâm đến sự thay đổi trọng lượng riêng của nhiên liệu và nhiệt độ nhiên liệu trong quá trình đo cũng ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng
Do đó, trong các cuộc thí nghiệm hiện nay, người ta thường sử dụng phương pháp đo bằng thiết bị điện tử để tính toán mức tiêu hao nhiêu Áp dụng công thức:
- 𝑀 𝑐 : Tổng số nhiên liệu được cấp cho một chuyến xe (lít)
- 𝐾 1 : Định mức kỹ thuật tiêu hao nhiên liệu cho 100km ở đường loại 1 (lít/100)
▪ Đối với động cơ xăng và diesel K1 = 1 lít/100km
- 𝐾 2 : Phụ cấp có tải, có hành khách (lít)
▪ Đối với xe ô tô vận tải hàng hoá sử dụng xăng K2 = 1.5 lít/100km
▪ Đối với xe ô tô vận tải hàng hóa sử dụng diesel K2 = 1.3 lít/100km
▪ Đối với xe ô tô vận tải hành khách sử dụng xăng K2 = 1 lít/100km
▪ Đối với xe ô tô vận tải hành khách sử dụng diesel K2 = 0.8 lít/100km
- 𝐾 3 : Phụ cấp dừng đỗ để xếp dỡ (khi có hàng, có hành khách)
▪ Đối với xe ô tô khách và xe ô tô vận tải hàng hóa K3 = 0.2 lít
▪ Đối với xe ô tô con K3 = 0.3 lít
- L: Tổng quảng đường xe chạy (có chở hàng hay không chở hàng) sau khi đã quy đổi ra đường cấp 1 (km)
- P: Tổng khối lượng hàng hóa
- n: Số lần xếp dỡ hàng hóa hoặc số lần dừng đỗ xe (trên 1 phút)
• Phương pháp đo Fuel Balance
Hình 2.34 Sơ đồ thiết bị đo theo phương pháp Fuel Balance
1 - Ống cung cấp nhiên liệu cho bình đo 7 - Đối trọng
2 - Ống cung cấp nhiên liệu cho động cơ 8 - Lò xo lá
3 - Ống hồi nhiên liệu 9 - Thanh đo
4 - Ống thông hơi 10 - Khối lượng hiệu chuẩn
5 - Giảm chấn thủy lực 11 - Bình đo
Thiết bị đo hoạt động trên nguyên tắc đo trọng lực Qua đó, nhiên liệu được cung cấp cho động cơ từ một bình đo có khối lượng được đo liên tục Bình này có thuộc tính như thùng nhiên liệu trên xe
Việc xác định trọng lượng của nhiên liệu được thực hiện bởi cảm biến điện dung được kết nối với bình đo thông qua một thanh đo
Trọng lượng hiệu chuẩn được sử dụng để thực hiện các quy trình kiểm tra và hiệu chuẩn chính xác Việc hiệu chuẩn hoàn toàn tự động trong ít phút và được tích hợp mặc định trong thiết bị
• Phương pháp đo PLU (Pierburg Luftfahrt Un ee)
Hình 2.35 Sơ đồ thiết bị đo theo phương pháp PLU
Nguyên lí hoạt động Đồng hồ đo dung tích PLU kết hợp bộ đếm bánh răng điều khiển bằng servo với cảm biến vị trí pit tông Đồng hồ bánh răng được điều khiển bởi motor servo với bộ mã hóa góc quay để xác định các xung khi bánh răng quay, từ đó tính được lượng nhiên liệu tiêu hao Một van điều áp đảm bảo chênh lệch áp suất (∆p=0) giữa đầu vào và đầu ra, ngăn chặn dòng chảy rò rỉ Khi áp suất đầu vào lớn hơn áp suất đầu ra, khi đó lượng nhiên liệu cung cấp nhỏ hơn lượng nhiên liệu động cơ tiêu thụ, pit tông bị dịch chuyển qua phải, cảm biến vị trí pit tông sẽ nhận biết được sự dịch chuyển này và gửi tín hiệu về bộ điều khiển, tăng tốc quay của bánh răng một cách nhanh chóng để cân bằng áp suất Khi áp suất đầu vào nhỏ hơn áp suất đầu ra, lúc này lượng nhiên liệu cung cấp lớn hơn lượng nhiên liệu động cơ tiêu thụ, pit tông dịch chuyển qua trái, bộ điều khiển sẽ giảm tốc độ quay giữ cho pit tông luôn ở giữa
• Phương pháp đo Mass Flow
Hình 2.36 Sơ đồ thiết bị đo theo phương pháp Mass Flow
Nhiên liệu đi qua một ống hình chữ U được cung cấp năng lượng để tạo dao động ở tần số nhất định Khi dòng chất lỏng đi qua ống, động lượng dòng chảy sẽ gây ra sự rung động trong ống, ống sẽ bị xoắn lại dẫn đến lệch pha Sự lệch pha giữa tần số rung C1 và C2 tỉ lệ thuận với dòng lưu lượng Từ đó, hệ thống xác định được lượng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ
2.4.2 Đo lượng không khí nạp Động cơ đốt trong hiện đại được thiết kế, phát triển với mục đích hội tụ cả hai tiêu chí: nâng cao hiệu suất động cơ trong khi giảm thiểu các khí thải độc hại Nghiên cứu quá trình nạp động cơ là cơ sở cho những cải tiến (đường ống nạp), tốỉ ưu quá trình cháy từ đó nâng cao hiệu suất nhiệt và giảm ô nhiễm môi trường
Việc đo lưu lượng khí nạp góp phần cải thiện đặc tính vận hành (kinh tế nhiên liệu và khí thải) cho động cơ đốt trong Xuất phát từ sự phát triển của động cơ đốt trong hiện nay, cải thiện tính kinh tế nhiên liệu sẽ góp phần giảm áp lực lên vấn đề năng lượng hóa thạch toàn cầu
• Phương pháp đo Ultrasonic transit time
Hình 2.37 Phương pháp đo Ultrasonic transit time
43 c – Vận tốc sóng âm v – Vận tốc dòng khí α – góc nghiêng
Hai xung siêu âm được gửi đồng thời qua môi trường dòng khí nạp từ máy phát 1 (T1) và máy phát 2 (T2) Một xung lan truyền theo chiều dòng khí, còn xung kia ngược chiều dòng khí Khi đó, sự tương tác giữa tốc độ dòng khí V làm cho vận tốc sóng C của một trong hai máy phát tăng lên còn máy kia thì giảm xuống Tốc độ lan truyền C1, C2 khác nhau dẫn đến thời gian truyền qua dòng khí khác nhau: Tín hiệu tại bộ thu 1 (R1) đến nhanh hơn tín hiệu đến bộ thu 2 (R2), tương ứng với thời gian truyền t1 và t2 Qua đó, thiết bị có thể tính toán vận tốc dòng khí nạp, từ đó suy ra được lưu lượng của dòng khí
Hình 2.38 Thiết bị đo theo phương pháp Ultrasonic transit time
• Phương pháp đo bằng dây nhiệt
Cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây nhiệt có kích thước nhỏ gọn như được thể hiện trong hình 5.7, được đặt trong đường ống nạp Một dây nóng và nhiệt điện trở, được sử dụng như một cảm biến Bằng cách đo trực tiếp khối lượng không khí nạp, độ chính xác được tăng lên và hầu như không có sức cản đối với dòng không khí nạp Ngoài ra, vì không có các cơ cấu đặc biệt, dụng cụ này có độ bền cao
Hình 2.39 Cảm biến kiểu dây nhiệt
Cảm biến loại dây sấy luôn duy trì nhiệt độ dây sấy ở mức cao hơn so với nhiệt độ của dòng khí nạp Khi không khí được hút vào động cơ, dây sấy được làm nguội tương ứng với khối không khí nạp Để giữ cho nhiệt độ dây sấy không đổi bộ điều khiển sẽ cấp thêm dòng điện để làm nóng lại dây sấy, dòng điện này tỷ lệ thuận với khối không khí nạp
Bộ điều khiển dựa vào đó để tính ra lượng không khí đi vào đường ống nạp
Hình 2.40 Nguyên lí hoạt động kiểu dây nhiệt
ỨNG DỤNG MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ
Tổng quan
Sơ Đồ Mô Phỏng Bộ Thử Nghiệm Động Cơ Trên Ô Tô Bằng Matlab/ Simulink
Hình 3.1 Tổng quan khối SI Engine Dynamometer
Thành Phần: gồm 3 khối lớn:
- Engine: Mô phỏng các hoạt động của động cơ, nhận tín hiệu điều khiển từ Dynamometer Control và xuất ra tín hiệu về mô-men xoắn, các tín hiệu cho bộ điều khiển Dyno
- Dynamometer Control - Bộ điều khiển Dyno: khối này điều khiển quá trình hiệu chỉnh bướm ga và van xả Nó nhận tín hiệu điều khiển từ động cơ và hệ thống đo động lực Dynamometer
- Dynamometer: là thiết bị đo công suất và mô-men xoắn của động cơ, nhận tín hiệu điều khiển từ DynoCtrl, tín hiệu mô men xoắn và tốc độ từ động cơ
Ngoài ra còn có khối Environment (môi trường) mô phỏng các điều kiện môi trường như nhiệt độ và áp suất, cung cấp dữ liệu môi trường cho hệ thống động cơ Và khối Performance Monitor để thể hiện các kết quả thiết yếu như tốc độ động cơ, mô men xoắn yêu cầu, mô men xoắn động cơ, và nhiều kết quả khác bên trong khối
Khối Engine: gồm 3 khối nhỏ là Engine Plant, Engine Controller và Dynamometer
Hình 3.2 Mô phỏng bên trong khối Engine
Các kết quả của khối Engine sẽ được lưu vào khối EngSysResults, được chia làm 4 hạng mục nhỏ là EngCtrl, EngPnt, EngCtrlOutput, Env Trong đó kết quả của hạng mục EngCtrl được lưu từ khối Dynamometer Engine Control, kết quả khối Engine Plant được lưu vào khối EngPlnt và kết quả của khối EngCtrlOutPut được lưu từ khối Engine Controller
Hình 3.3 Kết quả khối Engine
Khối Dynamometer : có 2 khối nhỏ là Dynamometer Motor Controller dùng để điều khiển Motor của bộ Dyno và khối Dynamometer Plant
Hình 3.4 Mô phỏng bên trong khối Dynamometer
Kết quả của khối Dynamometer được lưu vào khối DynoResults và được chia làm 2 hạng mục là DynoCtrl và DynoPlnt DynoCtrl là kết quả được lấy từ khối Dynamometer Control
Hình 3.5 Kết quả khối Dynamometer
Khối Dynamometer Control: bên trong khối biểu diễn các thông số đầu vào đầu ra của cấu trúc để thực hiện các thuật toán điều khiển bộ Dyno, trước hết phải có các tín hiệu đầu vào từ các khối Engine, Engine Controller và Dyno Sau đó biến các tín hiệu đầu vào này thành thuật toán trong khối StateFlow để đi điều khiển bộ Dyno
Hình 3.6 Mô phỏng khối Dynamometer Control
Kết quả của các khối Engine, Dynamometer, Dynamometer Control được lưu và biểu diễn trong khối Performance Monitor
Các kết quả này được lưu lại và biễu diễn thành biểu đồ bằng cách sử dụng các hàm trong Matlab bên dưới
Hình 3.8 Code Matlab biểu diễn kết quả
Mô phỏng tổng quan hoạt động của động cơ
Sơ đồ hoạt động của hệ thống:
Hình 3.9 Mô phỏng hệ thống động cơ đốt trong với bộ tăng áp
Không khí nạp từ môi trường được thể hiện bằng khối Enviroment Intake, khối này sẽ mô phỏng áp suất và nhiệt độ không khí trong môi trường Dòng khí nạp sau đó đi qua bộ lọc không khí được mô phỏng bởi khối Air Filter, tại đây không khí được làm sạch bụi bẩn và tạp chất
Hình 3.10 Luồng hoạt động tổng quát (1)
Sau khi qua bộ lọc không khí sẽ được dẫn động đến máy nén (khối Compressor) Máy nén sẽ giữ vai trò giảm thiểu các biến động áp suất và ổn định hướng chảy của không khí trước khi vào động cơ, lúc này máy nén sẽ đóng vai trò như một bộ đệm nhằm ổn định dòng không khí nạp Vì không nạp sau khi nén sẽ có nhiệt độ cao, nên nó sẽ được làm mát bởi bộ làm mát (Intercooler) Việc làm mát giúp hạ nhiệt độ không khí, từ đó mật độ không khí được tăng lên, giúp lượng oxy cung cấp cho buồng đốt được nhiều hơn, tăng hiệu quá đốt cháy
Hình 3.11 Luồng hoạt động tổng quát (2)
Không khí sau khi được làm mát sẽ đi vào bướm ga, bướm ga nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển Dyno, tín hiệu này giúp điều khiển góc mở bướm ga tăng dần trong từng dải tốc độ động cơ, từ đó cung cấp lượng không khí cần thiết phù hợp với chế độ hoạt động
51 của động cơ Lượng không khí này sau đó đi qua cổng nạp và được phân phối đều đến các xi lanh, nhiệt độ và áp suất không khí tại đây cũng được theo dõi và điều chỉnh
Hình 3.12 Mô phỏng khối động cơ
Sau đó luồng không khí sẽ đi vào khối SI Core Engine – mô phỏng quá trình đốt trong của động cơ xăng Khối này sẽ nhận tín hiệu đóng mở van nạp, van xả phù hợp, cũng như tín hiệu góc đánh lửa sớm, tín hiệu phun nhiên liệu, tốc độ động cơ,… để mô phỏng quá trình đốt cháy từ đó sinh ra mô men và sản sinh khí thải
Hình 3.13 Luồng hoạt động tổng quát (3)
Lượng khí thải thoát ra từ đọng cơ được thu thập bởi ống thải và dẫn đến hệ thống xả Tại đây tín hiệu van xả (Waste Area Gate) được điều khiển bởi bộ điều khiển Dyno sẽ điều khiển việc đóng mở van xả hợp lý nhằm lợi dụng năng lượng của dòng khí xả để làm quay cánh quạt của bộ Turbine Lưu lượng khí xả qua Turbine tỷ lệ nghịch với diện tích cửa xả, khi van xả mở càng ít dòng khí đi qua Turbine sẽ càng nhiều và ngược lại Khi Turbine quay sẽ làm cho bộ máy nén quay theo nhờ được kết nối qua trục Quá trình này làm tăng hiệu quả của quá trình nạp, lượng không khí được hút vào động cơ nhiều hơn từ đó đảm bảo được công suất ở những dải tốc độ động cơ cao và tải cao
Khi nồng độ khí NOx cao, van EGR sẽ mở để cho lượng khí xả sinh ra đi vào lại buồng đốt nhằm giảm hiệu suất đốt cháy, do đó lượng khí NOx sinh ra giảm Hjệ thống EGR sẽ thường hoạt động ở mức tải động cơ và tốc độ trung bình hoặc ở mức nhiệt độ động cơ cao Ở những quá trình cần tăng công suất hoặc tốc độ lớn, tải cao thì van EGR sẽ đóng giúp đảm bảo chất lượng khí nạp, ổn định tỉ lệ hòa khí tránh tình trạng làm giảm công suất động cơ.
Thuật toán điều khiển của bộ điều khiển Dyno (Dynamometer Control)
Bộ Dynamometer Control sử dụng thuật toán của khối StateFlow để điều khiển và hiệu chỉnh phần trăm góc mở bướm ga và van xả
Hình 3.14 Tổng quan bộ điều khiển Dyno
Khối này sử dụng các thông số của xe ảo trong thư viện Matlab để làm tín hiệu đầu vào, cụ thể ta có các tín hiệu đầu vào sau:
- Số lượng điểm tốc độ động cơ (Engine Speed Command Vector):
EngSpdBpts = linspace(min(SiDynoSSSpdCmd(:)), max(SiDynoSSSpdCmd(:)), 15) (3.1)
- Giá trị tối thiểu của mỗi bước thay đổi giá trị mô men (Minimum Torque Step):
- Giá trị tối đa của mỗi bước thay đổi giá trị mô men (Maximum Torque Step)
- Giá trị tối thiểu của mô men yêu cầu (Minimum Torque Command)
- Giá trị tối đa của mô men yêu cầu (Maximum Torque Command)
- Tốc độ tối đa của trục turbo (Minimum Turbocharger Speed)
Ngoài ra ta còn có các tín hiệu đầu vào khác như tốc độ Turbo và mô men động cơ được lấy từ khối động cơ Các thông số mô men động cơ, áp suất tuyệt đối đường ống nạp và tốc độ động cơ được cho qua khối kiểm tra trạng thái ổn định (Check Steady State1), để làm tín hiệu thông báo sự ổn định của ba giá trị trên cho bộ điều khiển
Hình 3.15 Mô phỏng tín hiệu ổn định giá trị
Kết quả của tín hiệu này sẽ trả về giá trị đúng hoặc sai, phụ thuộc vào việc các giá trị đầu vào có duy trì được mức ổn định hơn thời gian được thiết lập bên trong khối hay không
Hình 3.16 Thời gian ổn định được thiết lập là 0.5 (s)
Bên trong Bộ điều khiển này ta sử dụng 8 hàm điều khiển đó là:
- Bắt đầu điều khiển (StartCtrl): thiết lập các giá trị ban đầu cho điều khiển
- Thiết lập lại điều khiển (ResetCtrl): thiết lập lại các giá trị điều khiển
- Giảm điều khiển (DecreaseCtrl):giảm độ mở bướm ga khi van xả mở hoàn toàn, tăng độ mở van xả khi bướm ga mở hoàn toàn
- Tăng điều khiển (IncreaseCtrl): tăng độ mở bướm ga khi độ mở bướm ga nhỏ hơn
100, khi bướm ga mở hoàn toàn, giảm độ mở van xả
- Giảm bước điều khiển (DecreaseCtrlStep): Giảm kích thước bước điều khiển
- Tăng bước điều khiển (IncreaseCtrlStep): Tăng kích thước bước điều khiển
- Gán giá trị điều khiển (LogCtrlValues(Idx)): gán giá trị cho TPP và WAP
- Lấy giá trị điều khiển (LoadLoggedCtrlValues(Idx)): gọi giá trị của TPP và WAP
Hình 3.17 Các hàm điều khiển được sử dụng
• Thuật toán điều khiển của bộ điều khiển
Hình 3.18 Mô phỏng thuật toán điều khiển
Phần thuật toán này khá dài nên rất khó để giải thích chính xác từng bước vì các giá trị sẽ thay đổi liên tục và trong mỗi bước cũng có rất nhiều điều kiện để xét tới Vì vậy ở đây ta sẽ giải thích sơ qua về cách thức hoạt động của StateFlow và nêu những mục đích chính của các khối lớn
Khi bắt đầu điều khiển, thông qua việc gọi các hàm thuật toán sẽ thực hiện thiết lập các giá trị ban đầu như phần trăm vị trí bướm ga 5%, phần trăm diện tích cửa xả 100% (turbo không hoạt động), tốc độ động cơ là 900 rpm (giá trị được lấy của thông số xe ảo trong thư viện Matlab),…
Hình 3.19 Bắt đầu thuật toán điều khiển
Hình 3.20 Sử dụng hàm ‘StartCtrl’ và ‘LogCtrlValues’ khi bắt đầu điều khiển Ở đây các dòng lệnh viết bên cạnh mỗi mũi tên được gọi là điều kiện chuyển tiếp, số được ghi tại điểm bắt đầu chính là thứ tự xét điều kiện chuyển tiếp đó Ví dụ khi ta vừa bắt đầu điều khiển, sau khi thực hiện điều kiện chuyển tiếp đầu tiên luồng thuật toán sẽ đến điểm kết nối Tại đây ta cần xét điều kiện chuyển tiếp số 1, tức điều kiện chuyển tiếp dẫn đến trạng thái ‘Stop’ Điều kiện này xét xem chỉ số tốc độ động cơ hiện tại có vượt quá số
59 lượng phần tử trong mảng ‘EngSpdBpts’ hay chưa Nhưng thời điểm này ta chỉ vừa bắt đầu điều khiển, chỉ số tốc độ động cơ ‘EngSpdIndex’ được đặt là 0 nên điều kiện này chưa thõa, do đó ta xét qua điều kiện số 2 và tương tự ta sẽ áp dụng điều này cho cả thuật toán
Sau khi thực hiện điều kiện chuyển tiếp số 2, tại đây tốc độ động cơ ban đầu sẽ được thiết lập và tăng lên sau mỗi vòng lặp Ngoài ra ta còn có hàm ‘ResetCtrl’ để thiết lập lại bước điều khiển cho những vòng lặp sau đó Thuật toán sau khi thực hiện xong sẽ bước vào khối đầu tiên là ‘NewEngSpd’ – Tốc độ động cơ mới
Khối thiết lập tốc độ động cơ mới (New Engine Speed)
Khối này chứa hai trạng thái chính là ‘Below Minimum Torque’ và ‘Above Minimum Torque’ Sau khi thiết lập dải tốc độ mới 2 trạng thái này thay phiên nhau thiết lập mô men yêu cầu cho bộ Dyno dựa trên mô men xoắn động cơ hiện tại và mô men xoắn yêu cầu tối thiểu để đảm bảo mô men yêu cầu cho bộ Dyno không giảm xuống mức tối thiểu Điều này giúp duy trì một mức mô men xoắn tối thiểu cho Dyno tránh hiện tượng bị rơi vào trạng thái quá tải trong quá trình thay đổi tốc độ
Khi tốc độ động cơ thay đổi, hệ thống điều khiển cần thời gian để ổn định ở tốc độ mới Đặt mô men của Dyno ở mức tối thiểu giúp đảm bảo rằng hệ thống có thể ổn định nhanh hơn mà không phải chịu tải cao ngay lập tức
Hình 3.21 Thuật toán điều khiển của khối ‘New Engine Speed’
Khối thiết lập chế độ không tải (Get Motoring Torque)
Khối này chứa ba trạng thái chính: "SetMotoringTorque", "LogMotoringData", và
"SetMinTrq" Trạng thái ‘SetMotoringTorque’ thiết lập mô men xoắn yêu cầu bằng 0 và đưa ra tín hiệu dừng cung cấp nhiên liệu.trạng thái này đặt động cơ vào chế độ không tải trong một khoảng thời gian nhất định.Khi cắt nhiên liệu, động cơ sẽ không tạo ra công suất từ quá trình cháy Điều này cho phép đo lường mô men không tải hoặc mô men ma sát của động cơ, tức là mô men cần thiết để quay động cơ mà không có sự hỗ trợ từ quá trình cháy bên trong Khi đó trạng thái ‘LogMotoringData’ kích hoạt biến ‘LogDataTrigger’ bằng true, tức là thời điểm này ta bắt đầu ghi lại dữ liệu Sau khi hoàn thành việc lấy dữ liệu, trạng thái
‘SetMinTrq’ đặt mô men yêu cầu là tối thiểu và cấp nhiên liệu lại cho động cơ, đây là thời điểm động cơ sắp trở lại hoạt động bình thường, chuẩn bị cho việc tăng mô men xoắn trong khối tiếp theo
Hình 3.22 Thuật toán điều khiển thời điểm mô men xoắn yêu cầu bằng 0
Khối điều khiển mô men xoắn yêu cầu cho bộ Dyno (Torque Control)
Khối này gồm có 5 trạng thái nhằm thực hiện quá trình điều khiển mô men xoắn một cách chính xác theo các điều kiện thử nghiệm từ giá trị tối thiểu đến tối đa thông qua các hàm tăng, giảm điều khiển,… thông qua ba trạng thái
- ‘CompleteTorquePoint’: nhằm hoàn thành điểm mô men xoắn hiện tại và chuẩn bị cho điểm mô men xoắn tiếp theo
- ‘LogData’: tiến hành ghi lại dữ liệu mô men xoắn cũng như phần trăn vị trí bướm ga, phần trăm diện tích cửa xả,…
- ‘WaitForSteadState’: chờ đến khi các giá trị được ổn định trước khi chuyển sang điểm mô men xoắn tiếp theo Điều này giúp đảm bảo dữ liệu thu thập được chính xác tránh bị ảnh hưởng bởi các biến đổi tạm thời
- ‘IncreaseTrqCmd‘: tăng dần mô men yêu cầu để đạt được giá trị mô men xoắn yêu cầu cực đại
Vòng lặp sẽ thực hiện luân phiên các trạng thái trên cho đến khi mô men yêu cầu đạt được cực đại Khi đó nếu thõa các điều kiện khối sẽ thực hiện trạng thái ‘GotoMaxTrq’ nhằm ghi lại giá trị phần trăm vị trí bướm ga và phần trăm diện tích cửa xả khi đạt được mô men xoắn cực đại và kết thúc trạng thái
Hình 3.23 Thuật toán điều khiển mô men xoắn yêu cầu của bộ Dyno
Khi các thử nghiệm tại dải tốc độ hiện tại hoàn tất, thuật toán sẽ chuyển sang dải tốc độ động cơ mới nhờ công thức:
Mô phỏng các Đặc tính động cơ
3.4.1 Các tính toán ban đầu
• Khối điều khiển thể tích
Khối Điều khiển thể tích mô phỏng một hệ thống nhiệt động học mở có thể tích không đổi với sự truyền nhiệt Khối này áp dụng định luật bảo toàn khối lượng và năng lượng, giả
64 định rằng khí lý tưởng được chứa trong một buồng có thể tích không đổi để xác định áp suất và nhiệt độ Ta có thể sử dụng khối này biểu diễn các bộ phận của động cơ có chứa thể tích như các đường ống dẫn, đường ống phân phối,…
Sự thay đổi nhiệt độ và áp suất được tính toán dựa trên phương trình liên tục và định luật thứ nhất của nhiệt động học.:
Enthanpy riêng theo thể tích được xác định theo phương trình sau:
Hình 3.30 Mô phỏng tính toán nhiệt độ và áp suất khí nạp
• Mô phỏng góc pha cam nạp và cam xả Để tính toán góc pha cam nạp và cam xả cho động cơ ta dựa vào các tín hiệu của tải được tính toán và tốc độ động cơ, qua bảng tra cứu ta sẽ có được kết quả góc pha cam nạp và cam xả Biểu thức tính toán góc pha cam:
Hình 3.31 Biểu đồ mỗi liên hệ giữa 𝜑 𝐼𝐶𝑃𝐶𝑀𝐷 , 𝐿 𝑒𝑠𝑡 , 𝑁
Hình 3.32 Biểu đồ mối liên hệ giữa 𝜑 𝐸𝐶𝑃𝐶𝑀𝐷 , 𝐿 𝑒𝑠𝑡 , 𝑁
Hình 3.33 Mô phỏng góc pha cam nạp và xả trong Simulink
• Mô phỏng áp suất môi trường : Áp suất môi trường được giữ cố định với giá trị không đổi khoảng 101325 Pa
3.4.2 Các thông số ảnh hưởng mô men động cơ Để tính toán được mô men động cơ ta cần các thông số đầu vào sau:
- Tốc độ động cơ: N (rpm)
- Tỷ lệ hòa khí AFR: AFR
- Góc đánh lửa sớm: SA (deg)
- Nhiệt độ nước làm mát động cơ: ECT (K)
- Góc quay trục khuỷa (deg)
- Độ rộng xung của kim phun nhiên liệu: 𝑃 𝑤𝑖𝑛𝑗 (ms)
Hình 3.34 Thông số tính toán Engine Torque
• Tải động cơ Ước tính khối lượng bị giữ lý tưởng
Mô hình lưu lượng khối khí nạp theo pha cam độc lập kép sử dụng định luật khí lý tưởng để ước tính khối lượng bị mắc kẹt lý tưởng ở các điều kiện của đường ống nạp Việc
68 tính toán giả định áp suất và nhiệt độ xi lanh ở điều kiện van nạp đóng bằng với áp suất và nhiệt độ đường ống nạp
Khối lượng bị giữ lý tưởng có mối liên hệ với các thông số như thể tích xi lanh và nhiệt độ van nạp ở điều kiện van nạp đóng, và được tính toán theo công thức
Hình 3.35 Mô phỏng các tính toán Đối với động cơ có pha cam nạp thay đổi, thể tích bị kẹt ở van nạp đóng sẽ thay đổi Thể tích xi lanh tại vị trí van nạp đóng, 𝑓 𝑉𝑖𝑣𝑐 là hàm số của góc pha cam nạp và được tính theo biểu thức
- 𝑉 𝐼𝑉𝐶 : là thể tích xi lanh tại IVC, tính bằng L
- 𝜑 𝐼𝐶𝑃 : góc pha cam nạp tính theo độ tiến của trục khủyu so với vị trí đỗ của pha cam nạp
Hình 3.36 Mối liên hệ giữa thể tích xi lanh với góc pha cam nạp
Hình 3.37 Mô phỏng thể tích xi lanh tại IVC Hiệu chỉnh khối lượng bị giữ
Mô hình lưu lượng khí nạp theo pha cam độc lập kép sử dụng hệ số hiệu chỉnh để tính đến sự khác biệt giữa khối lượng bị mắc kẹt lý tưởng trong xi lanh và khối lượng bị giữ thực tế Hệ số hiệu chỉnh khối lượng bị mắc kẹt là một bảng tra cứu là một hàm của mật độ và tốc độ động cơ được chuẩn hóa và tính theo công thức:
Giá trị hiệu chỉnh khối lượng bị mắc kẹt trong matlab được biểu diễn bởi các sơ đồ bên dưới:
Hình 3.38 Mô phỏng mật độ chuẩn hóa
Bảng hệ số hiệu chỉnh khối lượng bị giữ, 𝑓 𝑇𝑀𝑐𝑜𝑟𝑟 , là hàm của mật độ chuẩn hóa và tốc độ động cơ:
- 𝑇𝑀 𝑐𝑜𝑟𝑟 : hệ số hiệu chỉnh khối lượng bi giữ, không thứ nguyên (dimensionless)
- 𝜌 𝑛𝑜𝑟𝑚 : mật độ chuẩn hóa, không thứ nguyên
- 𝑁: tốc độ động cơ (rpm)
Hình 3.39 Mô phỏng hệ số hiệu chỉnh khối lượng bị giữ
Hình 3.40 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa 𝑇𝑀 𝑐𝑜𝑟𝑟 , 𝜌 𝑛𝑜𝑟𝑚 𝑣à 𝑁 Lưu lượng khối khí bị mắc kẹt được biểu thị bằng tốc độ dòng tính bằng gam trên giây (g/s) Lưu lượng khối bị mắc kẹt là lưu lượng khối khí tối đa đi qua động cơ khi không còn khí dư trong xi lanh khi kết thúc hành trình xả và được biểu diễn bởi công thức:
Hình 3.41 Lưu lượng khối khí bị giữ
Tính toán lưu lượng khối khí nạp Để xác định lưu lượng khối không khí nạp của động cơ ở các góc pha cam tùy ý, mô hình lưu lượng khối không khí pha cam độc lập kép sử dụng bảng tra cứu
Bảng tra cứu mô hình lưu lượng khối lượng nạp theo pha là một hàm của các góc pha của cam xả và lưu lượng không khí bị mắc kẹt
- 𝑚̇ 𝑖𝑛𝑡𝑘𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙: lưu lượng tại cổng nạp của động cơ ở các góc pha cam tùy ý (g/s)
- 𝜑 𝐸𝐶𝑃 : góc pha của cam xả tính theo độ trễ của trục khuỷu so với vị trí đỗ của pha cam xả
- 𝑇𝑀 𝑓𝑙𝑜𝑤 : lưu lượng tương đương với khối lượng bị giữ lại đã hiệu chỉnh ở tốc độ động cơ hiện tại (g/s)
Hình 3.42 Mối liên hệ giữa góc pha của cam xả với lưu lượng không khí bị giữ
Hình 3.43 Mô phỏng lưu lượng tại cổng nạp
Bảng tra cứu hiệu chỉnh lưu lượng khối khí nạp,𝑓 𝑎𝑖𝑟𝑐𝑜𝑟𝑟 , là hàm của tải lý tưởng và tốc độ động cơ:
- 𝐿 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 : tải trọng động cơ (khối lượng không khí xi lanh chuẩn hóa) ở các góc pha cam tùy ý, không bị hiệu chỉnh đối với các góc pha cam ở trạng thái ổn định cuối cùng, không thứ nguyên
- 𝑚̇ 𝑎𝑖𝑟 : là sự hiệu chỉnh cuối cùng của khối lượng không khí nạp của động cơ ở các góc pha cam ở trạng thái ổn định (g/s)
- 𝑚̇ 𝑖𝑛𝑡𝑘𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 : là lưu lượng tại cổng nạp của động cơ ở các góc pha cam tùy ý (g/s)
Hình 3.44 Mối liên hệ giữa lưu lượng khối khí nạp với tải động cơ, tốc độ động cơ Để tính toán lưu lượng khối khí ở cổng nạp của động cơ, mô hình động cơ sử dụng phương trình này:
Hình 3.45 Mô phỏng lưu lượng khối khí tại cổng nạp
Tải trọng lý tưởng là khối lượng không khí nạp chưa cháy trong xi lanh động cơ đã được chuẩn hóa trước khi điều chỉnh lần cuối Để tính toán tải trọng lý tưởng, mô hình chia khối lượng khí nạp chưa cháy hết cho khối lượng khí lý thuyết của xi lanh Khối lượng không khí nạp lý thuyết của xi lanh là khối lượng không khí nạp (kg) trong một xi lanh tại điểm chết đáy piston (ĐBDC) với không khí ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn
Khối lượng không khí nạp của xi lanh (MNom) được tính theo công thức:
Hình 3.46 Mô phỏng khối lượng khí nạp của xi lanh
Tải trọng lý tưởng ( Lideal ) được tính theo công thức
Hình 3.47 Mô phỏng tải trọng lí tưởng
Tải động cơ cuối cùng (L) được biểu thị bằng
• Mô phỏng tốc độ động cơ:
Tốc độ động cơ được tính theo công thức
𝐸𝑛𝑔𝑆𝑝𝑑 = 𝐸𝑛𝑔𝑆𝑝𝑑𝐵𝑝𝑡𝑠(𝐸𝑛𝑔𝑆𝑝𝑑𝐼𝑛𝑑𝑒𝑥) (3 23) Đây công thức trong bộ StateFlow điều khiển phần trăm góc mở bướm ga và van xả (van điều khiển Turbo) Trong đó hệ số EngSpdIndex sẽ được điều khiển tăng từ 0 - 15 Với mỗi hệ số EngSpdIndex sẽ cho một giá trị EngSpdBpts được lấy từ số liệu của xe ảo trong thư viện Matlab và sẽ nằm trong khoảng từ 900-7200 rpm
Hình 3.48 Tính toán tốc độ động cơ trong StateFlow
• Mô phỏng tỉ lệ hòa khí AFR Để tính tỷ lệ không khí-nhiên liệu (AFR), khối SI Core Engine dựa vào khối lượng không khí đi vào với khối lượng nhiên liệu tiêu thụ và được biểu diễn theo thực phương trình bên dưới
Hình 3.49 Mô phỏng tỉ lệ hòa khí
Tính toán khí xả
Hình 3.73 Mô hình khí xả
Phần này chúng ta sẽ xem xét tính toán về:
• Enthalpy riêng của khí thải
• Tốc độ của dòng khí thải
• Khí thải ra từ động cơ:
- Nitric oxide and nitrogen dioxide (NOx)
- Carbon dioxide (CO2) Nhiệt độ khí thải, 𝑇 𝑒𝑥ℎ , của động cơ được tính toán dựa vào hàm Lookup-table và được mô phỏng trong Simulink dưới sơ đồ sau Nhận 2 tín hiệu đầu vào đó là tốc độ động cơ và lưu lượng không khí đi vào qua lookup table ta thu được nhiệt độ khí thải
- 𝑇 𝑒𝑥ℎ : là nhiệt độ khí thải của động cơ, tính bằng K
- 𝐿: là khối lượng không khí trong xi lanh chuẩn hóa hoặc tải động cơ, không thứ nguyên
- 𝑁: là tốc độ động cơ, tính bằng vòng/phút
Hình 3.74 Mô phỏng nhiệt độ khí thải
Từ nhiệt độ khí thải ta có thể xác định Enthalpy riêng như sau:
Bảng tra cứu nồng độ khí: Bảng tra cứu của khí thải nhận các tín hiệu đầu vào từ mô men động cơ và tốc độ động cơ từ đó tính được hệ số khối lượng khí thải của các chất như Hydrocarbon (HC), Carbon monoxide (CO), Nitric oxide and nitrogen dioxide (NOx), Carbon dioxide (CO2)
Hình 3.75 Mô phỏng tính toán khí thải
Lưu lượng khối lượng khí thải bằng tổng lưu lượng khối không khí ở cổng nạp và lưu lượng khối nhiên liệu
Sau khi có lưu lượng khối lượng khí thải, để tính toán lượng khí thải, sử dụng phép nhân lưu lượng khối lượng khí thải và hệ số khối lượng khí thải
Hình 3.76 Mô phỏng tính lưu lượng khối lượng khí thải
Biểu thức tính lưu lượng khối lượng khí thải:
Với i = CO2, CO, HC, NOx, không khí, khí cháy, và PM
Khí thải từ động cơ sẽ được cho đi qua bộ chuyển đổi xúc tác 3 chiều (Three-Way Catalyst) và được thải ra ngoài, lúc này khí thải được kí hiệu là khí thải ở ống pô (Tail Pipe)
Hình 3.77 Mô phỏng bộ xúc tác 3 chiều
Bên trong bộ chuyển đổi xúc tác 3 chiều sẽ có điều kiện kích hoạt khối này hoạt động dựa vào điều kiện nhiệt độ khí xả được thiết lập trong khối Tắt bộ xúc tác (Catalyst Light-Off), khối này kiểm tra nhiệt độ khí xả mà tại đó bộ xúc tác bắt đầu hoạt động tốt trong việc giảm thiểu các chất ô nhiễm như CO, HC (hydrocarbon), và NOx Thông thường, bộ xúc tác
96 ba chiều chỉ hoạt động hiệu quả khi nhiệt độ của nó vượt qua một ngưỡng nhất định khoảng 573.15 Kelvin (300°C) Khi nhiệt độ khí xả chưa đủ lớn khí xả tại ống pô sẽ chính bằng khí xả của động cơ
Hình 3.78 Khí thải khi bộ xúc tác không được kích hoạt
Khối này đóng vai trò rất quan trọng để mô phỏng đúng hiệu quả của bộ xúc tác ba chiều, đảm bảo rằng mức phát thải sau bộ xúc tác được tính toán chính xác dựa trên trạng thái nhiệt độ của bộ xúc tác
Trong thực tế, nhiệt độ hoạt động hiệu quả của bộ xúc tác ba chiều (Three-Way Catalyst - TWC) thường nằm trong khoảng từ 250°C đến 400°C Khi xe vừa khởi động, nhiệt độ của khí xả và bộ xúc tác đều thấp nên bộ xúc tác ba chiều chưa thể hoạt động tốt Đây là lý do tại sao nhiều xe hiện đại có các hệ thống làm ấm nhanh bộ xúc tác hoặc sử dụng các phương pháp khác để nhanh chóng đưa TWC lên nhiệt độ hoạt động
Hình 3.79 Tính toán khí thải khi có bộ xúc tác
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Thiết lập mô phỏng
Trong ứng dụng mô phỏng thử nghiệm động cơ này, ta có thể phân ra các trường hợp thử nghiệm như sau:
- Trường hợp 1: Mô phỏng thử nghiệm đặc tính tải động cơ: trong trường này, khi xét ở từng dải tốc độ động cơ khác nhau thì giá trị này sẽ giữ nguyên, và ta sẽ cho thay đổi vị trí bướm ga từ 5% - 100% Giá trị mô men xoắn được tạo ra chính là lượng mô men cần thiết đủ để duy trì mức tốc độ động cơ đó
- Trường hợp 2: Mô phỏng thử nghiệm đặc tính tốc độ động cơ: trong quá trình thử nghiệm ta không chỉ thử nghiệm ở một dải tốc độ động cơ mà giá trị này sẽ được cho tăng lên mức khác nhau Tại mỗi mức ta sẽ tiến hành điều khiển và đo đạc giống như thử nghiệm đặc tính tải Nhờ đó khi xét tại những điểm vị trí bướm ga mở 100% ta sẽ có các điểm momen xoắn cực đại và công suất cực đại, Khi nối các điểm này lại với nhau sẽ cho ra được đường đặc tính tốc độ của động cơ, từ đó xác định được dải tốc độ mà mô men xoắn và công suất đạt cực đại.
Mô phỏng thử nghiệm đặc tính động cơ
4.2.1 Kết quả mô phỏng thử nghiệm đặc tính hiệu quả động cơ
Hình 4.1 Kết quả mô phỏng về mô men xoắn và công suất
Xét ở những đoạn tốc độ thấp, ta có thể thấy lúc đầu mặc dù bướm ga chưa mở hoàn toàn nhưng momen xoắn đã đạt được cực đại, điều này có thể giải thích là do ở những dải tốc độ thấp hiệu quả nạp khí được tối ưu, áp suất nạp ổn định hơn, và động cơ không cần quá nhiều khí nạp để đạt được mô men xoắn cực đại
Qua đồ thị ta có thể thấy mô men xoắn tối đa mà động cơ có thể tạo ra là khoảng 230 N.m ở tốc độ động cơ 2700 rpm Và công suất cực đại đạt được khoảng 113 kW, tương đương 151 mã lực tại tốc độ động cơ 4500 rpm Công suất và mô men này ở mức tốt và vòng tua đạt công suất cực đại thấp hơn so với các động cơ xăng 1.5L ngày nay, có thể kể đến Honda Civic 1.5L Turbo có công suất cực đại khoảng 130 kW tại tốc độ động cơ 6000 rpm
Khi động cơ có thể hoạt động ở vòng tua thấp như thế sẽ có một vài ưu điểm như cải thiện khả năng tăng tốc khi lái xe ở tốc độ thấp, mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn đặc biệt là trong điều kiện lái xe hàng ngày như đô thị, thành phố Ngoài ra động cơ không phải hoạt động ở vòng tua cao cũng sẽ giúp tăng tuổi thọ động cơ, giảm được chi phí bảo dưỡng Ngược lại điều này cũng sẽ làm giới hạn tốc độ tối đa mà xe có thể đạt được, ảnh hưởng đến hiệu suất khi chạy trên cao tốc, xa lộ,…
4.2.2 Kết quả mô phỏng thử nghiệm đặc tính kinh tế động cơ
Khi thử nghiệm động cơ ta xác định được suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC) nhờ việc tính toán dòng lưu lượng nhiên
Hình 4.2 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ
Sau khi chạy mô hình thử nghiệm ta xây dựng được đặc tính tiêu hao nhiên liệu như sau:
Hình 4.3 Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu Đồ thị đầu tiên là đồ thị tiêu hao nhiên liệu chưa qua khối giới hạn, ở mỗi bước thay đổi tốc độ động cơ, BSFC có xu hướng tăng đột ngột rồi giảm dần và ổn định trong một khoảng thời gian nhất định trước khi tốc độ động cơ lại tăng lên bậc tiếp theo Những khoảng giá trị thất thường này sẽ khiến ta sẽ khó thấy được đường đặc tính thật sự của nó, vì vậy ta sẽ cần giới hạn giá trị lại để đồ thị được thể hiện rõ hơn ở đồ thị thứ hai Ở khoảng tốc độ động cơ thấp (1000 rpm đến 2000 rpm), xét những giá trị nhỏ nhất ta thấy BSFC dao động từ khoảng 260 g/kWh đến 285 g/kWh, có thể thấy khoảng thời gian đầu thử nghiệm là lúc động cơ tiêu hao nhiên liệu nhiều nhất Khi tốc độ động cơ tăng dần lên (khoảng 3000 rpm đến 4000 rpm), BSFC có xu hướng giảm dần và ổn định hơn Cụ thể trong dải tốc độ này, suất tiêu hao nhiên liệu đạt thấp nhất là 245 g/kWh, tức tại khoảng tốc độ này hoạt động tiêu thụ nhiên liệu của động cơ là tốt nhất Với tốc độ động cơ cao hơn
(khoảng 4000 rpm trở lên), BSFC tăng trở lại nhưng không quá nhanh do đó mức trung bình tiêu hao nhiên liệu đạt khá thấp khoảng 250 g/kWh
Các động cơ xăng hiệu suất cao hiện nay thường có BSFC vào khoảng 250-300 g/kWh Đối với các động cơ hiện đại, đặc biệt là những động cơ sử dụng công nghệ tiên tiến như Turbocharging, Direct Injection, và Hybrid System, có thể đạt được suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn vào khoảng 220 g/kWh – 280 g/kWh Do đó mức tiêu hao nhiên liệu của mô phỏng đạt 250 g/kWh là một mức tốt.
Mô phỏng thử nghiệm khí thải động cơ
Hình 4.4 Mối liên hệ giữa nồng độ khí thải so với tỉ lệ hòa khí Đồ thị này có ta thấy, nếu hòa khí ở tình trạng giàu nhiên liệu lượng khí CO với HC sinh ra lớn và tỉ lệ hòa khí càng đậm thì lượng khí CO với HC sinh ra càng lớn Ngược lại với CO và HC, nếu tỉ lệ hòa khí càng đậm thì lượng khí NOx sinh ra càng thấp
Trái ngược với tỉ lệ hòa khí càng đậm, nếu hòa khí càng nhạt, thành phần nhiêu liệu ít lúc này khí HC và CO sinh ra rất nhỏ, khí NOx lại càng cao khi hoàn khí càng nghèo nhiên liệu
Hình 4.5 Mô phỏng nồng độ khí thải của các chất trong bộ xúc tác ba chiều
Trong bộ xúc tác ba chiều, sau khi tính toán được tỉ lệ hòa khí, để tính toán nồng độ khí thải của các chất như HC, CO, NOx ta có mối liên hệ giữa tỉ lệ hòa khí và hệ số chuyển đổi khí thải
Hình 4.6 Hệ số chuyển đổi khí HC Đối với khí HC: Nếu bộ xúc tác hoạt động trong điều kiện giàu nhiên liệu (lamda>1), hoặc điều kiện hòa khí lý tưởng Lúc này hệ số chuyển đổi HC sẽ gần bằng 1, có nghĩa là loại bỏ được phần lớn lượng khí HC sinh ra sau khi qua bộ xúc tác ba chiều Trong điều kiện hòa khí nghèo, ít xăng thì hệ số chuyển đổi khí HC sẽ thấp, có nghĩa là lượng khí HC được chuyển đổi sẽ ít trong điều kiện nghèo nhiên liệu
Hình 4.7 Hệ số chuyển đổi khí CO Đối với khí CO: cũng giống như khí HC, nếu hòa khí giàu nhiên liệu hoặc ở điều kiện hòa khí chuẩn, hệ số chuyển đổi của khí CO sẽ gần bằng 1 Cho thấy lượng khí CO sinh ra sẽ được chuyển đổi gần như hoàn toàn trong bộ xúc tác 3 chiều Ngược lại, nếu hòa khí nghèo nhiên liệu, hệ số chuyển đổi khí CO sẽ nhỏ, do đó nồng độ khí CO thải ra môi trường vẫn cao, mặc dù có sử dụng bộ xúc tác ba chiều
Hình 4.8 Hệ số chuyển đổi khí NOx
Mối liên hệ giữa EO Lambda và hiệu suất chuyển đổi của bộ TWC NOx Đối với khí NOx: Nếu bộ xúc tác hoạt động trong điều kiện giàu nhiên liệu (lamda>1) Lúc này hệ số chuyển đổi NOx sẽ gần nhỏ, có nghĩa là lượng khí NOx được chuyển đổi sẽ ít trong điều kiện lý tưởng hoặc giàu nhiên liệu
Ngược lại, trong điều kiện hòa khí nghèo hoặc điều kiện hòa khí lý tưởng, ít xăng thì hệ số chuyển đổi khí NOx sẽ cao ( gần bằng 1), có nghĩa là loại bỏ được phần lớn lượng khí NOx sinh ra sau khi qua bộ xúc tác ba chiều
Hình 4.9 Đồ thị hệ số dư lượng không khí theo thời gian Đồ thị trên cho thấy ở những giai đoạn đầu, cần nhiều nhiên liệu cho quá trình khởi động nên hòa khí đậm đặc, sau khi chạy khoảng 2000 rpm, tỉ lệ hòa khí có phần giảm, hỗn hợp nghèo nhiên liệu Ở những giai đoạn thay đổi tốc độ, tỉ lệ hòa khí là lý tưởng
Hình 4.10 Đồ thị mối liên hệ giữa EO HC với TP HC Đồ thị trên cho ta thấy, nồng độ khí HC bị giảm sau khi đi qua bộ xúc tác 3 chiều, do nhiệt độ khí thải sinh ra luôn cao hơn 300 °𝐾 nên kích hoạt bộ xúc tác 3 chiều hoạt động, làm lượng khí HC thải ra môi trường giảm so với lượng khí đo được tại đầu ra của động cơ Những giai đoạn đầu, tỉ lệ hòa khí là lý tưởng lambda bằng 1 do đó quá trình chuyển đổi HC trong bộ xúc tác ba chiều diễn ra hiệu quả, giảm thiểu lượng HC thải ra môi trường Sau khi khởi động, xe chạy ổn định tỉ lệ hòa khí giảm, làm hệ số chuyển đổi HC thấp làm cho lưu lượng khí HC thoát ra môi trường vẫn khá cao Ở những giai đoạn thiết lập tốc độ mới, tỉ lệ hòa khí lý tưởng nên lambda bằng 1 do đó quá trình chuyển đổi HC trong bộ xúc tác ba chiều diễn ra hiệu quả, do đó lượng khí HC thải ra môi trường rất nhỏ
Hình 4.11 Đồ thị mối liên hệ giữa EO CO với TP CO Đồ thị trên cho ta thấy, nồng độ khí CO bị giảm sau khi đi qua bộ xúc tác 3 chiều, do nhiệt độ khí thải sinh ra luôn cao hơn 300 °𝐾 nên kích hoạt bộ xúc tác 3 chiều hoạt động, làm lượng khí CO thải ra môi trường giảm so với lượng khí đo được tại đầu ra của động cơ, những gia đoạn đầu, tỉ lệ hòa khí là lý tưởng, lambda bằng 1 do đó quá trình chuyển đổi CO trong bộ xúc tác ba chiều diễn ra hiệu quả, giảm thiểu lượng CO thải ra môi trường Sau khi khởi động, xe chạy ổn định tỉ lệ hòa khí giảm, làm hệ số chuyển đổi CO thấp làm cho lưu lượng khí CO thoát ra môi trường vẫn khá cao Ở những giai đoạn thiết lập tốc độ mới, tỉ lệ hòa khí lý tưởng nên lambda bằng 1 do đó quá trình chuyển đổi CO trong bộ xúc tác ba chiều diễn ra hiệu quả, do đó lượng khí CO thải ra môi trường rất nhỏ
Hình 4.12 Đồ thị mối liên hệ giữa EO NOx với TP NOx Đồ thị trên cho ta thấy, nồng độ khí NOx bị giảm sau khi đi qua bộ xúc tác 3 chiều, do nhiệt độ khí thải sinh ra luôn cao hơn 300 °𝐾 nên kích hoạt bộ xúc tác 3 chiều hoạt động, làm lượng khí NOx thải ra môi trường giảm so với lượng khí đo được tại đầu ra của động cơ, những gia đoạn đầu, tỉ lệ hòa khí là lý tưởng, lambda bằng 1 do đó quá trình chuyển đổi NOx trong bộ xúc tác ba chiều diễn ra hiệu quả, giảm thiểu lượng NOx thải ra môi trường Sau khi khởi động, xe chạy ổn định tỉ lệ hòa khí giảm, làm hệ số chuyển đổi NOx cao (sắp sỉ
1), nghĩa là chuyển đổi gần như toàn bộ khí NOx sinh ra, làm cho lưu lượng khí NOx thoát ra môi trường rất thấp, tránh gây ô nhiễm môi trường Ở những giai đoạn thiết lập tốc độ mới, tỉ lệ hòa khí lý tưởng nên lambda bằng 1 do đó quá trình chuyển đổi NOx trong bộ xúc tác ba chiều diễn ra hiệu quả, do đó lượng khí NOx thải ra môi trường rất nhỏ
Hình 4.13 Đồ thị mối liên hệ giữa EO CO2 với TP CO2
Tại vì bộ xúc tác 3 chiều không tác động đến khí CO2, tuy nhiên do bộ xúc tác ba chiều chuyển đổi khí CO thành CO2 nên lượng khí CO2 đo được tại ống bô cao hơn so với đo tại ống xả
Tỉ lệ AFR ảnh hưởng lớn đến sự hình thành NOx và HC Ở tốc độ động cơ thấp, hệ thống quản lý động cơ có thể điều chỉnh tỉ lệ AFR để duy trì trong phạm vi tối ưu cho việc giảm thiểu NOx và HC Khi AFR được duy trì gần với tỷ lệ stoichiometric (khoảng 14.7:1 đối với xăng), các phản ứng trong bộ xúc tác ba chiều diễn ra hiệu quả hơn, giúp giảm thiểu lượng khí thải
Lượng khí thải NOx và HC thấp khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp là do sự kết hợp của nhiệt độ khí thải thấp, lượng nhiên liệu đốt cháy ít hơn, và tỉ lệ AFR được duy trì trong phạm vi tối ưu
Mô phỏng thử nghiệm hỗn hợp hòa khí động cơ
Hình 4.14 Đồ thị đo áp suất đường ống nạp Ở những dải tốc độ thấp, khi động cơ mới khởi động khoảng 900-1500 rpm, lúc này quá trình cháy sẽ diễn ra chậm, nhằm ổn định quá trình cháy không gây ra hiện tượng giàu hay nghèo nhiên liệu đòi hỏi lượng không khí cung cấp cho động cơ ở những giai đoạn này phải hợp lý, để làm được điều này bộ điều khiển sẽ điều chỉnh góc mở bướm ga thấp Do đó
113 lượng không khí cung cấp cho động cơ sẽ nhỏ, giúp đảm bảo quá trình cháy hiệu quả và ít tiêu hao nhiên liệu
Do góc mở bướm ga nhỏ dẫn đến lượng không khí đi vào ống nạp thấp làm cho áp suất đường ống nạp nhỏ ở những giai đoạn này
Khi tốc độ động cơ tăng dẫn, đòi hỏi lượng nhiên liệu cung cấp phải lớn để duy trì quá trình cháy hiệu quả, không phát sinh ra nhiều khí thải do đó bộ điều khiển sẽ điều chỉnh góc mở bướm ga lớn, lượng không khí đi vào động cơ tăng kéo theo áp suất đường ống nạp sẽ tăng theo Ở những dải tốc độ động cơ không đổi, góc mở bướm ga được điều khiển tăng dần theo thời gian do đó lượng không khí đi vào cũng tăng dần theo làm cho áp suất trong đường ống nạp tăng dần ở những thời điểm tốc độ động cơ được giữ không đổi, và khi điều chỉnh 1 tốc độ mới, bộ điều khiển thiết lập lại góc mở bướm ga ban đầu khoảng 5%, do đó áp suất đường ống nạp cũng thay đổi theo rất thấp Nên đồ thị có hiện tượng giảm dần đột ngột ở những thời điểm chuyển giao tốc độ
Lưu lượng dòng khí nạp và nhiên liệu
Hình 4.15 Đồ thị lưu lượng dòng khí nạp
114 Ở những khoảng thời gian đầu, tốc độ động cơ thấp từ 950 - 1500 rpm do đó quá trình đốt cháy sẽ diễn ra chậm, do đó bướm ga thường đóng nhiều hơn để ổn định quá trình cháy bên cạnh đó còn giúp tiêu hao nhiên liệu ít hơn vì vậy lưu lượng không khí cần cung cấp cho động cơ thấp chỉ dao động khoảng vài chục g/s
Sau khi chạy ổn định tốc độ động cơ tăng dần thúc đẩy quá trình đốt cháy diễn ra nhanh hơn, nhằm đảm bảo quá trình cháy diễn ra hiệu quả thì lượng không khí cung cấp cho động cơ phải tăng theo tốc độ động cơ Ở những dải tốc độ duy trì không đổi, do thiết lập điều khiển phần trăm góc mở bướm ga tăng từ 0-100% Do đó lượng không khí đi vào động cơ cũng tăng dần theo thời gian và đạt cực điểm ở vị trí bướm ga mở hoàn toàn Ở những điểm thay đổi tốc độ, bộ điều khiển thực hiện lại chu trình điều khiển nên góc mở bướm ga được thiết lập ban đầu rất nhỏ khoảng 5%, vì vậy lượng không khí đi vào động cơ rất thấp, dẫn đến đồ thị sẽ biến thiên từ cao xuống thấp 1 cách đột ngột ở những thời điểm thiết lập tốc độ mới và sau đó tăng dần lên đến khi góc mở bướm ga đạt cực đại
Hình 4.16 Mối liên hệ giữa nhiệt độ không khí nạp, nhiệt độ khí xả với tốc độ động cơ
Nhiệt độ khí xả thay đổi theo thời gian và phụ thuộc vào tốc độ động cơ, ở tốc độ động cơ thấp quá trình đốt cháy diễn ra không quá mạnh và nhanh làm cho lượng khí thải và nhiệt độ sinh ra trong quá trình đốt cháy diễn ra thấp
Khi tốc độ động cơ tăng dần đòi hỏi quá trình đốt cháy diễn ra nhanh và mạnh mẽ làm cho lượng khí thải sinh ra nhiều đồng thời nhiệt độ trong quá trình đốt cháy cũng tăng cao, ở những dải tốc độ lớn lúc này ống xả của động cơ đã có nhiệt độ khá cao nên khi thay đổi tốc động ( thiết lập tốc độ mới cho bộ thử nghiệm ), nhiệt độ khí xả sẽ không thay đổi quá lớn so với các thông số như áp suất đường ống nạp, lưu lượng không khí đi vào
Hình 4.17 Sơ đồ nhiệt độ khí nạp Đối với sơ đồ nhiệt độ không khí nạp, ở tốc độ động cơ thấp nhiệt độ khí thả sinh ra trong quá trình đốt cháy không cao và lượng khí thải không lớn, do đó bộ turbo hoạt động không hiệu quả, không khí đi vào ống nào từ1 đường hút vào qua máy nén vào hệ thống làm mát vào ống nạp và 1 đường từ ống xả qua bộ làm mát ống xả vào ống nạp
Vì nhiệt độ khí thải sau khi qua bộ làm mát không cao khi ở tốc độ thấp, kết hợp với lượng không khí môi trường khi qua máy nén vào hệ thống làm mát làm cho nhiệt độ không
116 khí khi vào ống nạp thấp, thậm chí âm Ở những dải tốc độ cao hơn, nhiệt của khí thải sinh ra lớn hơn làm cho nhiệt độ cũng cấp cho đường ống nạp.
