NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU CHUẨN TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL AVL 5402

Với các tính năng nổi trội cả về kỹ thuật và kinh tế do hệ thống nhiên liệu điều khiển bằng điện tử đem lại, hiện nay hệ thống này đã được các hãng sản xuất động cơ hàng đầu trên thế giớ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong các công trình nào khác!

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Minh Tuấn và PGS.TS Khổng Vũ Quảng đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này

Tôi xin cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám hiệu cùng tập thể cán bộ giảng viên Trường Cao đẳng nghề kỹ thuật công nghiệp Việt Nam – Hàn Quốc đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này

và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này

Nghiên cứu sinh

Hồ Văn Đàm

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii

MỞ ĐẦU 1

i Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2

ii Phương pháp nghiên cứu 2

iii Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

iv Các nội dung chính trong đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU CHUẨN CHO ECU TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 4

1.1 Điều khiển điện tử trên các máy móc 4

1.1.1 Giới thiệu chung 4

1.1.2 Hệ thống điều khiển điện tử động cơ xăng 6

1.1.3 Hệ thống điều khiển điện tử động cơ diesel 12

1.1.4 Vai trò của bộ dữ liệu chuẩn ECU 19

1.2 Giới thiệu về xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU của động cơ đốt trong 21

1.3 Các công trình đã thực hiện trong và ngoài nước 22

1.3.1 Nghiên cứu ngoài nước 22

1.3.2 Nghiên cứu trong nước 27

1.4 Lựa chọn phương pháp, giới hạn và đối tượng nghiên cứu 27

1.5 Kết luận chương 1 28

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU CHUẨN CHO ECU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 29

2.1 Bài toán tối ưu nhiều biến đa mục tiêu trong kỹ thuật 29

2.1.1 Bài toán tối ưu tổng quát 29

2.1.2 Phân loại các bài toán tối ưu 30

2.1.3 Nội dung lấy bộ dữ liệu chuẩn 38

2.2 Mô hình hệ thống nhiên liệu động cơ đốt trong 39

2.2.1 Miền làm việc của động cơ kéo máy công tác 39

2.2.2 Mô hình tối ưu tổng quát của HTNL động cơ diesel sử dụng trên phương tiện cơ giới 40

2.2.3 Các nội dung cần thực hiện khi xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho động cơ 43

2.3 Kết luận chương 2 46

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM ĐỂ TỐI ƯU CÁC THAM SỐ TRONG QUÁ TRÌNH XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU CHUẨN 48

3.1 Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm 48

3.1.1 Vai trò của quy hoạch thực nghiệm trong nghiên cứu thử nghiệm 48

3.1.2 Đối tượng của quy hoạch thực nghiệm trong các ngành công nghiệp 49

3.1.3 Các phương pháp quy hoạch thực nghiệm 50

3.2.3 Phân tích kết quả 63

3.2.4 Giải bài toán tối ưu hoá trên phần mềm DX6 64

3.3 Thực hiện tối ưu tham số điều chỉnh động cơ 65

3.3.1 Ảnh hưởng của các tham số điều chỉnh tới các tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ sử dụng hệ thống CR 65

3.3.2 Quy trình tối ưu các tham số điều chỉnh 68

3.3.3 Tiến hành bài toán quy hoạch trực giao cấp II 69

3.4 Kết luận chương 3 70

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU CHUẨN TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL AVL 5402 71

4.1 Mục đích 71

4.2 Nội dung thử nghiệm 71

4.3 Thiết bị thử nghiệm 71

4.3.1 Giới thiệu chung 71

4.3.2 Động cơ thử nghiệm 72

4.3.3 Băng thử động cơ 74

4.3.4 Hệ thống điều khiển băng thử 75

4.4 Quy trình và điều kiện thử nghiệm 77

4.4.1 Quy trình thử nghiệm 77

4.4.2 Điều kiện thử nghiệm 78

4.5 Tiến hành thử nghiệm và kết quả 78

4.5.1 Xây dựng đường đặc tính ngoài 78

4.5.2 Xây dựng đường đặc tính không tải 86

4.5.3 Xây dựng các đường đặc tính tải 92

4.5.4 Đánh giá độ tin cậy của kết quả 98

4.6 Kết luận chương 4 100

KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 101

Kết luận chung 101

Phương hướng phát triển 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 106

PHỤ LỤC 107

Ký hiệu Diễn giải Đơn vị

HEUI Hệ thống phun nhiên liệu điện tử thủy lực (Hydraulic Electronic

MPC Điều khiển theo mô hình dự báo phi tuyến (Model Predictive

DX6 Phần mềm quy hoạch thực nghiệm -

Bảng 1.1 Độ rộng xung phun cơ bản (mili giây) theo tốc độ động cơ và tải - 20

Bảng 1.2 Các hệ số xác định từ thông số đo từ cảm biến - 21

Bảng 4.1 Bảng thông số kỹ thuật của băng thử - 71

Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của động cơ AVL 5402 - 73

Bảng 4.3 Các điểm thử nghiệm tại tốc độ 3000 v/ph - 80

Bảng 4.4 Các giá trị bj tại tốc độ 3000 v/ph - 81

Bảng 4.5 Các điểm thử nghiệm tại tốc độ 2800 v/ph - 83

Bảng 4.6 Các giá trị bj tại tốc độ 2800 v/ph - 83

Bảng 4.7 Giá trị bj ở các tốc độ khác nhau trên đường đặc tính ngoài - 84

Bảng 4.8 Giá trị mô men lớn nhất ở đường đặc tính ngoài - 85

Bảng 4.9 Các điểm thử nghiệm tại tốc độ 1000 v/ph - 87

Bảng 4.10 Các giá trị bj tại tốc độ 1000 v/ph - 87

Bảng 4.11 Các điểm thử nghiệm tại tốc độ 1200 v/ph - 89

Bảng 4.12 Các giá trị bj ở các tốc độ khác nhau trên đường đặc tính không tải - 91

Bảng 4.13 Các giá trị Gnlmin , φs và pf ở các tốc độ khác nhau trên đường đặc tính không tải - 91

Bảng 4.14 Bộ thông số φs tối ưu tại các điểm cơ sở - 94

Bảng 4.15 Bộ thông số pf tối ưu tại các điểm cơ sở - 94

Bảng 4.16 Me tối ưu tại các điểm cơ sở - 95

Bảng 4.17 Bộ thông số φs tối ưu sau khi nội suy - 95

Bảng 4.18 Bộ thông số pf tối ưu sau khi nội suy - 96

Bảng 4.19 Me tối ưu sau khi nội suy - 97

Bảng 4.20 So sánh Me giữa tính toán và thực nghiệm - 99

Hình 1.1 Sơ đồ chung một hệ thống điều khiển -4

Hình 1.2 Sơ đồ bố trí cảm biến lưu lượng khí nạp trong hệ thống EFI [11] -7

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý chung của một hệ thống phun xăng điện tử [11] -7

Hình 1.4 Thuật toán điều khiển thời gian phun nhiên liệu [10] -8

Hình 1.5 Hiệu chỉnh thời gian phun trong quá trình khởi động -8

Hình 1.6 Đặc tính hiệu chỉnh khi chạy ấm máy -9

Hình 1.7 Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun theo nhiệt độ khí nạp -9

Hình 1.8 Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun khi tăng tốc - 10

Hình 1.9 Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun khi giảm tốc - 10

Hình 1.10 Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun theo điện áp ac-qui - 11

Hình 1.11 Tỷ lệ hòa khí và đặc tính hiệu chỉnh phản hồi - 11

Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ Mitsubishi 6D1 - 12

Hình 1.13 Cơ cấu điều khiển xoay bạc xả - 13

Hình 1.14 Cấu tạo bơm cao áp Mitsubishi 6D1 - 13

Hình 1.15 Hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử 3406E trên xe Caterpillar - 14

Hình 1.16 Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu thủy lực điện tử HEUI - 15

Hình 1.17 Sơ đồ hệ thống điều khiển điện tử HEUI [14] - 16

Hình 1.18 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu tích áp - 16

Hình 1.19 Cấu tạo bơm cao áp của hệ thống nhiên liệu CR - 17

Hình 1.20 Cấu tạo vòi phun điện từ - 18

Hình 1.21 Vòi phun thạch anh (piezo injector) của Denso [40] - 18

Hình 1.22 Qui luật phun nhiên liệu - 19

Hình 1.23 Sơ đồ điều khiển thời điểm phun của ECU - 19

Hình 1.24 Mô hình mô phỏng một nơ-ron nhân tạo - 22

Hình 1.25 Sơ đồ các điểm trong vùng huấn luyện và vùng tính toán [52] - 23

Hình 1.26 Sai lệch giữa kết quả tính của mô hình và kết quả đo [52] - 23

Hình 1.27 Sai số điều khiển AFR và lượng nhiên liệu phun [53] - 24

Hình 1.28 Cấu trúc hệ FES với các bộ mờ hóa (fuzzification) và giải mờ (defuzzification) [55].- 24 Hình 1.29 Hàm với 2 thông số đầu vào và 4 thông số đầu ra [55] - 25

Hình 1.30 So sánh kết quả dự báo của mô hình FES với kết quả thực nghiệm [55] - 26

Hình 2.1 Miền làm việc của động cơ kéo máy phát điện - 39

Hình 2.2 Miền làm việc của động cơ dẫn động trực tiếp chân vịt - 40

Hình 2.3 Miền làm việc của động cơ trên các phương tiện cơ giới [3] - 40

Hình 2.4 Sơ đồ chia lưới-phân vùng làm việc của động cơ - 44

Hình 2.5 Sơ đồ xác định các điểm khảo sát - 45

Hình 2.6 Mô hình nội suy tuyến tính - 46

Hình 3.1 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu có và không có nhiễu [24, 26] - 49

Hình 3.2 Mô hình đối tượng công nghệ MIMO (nhiều vào, nhiều ra) [24] - 50

Hình 3.3 Màn hình giao diện chính của phần mềm DX6 - 62

Hình 3.4 Màn hình lựa chọn số yếu tố đầu vào và phương pháp quy hoạch thực nghiệm - 62

Hình 3.8 Dạng phương trình hồi quy tìm được - 64

Hình 3.9 Khảo sát giá trị của yếu tố đầu ra phụ thuộc các yếu tố đầu vào - 64

Hình 3.10 Kết quả giải bài toán tối ưu - 65

Hình 3.11 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp lớn tới suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ [64] - 66

Hình 3.12 Ảnh hưởng của các tham số điều chỉnh tới các tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ [65] - 67

Hình 3.13 Ảnh hưởng của áp suất phun tới chiều dài tia phun và kích thước hạt nhiên liệu [65] - 68 Hình 3.14 Lưu đồ thuật toán các bước thực hiện bài toán QHTN TG cấp II - 69

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm - 72

Hình 4.2 Mặt cắt dọc động cơdiesel 1 xy lanh AVL 5402 - - 73

Hình 4.3 Mặt cắt ngang động cơ diesel 1 xy lanh AVL 5402 - 73

Hình 4.4 Động cơ diesel 1 xy lanh AVL 5402 - 74

Hình 4.5 Băng thử lắp động cơ diesel 1 xy lanh AVL 5402 tại Phòng thí nghiệm - 74

Hình 4.6 Cấu trúc các FEM trong hệ thống PUMA - 76

Hình 4.7 Sơ đồ kết nối của hệ thống INCA - 77

Hình 4.8 Vùng làm việc của động cơ - 77

Hình 4.9 Các bước xây dựng bộ tham số (φs, pf) tối ưu - 78

Hình 4.10 Giới hạn vùng làm việc khi khảo sát đường đặc tính ngoài - 79

Hình 4.11 Thuật toán xác định bộ số liệu φs và pf tại đặc tính ngoài - 79

Hình 4.12 Mô men thể hiện theo các đường đồng mức tại tốc độ 3000 v/ph - 81

Hình 4.13 Mô men thể hiện theo không gian ba chiều tại tốc độ 3000 v/ph - 82

Hình 4.14 Mô men thể hiện theo các đường đồng mức ở tốc độ 2800 v/ph - 83

Hình 4.15 Mô men thể hiện theo không gian ba chiều tại tốc độ 2800 v/ph - 84

Hình 4.16 Bộ thông số tối ưu ở đường đặc tính ngoài - 85

Hình 4.17 Thuật toán xác định bộ số liệu φs và pf tại đặc tính không tải - 86

Hình 4.18 Giá trị Gnl thể hiện theo các đường đồng mức ở tốc độ 1000 v/ph - 88

Hình 4.19 Giá trị Gnl thể hiện theo không gian ba chiều ở tốc độ 1000 v/ph - 88

Hình 4.20 Giá trị Gnl thể hiện theo các đường đồng mức ở tốc độ 1200 v/ph - 90

Hình 4.21 Giá trị Gnl thể hiện theo không gian ba chiều ở tốc độ 1200 v/ph - 90

Hình 4.22 Bộ thông số tối ưu ở đường đặc tính không tải - 92

Hình 4.23 Các điểm cơ sở trong bài toán quy hoạch - 93

Hình 4.24 φs tối ưu theo tốc độ và tải trọng động cơ - 96

Hình 4.25 pf tối ưu theo tốc độ và tải trọng động cơ - 97

Hình 4.26 Me tối ưu theo t ốc độ và tải trọng đ ộng cơ - 98

Hình 4.27 Đặc tính toàn tải theo QHTN và đo trên băng thử - 99

MỞ ĐẦU

Tăng hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và thành phần độc hại của khí thải động cơ cùng với nâng cao tuổi thọ và giảm giá thành là những thách thức lớn và cũng là nguồn động lực cho việc phát triển các công nghệ mới trong ngành công nghiệp ôtô [35, 36] Do vậy, cùng với sự phát triển của các ngành khoa học, một số lượng lớn các nhà khoa học đã đầu tư rất nhiều thời gian, công sức tập trung nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới thân thiện với môi trường để áp dụng cho ngành công nghiệp ôtô [37] Với mục đích tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu và giảm thiểu lượng phát thải độc hại do các phương tiện giao thông gây ra

Trong thời gian qua các kết quả nghiên cứu đã thực sự đạt được những thành công và đóng góp đáng kể trong việc phát triển các công nghệ mới cho ngành công nghiệp ôtô thế giới Trong đó phải kể đến sự phát triển vượt bậc của việc ứng dụng các công nghệ điện, điện tử và điều khiển trong điều khiển các hệ thống của động cơ đốt trong, nổi trội của các ứng dụng này là hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử

Với các tính năng nổi trội cả về kỹ thuật và kinh tế do hệ thống nhiên liệu điều khiển bằng điện tử đem lại, hiện nay hệ thống này đã được các hãng sản xuất động cơ hàng đầu trên thế giới tập trung đầu tư nghiên cứu, phát triển và đưa vào ứng dụng khai thác trên các sản phẩm của mình Cùng với sự phát triển chung của nền công nghiệp ôtô thế giới, Việt Nam hiện nay cũng đã khai thác và sử dụng một lượng không nhỏ động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử Tuy nhiên công nghệ này còn tương đối mới mẻ, hơn nữa hệ thống này thường được sản xuất tách riêng bởi các hãng sản xuất chuyên nghiệp, sau đó cung cấp sản phẩm cho các hãng sản xuất động cơ Do vậy việc tiếp cận hợp tác, học hỏi và chuyển giao các công nghệ này còn rất hạn chế Chính vì vậy việc làm chủ công nghệ mới này đang là những thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu sản xuất, khai thác

sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa động cơ ở Việt Nam Hiện nay trong quá trình vận hành khai thác, sử dụng, và bảo dưỡng luôn phải cần có sự hỗ trợ kỹ thuật của chuyên gia các hãng cung cấp Đặc biệt đối với các động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu điều khiển điện

tử sau khi đại tu sửa chữa hoặc cải tiến, dẫn đến một số dữ liệu ban đầu của động cơ bị thay đổi, làm cho động cơ không đảm bảo yêu cầu làm việc tối ưu, tiêu hao nhiên liệu và phát thải vượt quá mức cho phép Từ những đặc điểm cơ bản đó, đòi hỏi cần phải có bộ dữ liệu mới cho ECU phù hợp với động cơ hiện tại, tuy nhiên đây là công việc phức tạp mà hiện nay vẫn chưa có hướng giải quyết cụ thể Chính vì vậy đã tạo ra những hạn chế không nhỏ trong quá trình khai thác, sử dụng, cải tiến, bảo dưỡng và sửa chữa các động cơ có hệ thống nhiên liệu điều khiển bằng điện tử Hơn nữa để tiến tới có nền công nghiệp riêng về động cơ ở Việt Nam theo quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ôtô Việt Nam đến năm

2010, tầm nhìn 2020 theo Quyết định 177/2004/QĐ-TTg, thì động cơ phải đạt tỷ lệ sản xuất trong nước 50% Cùng với yêu cầu khí thải của ô tô, xe mô tô theo Quyết định số 49/2011/QĐ-TTg ngày 1/9/2011 lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải đối với xe ô tô, xe mô

tô hai bánh sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới.Thực tế đó đòi hỏi phải chú trọng quan tâm nghiên cứu - phát triển hơn nữa về ứng dụng điện tử trên động cơ hiện đại

Động cơ diesel với ưu điểm có tính kinh tế cao chiếm tỷ lệ ngày càng lớn trong tổng các loại động cơ Động cơ diesel hiện nay ngày càng hiện đại với hệ thống nhiên liệu CR (common rail) điều khiển điện tử được áp dụng rộng rãi từ động cơ cỡ lớn (tĩnh tại, tàu thủy) đến cỡ trung (ôtô) và cỡ nhỏ (máy kéo, máy nông nghiệp, gia dụng…) Để từng bước làm chủ công nghệ tiên tiến, trong thời gian qua nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống nhiên liệu này đã được các nhà khoa học Việt Nam đầu tư nghiên cứu và đạt được những thành công nhất định [1-6] Tuy nhiên, các công trình này mới bước đầu đề cập đến phần cứng mà chưa đề cập nhiều đến phần mềm của hệ thống điều khiển

Đối với máy móc có điều khiển điện tử nói chung và động cơ đốt trong có hệ thống nhiên liệu điện tử nói riêng đều có bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit) Trong hệ thống HTNL ĐKĐT thì ECU là bộ não điều khiển mọi hoạt động của hệ thống và toàn bộ động cơ Cơ sở để ECU hoạt động là bộ dữ liệu các tham số điều chỉnh được xây dựng trong quá trình nghiên cứu-phát triển động cơ, gọi là bộ dữ liệu chuẩn, được tích hợp trong ECU Tuy nhiên, phương pháp xây dựng bộ dữ liệu chuẩn thường là bí quyết công nghệ của nhà sản xuất nên không được công bố và rất khó tiếp cận và cũngchưa có tài liệu nào hướng dẫn xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU nói chung và động cơ đốt trong nói riêng

Với tính cấp thiết như đã trình bày ở trên, tác giả thực hiện luận án Tiến sĩ của mình với đề tài: “Nghiên cứu xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU hệ thống nhiên liệu động

 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Động cơ diesel có hệ thống nhiên liệu CR được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu

Cụ thể nghiên cứu hệ thống nhiên liệu CR sử dụng trên động cơ nghiên cứu AVL 5402 Các nội dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện tại Phòng thử động cơ một xylanh thuộc Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Phương pháp nghiên cứu thực hiện trên cơ sở kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và thực nghiệm, trong đó lý thuyết quy hoạch thực nghiệm được sử dụng xuyên suốt trong nghiên cứu Sử dụng phương pháp tối ưu để xây dựng mô hình và xây dựng quy trình tối ưu hóa các tham số trong hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử động cơ diesel Chạy thực nghiệm

trên băng thử để tối ưu các tham số trong hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử động cơ diesel

iii Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đây có thể coi là lần đầu tiên sử dụng phương pháp xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU của động cơ đốt trong ở Việt Nam Luận án đưa ra một cách hệ thống về phương pháp tối ưu hóa các tham số điều khiển trong hệ thống nhiên liệu có điều khiển điện tử của động cơ

Các kết quả của luận án có thể dùng làm tài liệu tham khảo trong việc nghiên cứu

phát triển động cơ có hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử Hơn nữa các kết quả này có

thể sử dụng trong công tác đào tạo chuyên sâu về chuyên ngành động cơ đốt trong

Trên cơ sở các kết quả đạt được của luận án, các nhà sản xuất và khai thác sẽ chủ

động trong sử dụng bảo dưỡng, thay thế phụ tùng các động cơ có hệ thống nhiên liệu điều khiển bằng điện tử Hơn nữa, luận án đóng góp bước đầu hướng tới cho việc chủ động tự sản xuất bộ điều khiển điện tử cho động cơ đốt trong tương lai của ngành công nghiệp ôtô

Việt Nam

iv Các nội dung chính trong đề tài

Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần như sau:

 Mở đầu

 Chương 1 Tổng quan về xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU trên động cơ đốt trong

 Chương 2 Cơ sở lý thuyết xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU động cơ đốt trong

 Chương 3 Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm để tối ưu các tham số trong quá trình xây dựng bộ dữ liệu chuẩn

 Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng bộ dữ liệu chuẩn trên động cơ diesel AVL 5402

 Kết luận chung và phương hướng phát triển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU CHUẨN CHO ECU TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Điều khiển điện tử hiện nay là một phương pháp hết sức phổ biến trong mọi lĩnh vực

kỹ thuật của thế giới hiện đại Điều khiển điện tử thực chất là một công nghệ tích hợp của nhiều công nghệ truyền thống khác nhau trong một thể thống nhất, các sản phẩm điều khiển điện tử trước hết phải bắt nguồn từ những thiết kế tối ưu với cấu trúc và nguyên lý hoạt động của nó Các bộ phận cấu thành như modul cơ khí, điện và điện tử, khí nén và thuỷ lực cũng như các phần tử điều khiển (Sensor: cảm biến, Actuator: bộ chấp hành), các phần mềm tin học trong một đơn vị sản phẩm phải có ảnh hưởng lẫn nhau tạo nên thể thống nhất hữu cơ Trong chương này sẽ khái quát về sự điều khiển điện tử ở động cơ đốt trong gồm: động xăng và động cơ diesel Đồng thời nêu lên những đặc điểm, phương pháp xây dựng bộ dữ liệu cho bộ phận điều khiển điện tử ở động cơ đốt trong

1.1 Điều khiển điện tử trên các máy móc

1.1.1 Giới thiệu chung Điều khiển là tập hợp tất cả các tác động có mục đích nhằm điều khiển một quá trình này hay quá trình kia theo một quy luật hay một chương trình cho trước Quá trình điều khiển hoặc điều chỉnh được thực hiện mà không có sự tham gia trực tiếp của con người, thì chúng ta gọi đó là quá trình điều khiển và điều chỉnh tự động Tập hợp tất cả các thiết bị

mà nhờ đó quá trình điều khiển được thực hiện gọi là hệ thống điều khiển [7, 8]

Một hệ thống điều khiển được thể hiện ở Hình 1.1, thường bao gồm ba thành phần cơ bản là bộ điều khiển (ECU - Electronic Control Unit), đối tượng điều khiển (máy công tác)

và các cảm biến Việc điều khiển hệ thống cần thực hiện thông qua các thông số đầu vào I, còn ECU điều khiển máy công tác thông qua các thông số điều khiển và các tham số điều chỉnh II Để phục vụ cho việc điều khiển cần lấy các tín hiệu phản hồi từ máy công tác trở

về ECU thông qua các cảm biến Các thông số đầu ra của hệ thống thể hiện trong nhóm III

Hình 1.1 Sơ đồ chung một hệ thống điều khiển

Các thông số vào hệ thống thể hiện trong nhóm I (x1, x2,…xn) xác lập chế độ làm việc của máy công tác, ví dụ như ở động cơ đốt trong là vị trí cơ cấu điều khiển nhiên liệu, mô men cản… Các thông số điều khiển và điều chỉnh máy công tác được thể hiện trong nhóm

II (u) Trong nhóm này lại có thể chia thành các thông số điều khiển và các tham số điều chỉnh với bộ dữ liệu chuẩn Các thông số điều khiển, biểu thị trong nhóm u1, ví dụ đối với động cơ đốt trong là lượng nhiên liệu phun (thời gian mở vòi phun…) hay hệ số dư lượng không khí l… là các thông số được ECU tính toán để cụ thể hóa chế độ làm việc động cơ sau khi được xác lập bởi các thông số đầu vào đã nói ở trên Còn các tham số điều chỉnh, thể hiện trong nhóm u2, là bộ dữ liệu chuẩn của ECU để điều chỉnh máy công tác hoạt động nhằm đạt được những mục tiêu nhất định gọi là điều kiện ràng buộc đối với các thông

số đầu ra III (y1, y2 yn) Lấy ví dụ đối với động cơ diesel, bộ dữ liệu chuẩn là bộ dữ liệu góc phun sớm, áp suất phun, chế độ phun (phun nhiều giai đoạn)… nhằm đạt giá trị tối ưu

về mômen, suất tiêu hao nhiên liệu, chất lượng khí thải, độ rung ồn… trong miền làm việc của động cơ

Tính toán các thông số điều khiển dựa trên các thông số xác lập chế độ làm việc của máy Đối với động cơ đốt trong, từ vị trí của cơ cấu điều khiển nhiên liệu và tốc độ vòng quay, ECU sẽ tính toán lượng nhiên liệu cơ bản cho một chu trình Đối với động cơ phun xăng [1, 9, 10], lượng xăng cơ bản được tính toán dựa vào lưu lượng khí nạp và ràng buộc

về hệ số dư lượng không khí l (theo đặc tính điều chỉnh để đạt ge hay yêu cầu l = 1 khi động cơ có bộ xử lý xúc tác khí thải ba thành phần) Ngoài ra ECU còn dựa vào bộ dữ liệu điều chỉnh để bổ sung một lượng nhiên liệu phun hiệu chỉnh tùy thuộc vào chế độ đặc biệt như khởi động, hâm nóng máy, tăng tốc… Đối với động cơ diesel cũng tương tự, từ vị trí

cơ cấu điều khiển nhiên liệu và tốc độ vòng quay, ECU tính ra lượng nhiên liệu chu trình

cơ bản gct và cũng bổ sung thêm một lượng tùy thuộc vào các chế độ đặc biệt như trên [34, 40]

Bộ dữ liệu chuẩn điều chỉnh cần phải thiết lập trên máy thực ở các chế độ khác nhau trong miền làm việc của nó và nạp vào ECU Đối với động cơ đốt trong, việc này được tiến hành trong phòng thí nghiệm trên băng thử động cơ trong quá trình nghiên cứu-phát triển Tuy nhiên hiện nay chưa có tại liệu nào nói về việc xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU Đây chính là đối tượng nghiên cứu của luận án

Khi máy móc hoạt động (khi đó trong ECU đã có tất cả các dữ liệu cần thiết cho điều khiển u1 và điều chỉnh u2), từ các thông số xác lập chế độ làm việc, ECU tính toán ra u1.Từ các thông số vào và tín hiệu phản hồi qua các cảm biến thì ECU gọi ra và tính toán giá trị các tham số điều chỉnh u2 để điều hành hoạt động của máy Việc này được thực hiện theo

lý thuyết nhận dạng của quá trình điều khiển [8]

Quá trình điều khiển trong hệ thống được thực hiện trên cơ sở một trong ba nguyên tắc cơ bản sau: điều khiển theo sai lệch, điều khiển theo phương pháp bù nhiễu, điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu Khi điều khiển theo sai lệch, tín hiệu ra được đưa vào so sánh với tín hiệu vào nhằm tạo nên tín hiệu tác động lên đầu vào bộ điều khiển nhằm tạo tín hiệu điều khiển đối tượng Nguyên tắc điều khiển bù nhiễu là sử dụng một thiết bị bù để

giảm ảnh hưởng của nhiễu là nguyên nhân trực tiếp gây ra hậu quả cho hệ thống Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp là phối hợp cả hai nguyên tắc trên, vừa có hồi tiếp theo sai lệch vừa dùng các thiết bị để bù nhiễu [38, 39]

Các hệ thống điều khiển tự động cũng còn thường được phân loại theo nguyên lý xây dựng hệ thống: điều khiển mạch vòng hở và điều khiển mạch vòng kín Trong đó, hệ thống điều khiển mạch kín với ưu điểm tự điều chỉnh và thích nghi với các điều kiện bên ngoài thay đổi đang chiếm ưu thế và được sử dụng rộng rãi hơn Cụ thể nghiên cứu với hai loại động cơ chính là động cơ xăng và động cơ diesel, cả hai loại ngày càng được điện tử hoá điều khiển để đáp ứng yêu cầu đối với động cơ hiện đại, được trình bày ở các phần sau Quá trình điều khiển trình bày tóm tắt ở trên thuộc lĩnh vực chuyên sâu của chuyên ngành Điều khiển tự động, không phải là đối tượng nghiên cứu của luận án

1.1.2 Hệ thống điều khiển điện tử động cơ xăng

1.1.2.1 Khái niệm và phân loại

Động cơ xăng được trang bị điều khiển điện tử từ rất sớm vào những năm 70 của thế

kỷ 20 và nay rất phổ biến đối với hầu hết dải công suất Hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ xăng, hay thực chất là hệ thống điều khiển phun xăng điện tử (EFI - Electronic Fuel Injection), bao gồm một bộ điều khiển điện tử (ECU), các cảm biến và cơ cấu chấp hành Các cảm biến có nhiệm vụ ghi nhận các thông số, trạng thái hoạt động của động cơ làm các giá trị đầu vào (hoặc so sánh) của hệ thống điều khiển ECU so sánh các giá trị đầu vào này với các giá trị tối ưu ghi sẵn trong bộ nhớ, tính toán và đưa ra các thông số điều khiển phù hợp cho cơ cấu chấp hành (vòi phun, hệ thống đánh lửa )

Hệ thống phun xăng điện tử có thể được phân loại theo số vòi phun (số điểm phun), theo nguyên lý điều khiển quá trình phun, hay theo nguyên lý đo lưu lượng khí nạp… Khi phân loại theo số vòi phun, có thể chia thành hệ thống phun xăng đơn điểm (SPI

- Single-Point Injection) và hệ thống phun xăng đa điểm (MPI - Multi-Point Injection) Hệ thống phun xăng đơn điểm là hệ thống chỉ dùng một vòi phun trung tâm để phun xăng vào đường nạp trước bướm ga và tạo thành khí hỗn hợp trên đường nạp Hệ thống này được dùng cho động cơ công suất nhỏ do cấu tạo đơn giản và giá thành thấp Hệ thống phun xăng đa điểm dùng nhiều vòi phun, mỗi xilanh được cung cấp nhiên liệu bởi một vòi phun riêng biệt, xăng được phun vào đường nạp ở vị trí gần xupáp nạp hoặc phun xăng trực tiếp vào buồng cháy Hệ thống phun xăng đa điểm có nhiều ưu điểm như đạt tính kinh tế cao và giảm thiểu ô nhiễm môi trường nên hiện nay được sử dụng trên hầu hết các dòng xe hiện đại [9÷11]

Khi phân loại theo phương pháp đo lưu lượng khí nạp, có thể chia thành 2 loại: L-EFI

và D-EFI L-EFI sử dụng cảm biến lưu lượng khí nạp để đo lượng không khí đi vào đường ống nạp Có hai phương pháp đo: loại thứ nhất đo trực tiếp khối lượng không khí nạp và loại thứ hai tính toán khối lượng không khí nạp nhờ đo sự thay đổi về thể tích không khí (cảm biến loại cánh trượt), nhiệt độ (cảm biến nhiệt điện trở), hay tần số xung (cảm biến

xoáy Karman) bên trong buồng đo Trong khi đó, D-EFI dùng cảm biến đo áp suất chân

không trên đường ống nạp, qua đó tính toán khối lượng không khí nạp theo tỷ trọng của không khí nạp bằng cảm biến áp suất tuyệt đối (MAP - Manifold Absolute Pressure) Các

sơ đồ bố trí cảm biến khí nạp được trình bày trên Hình 1.2

1.1.2.2 Cấu trúc hệ thống phun xăng điện tử

a) Sơ đồ nguyên lý chung

Sơ đồ một hệ thống phun xăng điện tử điển hình như thể hiện trên Hình 1.3 Các bộ phận chính trong hệ thống gồm có: ECU động cơ, các cảm biến (lưu lượng khí nạp, vị trí góc quay trục khuỷu, vị trí trục cam, vị trí bướm ga, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ nước làm mát, cảm biến oxi,…) [11]

Có thể chia một hệ thống phun xăng điện tử như trên thành 3 khối: khối cấp không khí, khối cấp nhiên liệu và khối điều khiển điện tử Hệ thống hoạt động cơ bản như sau, từ

vị trí bướm ga và tốc độ động cơ, các cảm biến nhận thông tin và gửi đến ECU ECU sẽ so

Hình 1.2 Sơ đồ bố trí cảm biến lưu lượng khí nạp trong hệ thống EFI [11]

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý chung của một hệ thống phun xăng điện tử [11]

sánh với bộ dữ liệu điều khiển và tính toán đưa ra tín hiệu điều khiển thời gian mở vòi phun để điều khiển lượng xăng phun cho phù hợp với chế độ làm việc của động cơ Ngoài

ra, từ bộ dữ liệu chuẩn ECU còn điều chỉnh góc đánh lửa sớm, hệ số dư lượng không khí l để động cơ làm việc tối ưu Khi nhận được tín hiệu vòi phun mở, xăng có áp suất cao

do bơm xăng tạo ra thường trực tại ống phân phối được phun vào đường nạp kết hợp với không khí tạo thành hỗn hợp

b) Điều khiển phun trong hệ thống phun xăng điện tử Lượng nhiên liệu phun được ECU điều khiển thông qua thời gian phun nhiên liệu - là tổng của thời gian phun nhiên liệu cơ bản (tb) và thời gian phun hiệu chỉnh (tc) Thời gian phun nhiên liệu cơ bản được tính toán theo lượng khí nạp đo được và tốc độ động cơ Thời gian phun hiệu chỉnh dùng để hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun ở các chế độ làm việc khác nhau của động cơ như khởi động, chạy ấm máy, tăng tốc, giảm tốc,… Lưu đồ thuật toán điều khiển thời gian phun được thể hiện ở Hình 1.4 Các chế độ hiệu chỉnh phun có thể tóm tắt như sau [10]

c) Chế độ khởi động

Để nâng cao khả năng khởi động, giúp động cơ hoạt động ổn định trong một khoảng thời gian nhất định sau khi khởi động thì hỗn hợp cần được làm đậm Do rất khó xác định chính xác lượng khí nạp ở chế độ khởi động

và tốc độ động cơ thay đổi lớn nên ECU lấy thời gian phun cơ bản (ứng với nhiệt độ động cơ) cộng thêm thời gian hiệu chỉnh theo điện

áp ắc quy để tạo ra thời gian phun thực tế ti

[10], thể hiện trên Hình 1.5

Hình 1.4 Thuật toán điều khiển thời gian phun nhiên liệu [10]

Hình 1.5 Hiệu chỉnh thời gian phun trong

quá trình khởi động

Tỷ lệ hòa khí ở chế độ này thường rất đậm (λ = 0,4 ÷ 0,8) tùy theo nhiệt độ động cơ

Ở chế độ khởi động, tín hiệu từ cực ST của khóa điện được gửi đến ECU để nhận biết động

cơ đang khởi động, ngoài ra tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ động cơ cũng được gửi tới để xác định nhiệt độ động cơ

d) Chạy ấm máy

Để rút ngắn thời gian hâm nóng máy, lượng nhiên liệu phun được tăng lên khi nhiệt

độ động cơ thấp Tuy nhiên tỷ lệ làm đậm sẽ giảm xuống khi tiếp điểm không tải ở cảm

biến bướm ga đóng, như thể hiện trên Hình 1.6

Sau thời gian khởi động động cơ, ECU xác định thời gian phun theo biểu thức:

ti = tb + tc + taq

Trong đó, thời gian phun chính tb được tính toán theo tín hiệu lượng không khí nạp và tốc độ của động cơ; thời gian phun hiệu chỉnh tc căn cứ theo nhiệt độ động cơ, lượng khí nạp, cảm biến bướm ga; taq thời gian hiệu chỉnh theo điện áp ắc quy

e) Hiệu chỉnh theo nhiệt độ khí nạp Khi nhiệt độ khí nạp giảm, mật

độ không khí tăng dẫn đến lượng không khí thực đi vào xilanh động cơ tăng lên Do đó cần hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun tăng lên khi nhiệt độ khí nạp thấp và ngược lại, thể hiện trên Hình 1.7 Việc hiệu chỉnh này được thực hiện với tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ khí nạp gửi về ECU

Hình 1.6 Đặc tính hiệu chỉnh khi chạy ấm máy

Hình 1.7 Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun theo nhiệt độ khí nạp

g) Chế độ tăng tốc

Ở chế độ tăng tốc, đặc biệt khi bắt đầu tăng tốc, hòa khí quá nhạt do nhiên liệu chưa kịp bổ sung trong khi lượng khí nạp tăng nhanh do bướm ga thay đổi đột ngột Vì vậy, để động cơ có thể tăng tốc tốt thì cần phải tăng lượng nhiên liệu phun (thời gian phun) tương ứng với lượng không khí nạp, thể hiện trên Hình 1.8 Mức độ tăng tốc được xác định bằng tốc độ thay đổi độ mở bướm ga Lượng hiệu chỉnh sẽ tăng lên nhanh khi mới tăng tốc và sau đó giảm dần cho đến khi quá trình tăng tốc kết thúc, tăng tốc càng nhanh thì lượng nhiên liệu phun nhiên liệu càng lớn.

f) Chế độ tải cao Khi bướm ga mở lớn hơn 50° ÷ 60° so với vị trí đóng, nghĩa là động cơ hoạt động ở chế độ tải lớn đến toàn tải thì lượng nhiên liệu phun cần phải được tăng lên Do vậy, ECU

sẽ thu nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí bướm ga để nhận biết độ mở của bướm ga và quyết định điều chỉnh tăng thời gian phun phù hợp

h) Chế độ giảm tốc Khi động cơ làm việc ở chế độ không tải cưỡng bức, việc phun nhiên liệu sẽ bị ngừng lại, tạo nên khí thải sạch và tiết kiệm nhiên liệu Tuy nhiên nếu nhiệt độ động cơ thấp thì tốc độ vòng quay cắt nhiên liệu sẽ tăng lên để ngăn ngừa hiện tượng động cơ chạy không ổn định, như thể hiện trên Hình 1.9

Các tín hiệu được gửi đến ECU từ cuộn dây đánh lửa sơ cấp để nhận biết tốc độ động cơ; từ cảm biến vị trí bướm ga để nhận biết độ mở của bướm ga mở lớn hơn 1,5° so với vị trí đóng và tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ động cơ để nhận biết nhiệt độ động

cơ

Hình 1.8 Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun khi tăng tốc

Hình 1.9 Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên liệu

phun khi giảm tốc

k) Hiệu chỉnh theo điện áp ắc qui Khi ECU tính toán thời gian phun và sau đó gửi tín hiệu tới vòi phun thì sẽ có mộtkhoảng thời gian trễ nhỏ từ khi gửi tín hiệu cho đến khi vòi phun mở Thời gian trễ sẽ tăng khi điện áp ac-qui giảm và như vậy thời gian phun thực tế giảm, hỗn hợp sẽ nhạt hơn Do vậy thời gian phun phải được hiệu chỉnh thêm, thể hiện trên Hình 1.10

l) Hiệu chỉnh tỷ lệ nhiên liệu theo tín hiệu phản hồi ECU hiệu chỉnh khoảng thời gian phun dựa trên các tín hiệu từ cảm biến ôxy (cảm biến λ) nhằm duy trì tỷ lệ hỗn hợp trong khoảng hẹp gần với tỷ lệ hòa khí lý thuyết, để bộ xúc tác khí thải ba thành phần hoạt động với hiệu suất cao ECU nhận tín hiệu từ cảm biến lambda và hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun nhiên liệu cho phù hợp, thể hiện ở Hình 1.11 Hiệu chỉnh phản hồi không được thực hiện ở các chế độ như khi cắt nhiên liệu, trong khi khởi động, quá trình làm đậm hỗn hợp sau khi khởi động, quá trình làm đậm khi tăng tốc và khi nhiệt độ động cơ dưới mức quy định

Hình 1.10 Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun theo điện áp ac-qui

Hình 1.11 Tỷ lệ hòa khí và đặc tính hiệu chỉnh phản hồi

1.1.3 Hệ thống điều khiển điện tử động cơ diesel

1.1.3.1 Khái niệm và phân loại

Hệ thống điều khiển điện tử (ĐKĐT) động cơ diesel (EDC - Electronic Diesel Control), tương tự như hệ thống ĐKĐT động cơ xăng, được tích hợp vào động cơ nhằm tăng công suất, giảm độ ồn, giảm phát thải độc hại và tăng tính kinh tế nhiên liệu

Hệ thống EDC hiện đã được áp dụng cho tất cả các hệ thống nhiên liệu (HTNL) của động cơ diesel: bơm dãy (PE), bơm phân phối (VE, VR), cụm bơm-vòi phun, và hệ thống bơm tích áp (CR) Mặc dù các hệ thống phun nhiên liệu nêu trên có nguyên lý hoạt động khác nhau, được lắp trên các loại phương tiện khác nhau nhưng chúng đều có chung dạng

hệ thống điều khiển EDC [12, 13] Sau đây chúng ta sẽ lần lượt điểm qua các hệ thống ĐKĐT trên động cơ diesel

1.1.3.2 Hệ thống điều khiển trên bơm dãy (bơm Bosch)

Hệ thống điều khiển điện tử loại này có thể tự động điều chỉnh góc phun sớm cho phù hợp với các trạng thái làm việc của động cơ, đồng thời cho phép cài đặt để giới hạn tốc độ cực đại và tắt máy bằng động cơ điện Hình 1.12 dưới đây thể hiện sơ đồ hệ thống điện tử điều khiển góc phun sớm của động cơ Mitsubishi 6D1 [14]

1 Công tắc khởi động; 2 Hộp cầu chì và rơ le; 3 Công tắc chẩn đoán; 4 Công tắc xoá mã lỗi; 5 Đầu nối chẩn đoán; 6 Máy phát điện; 7 Cảm biến nhiệt độ nước; 8 Mô tơ bước; 9 Cảm biến vị trí thanh răng; 10 Cảm biến tốc độ động cơ; 11 Bộ điều chỉnh thời điểm phun kiểu cơ khí;

12 Bơm cao áp; 13 Bộ điều tốc cơ khí; 14 Bảng đồng hồ; 15 Đèn báo chẩn đoán; 16 Đồng hồ tốc độ; 17 Khối điều khiển điện tử

A Tín hiệu khởi động; B Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát; C Tín hiệu đầu cuối máy phát;

D Tín hiệu vòng quay động cơ; E Tín hiệu vị trí thanh răng; F Tín hiệu vị trí bắt đầu cấp nhiên liệu; G Tín hiệu kích hoạt mô tơ bước; H Tín hiệu đèn check; J Tín hiệu đồng hồ tốc độ; L Tín hiệu xoá mã lỗi; K Tín hiệu chẩn đoán.

Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ Mitsubishi 6D1

Mô-tơ bước (8) làm dịch chuyển bạc xả được điều khiển tự động nhờ bộ điều khiển điện tử (17), do đó cho phép chọn được góc phun sớm phù hợp với mọi chế độ hoạt động của động cơ Góc phun sớm tốt nhất ở từng chế độ làm việc được nhà chế tạo xây dựng trước từ hàng loạt thử nghiệm trên băng thử Qua đó, các thông số chuẩn được lập thành các bản đồ (map) điều khiển và nạp vào bộ vi xử lý Các tham số chính để xây dựng bản đồ điều khiển là tín hiệu khởi động A, tốc độ động cơ D, vị trí thanh răng E, nhiệt độ động cơ

B Khi động cơ làm việc, bộ vi xử lý sẽ nhận các tín hiệu trên từ các cảm biến, so sánh với thông số chuẩn và từ đó điều khiển cơ cấu dịch chuyển bạc xả trên bơm cao áp để thay đổi góc phun sớm theo map đã có sẵn

Cơ cấu điều khiển xoay bạc xả thể hiện trên Hình 1.13 Mô tơ bước (1) điều khiển trục xoay (2), thông qua chốt gạt (9) làm bạc (4) đi lên hoặc xuống tuỳ theo chiều quay của trục Nếu dịch chuyển bạc xả lên trên so với vị trí ban đầu, thời điểm bắt đầu cấp nhiên liệu sẽ muộn hơn do pít-tông phải đi tiếp mới đóng được lỗ nạp và ngược lại

Cấu tạo cụm bơm cao áp Mitsubishi 6D1

và các bộ phận trong hệ thống điều khiển thay đổi góc phun sớm lắp trên bơm được thể hiện trên Hình 1.14

Hình 1.14 Cấu tạo bơm cao áp Mitsubishi 6D1

1 Thanh răng; 2 Cần điều khiển bạc xả; 3 Bạc xả; 4 Xilanh; 5 Răcco dầu; 6 Van triệt áp

7 Bi; 8 Lò xo; 9 Kim van triệt áp; 10 Chốt; 11 Thân bơm; 12 Piston; 13 Lò xo bơm cao áp; 14 Con đội; 15 Trục cam; 16 Bộ điều khiển phun sớm; 17 Cơ cấu truyền động; 18 Cảm biến vị trí bạc xả; A Cảm biến vị trí thanh răng; B Cảm biến tốc độ động cơ; C Bộ điều khiển phun sớm cơ khí; D Bộ điều tốc cơ khí

Hình 1.13 Cơ cấu điều khiển xoay bạc xả

1 Mô tơ bước; 2 Trục xoay; 3 Xy lanh;

4 Bạc xả; 5 Lỗ xả; 6 Piston; 7 Lỗ nạp;

8 Đường dầu; 9 Chốt gạt

1.1.3.3 Hệ thống điều khiển trên cụm bơm - vòi phun

Sơ đồ hệ thống nhiên liệu kiểu cụm bơm - vòi phun trên xe Caterpillar 3406E thể hiện trên Hình 1.15 Hệ thống này kết hợp giữa điều khiển bằng cơ khí và điều khiển bằng điện

tử các tổ bơm - vòi phun liền khối bố trí trên từng xilanh động cơ Phần truyền động cơ khí thực hiện nhiệm vụ nén pít tông bơm cao áp (8), gồm các bộ phận: trục cam (1), con đội con lăn (2), đũa đẩy (4), đòn bẩy (6) Hệ thống điều khiển điện tử với module điều khiển động cơ (ECM - Engine Control Module) sẽ cấp tín hiệu ra điều khiển van điện từ (7) thực hiện cấp nhiên liệu từ bơm cao áp xuống vòi phun

Nguyên lý hoạt động của bơm như sau: Van điện từ (11) có tác dụng chặn hoặc mở thông đường dầu cao áp trong bơm pít tông (3) với đường dầu thấp áp (10) Khi bơm cao

áp được cam nén xuống, ECM sẽ điều khiển van (11) đóng, do đó nhiên liệu cao áp sẽ theo đường dẫn xuống vòi phun (6) và phun vào xilanh Khi van (11) được ECM điều khiển

mở, nhiên liệu cao áp sẽ qua van về đường (10), quá trình phun kết thúc Như vậy thời điểm bắt đầu phun được quyết định bởi thời điểm đóng van, thời gian đóng van dài hay ngắn sẽ cho phép luợng nhiên liệu phun vào xilanh là nhiều hay ít Căn cứ vào thông tin thu nhận từ các cảm biến, bộ ECM sẽ điều khiển van đóng mở hợp lý, cho phép động cơ làm việc một cách tối ưu

Một kết cấu bơm - vòi phun khác sử dụng trên các xe Carterpillar là hệ thống phun nhiên liệu điện tử thủy lực (HEUI - Hydraulic Electronic Unit Injector) Điểm khác biệt cơ

Hình 1.15 Hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử 3406E trên xe Caterpillar

a Hệ thống nhiên liệu kiểu cụm bơm; b Sơ đồ nguyên lý làm việc của một tổ bơm

1 Trục cam; 2 Con đội con lăn;

3 Đường dầu bôi trơn;

4 Đũa đẩy; 5 Đầu đòn bẩy;

6 Đòn bẩy; 7 Van điện từ;

8 Bơm - vòi phun.

1 Lò xo; 2 Pít tông bơm cao áp; 3 Xilanh bơm;

4 Vòng đệm kín trên; 5 Vòng đệm kín dưới;

6 Kim phun; 7 Thân; 8 Tấm cách;

9 Lò xo kim phun; 10 Đường dầu cung cấp thấp áp;

11 Van điện từ; 12 Đầu nối ECM.

b) a)

bản của hệ thống này với hệ thống bơm - vòi phun đã mô tả ở trên là sử dụng dầu bôi trơn

có áp suất cao (dầu kích hoạt) để nén pít tông bơm cao áp, đưa nhiên liệu qua vòi phun, phun vào xilanh động cơ Việc thay đổi thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu cũng như lượng nhiên liệu phun được quyết định bởi thời điểm và thời gian mở van đưa dầu vào nén pít tông bơm cao áp Sơ đồ hệ thống HEUI thể hiện trên Hình 1.16

Kết cấu và nguyên tắc hoạt động của các cụm trong hệ thống HEUI như sau:

- Cụm dầu kích hoạt bơm phun: Dầu máy từ các te 1, qua bộ lọc và làm mát 2, vào

bơm dầu tăng áp 3 Dầu qua bơm có áp suất cao (dầu kích hoạt), được đưa tới đường ống 6

và chờ sẵn trước cửa van dầu của từng bơm phun 8

- ECM 5 điều khiển mở van dầu, dầu kích hoạt sẽ nén pít tông bơm nhiên liệu phun vào xy lanh Áp suất dầu kích hoạt được đo bằng cảm biến áp suất 4 và được điều chỉnh bởi một van xả nằm trong khối bơm dầu 3

Cụm cung cấp nhiên liệu thấp áp: Trên cụm bơm 3 có gắn bơm nhiên liệu thấp áp để

hút nhiên liệu từ thùng 9; Nhiên liệu qua bộ lọc tinh và tách hơi 7 đi đến đường dầu vào của các bơm phun 8, sau đó trở về thùng dầu

Cụm bơm cao áp - vòi phun: Đây là loại bơm cao áp kiểu bơm vòi phun liền khối,

mỗi xilanh có một bơm phun

Hệ thống điều khiển điện tử ECM: Thông tin đầu vào ECM lấy từ các cảm biến: vị trí

chân ga, tốc độ động cơ, điểm chết trên máy 1, áp suất khí tăng áp, áp suất dầu kích hoạt,

áp suất nhiên liệu, áp suất khí quyển, nhiệt độ dầu, nhiệt độ nhiên liệu, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ làm mát, mức dung dịch làm mát Thông tin đầu ra ECM điều khiển các bộ phận: van xả trên đường dầu kích hoạt, van đưa dầu kích hoạt vào các bơm vòi phun, công tắc tắt máy, bộ điều khiển chạy chậm, điều khiển quạt gió làm mát, bộ sấy nóng nước làm mát khi trời lạnh, đèn báo nguy, đèn chẩn đoán Sơ đồ hệ thống điều khiển điện tử HEUI cho trên Hình 1.17 [14]

Hình 1.16 Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu thủy lực điện tử HEUI

1 Các te dầu; 2 Bình lọc dầu; 3 Khối bơm dầu và bơm nhiên liệu; 4 Cảm biến áp suất dầu;

5 Bộ điều khiển điện tử; 6 Đường dầu áp suất cao để nén pít tông bơm cao áp; 7 Bình lọc

nhiên liệu; 8 Các bơm vòi phun liền khối; 9 Thùng nhiên liệu diesel

1.1.3.4 Hệ thống nhiên liệu tích áp (CR)

Hệ thống nhiên liệu tích áp (CR) [12, 13, 40] được hãng Bosch đưa ra thị trường lần đầu vào năm 1997 Sau đó, nhiều nhà máy sản xuất ôtô lớn đã đón nhận và ứng dụng trên nhiều dòng xe của mình Tính đến nay, số lượng xe sử dụng hệ thống nhiên liệu tích áp trên thế giới đã trên 40 triệu chiếc Với yêu cầu ngày càng gắt gao về vấn đề môi trường và lượng nhiên liệu tiêu thụ thì hệ thống nhiên liệu tích áp là một trong các lựa chọn phù hợp

Hình 1.18 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu tích áp Hình 1.17 Sơ đồ hệ thống điều khiển điện tử HEUI [14]

Hình 1.18 trình bày sơ đồ hệ thống nhiên liệu CR dùng cho xe con Nhiên liệu diesel được bơm chuyển từ thùng chứa qua lọc đến bơm cao áp Nhiên liệu sau bơm cao áp đạt tới 1800 bar hoặc hơn nữa theo đường ống cao áp dẫn tới bình tích áp Sau đó nhiên liệu áp suất cao được đưa sẵn đến vòi phun Tùy thuộc vào vị trí cơ cấu điều khiển nhiên liệu (chân ga) và tốc độ động cơ, các cảm biến nhận thông tin và gửi đến ECU, sau đó ECU sẽ

so sánh với bộ dữ liệu điều khiển và đưa ra tín hiệu điều khiển thời gian mở vòi phun, phun nhiên liệuvào xilanh Đồng thời, ECU dựa trên bộ dữ liệu chuẩn điều khiển áp suất phun

pf, góc phun sớm s, chế độ phun (phun mồi, phun sau) để động cơ làm việc tối ưu.Các bộ phận trong hệ thống nhiên liệu

tích áp bao gồm bình tích áp, bơm nhiên liệu thấp áp, bơm nhiên liệu cao áp, và vòi phun Bình tích áp có dạng ống hình vuông hoặc tròn và có thể tích phù hợp Bình có nhiệm vụ tích trữ nhiên liệu với áp suất cao để sãn sàng cung cấp cho vòi phun

Bơm thấp áp có nhiệm vụ bơm chuyển nhiên liệu từ thùng chứa chuyển qua bộ lọc

và cung cấp nhiên liệu thấp áp cho bơm cao áp Sơ đồ kết cấu của một loại bơm cao áp hướng kính có 3 tổ bơm thể hiện trên Hình 1.19 Trục lệch tâm 1 nối với trục khuỷu động cơ khi quay sẽ làm cho vòng đệm 2 (chuyển động song phẳng) đẩy piston 3 đi lên nén nhiên liệu qua van xả 5

ra bình tích áp Sau khi lên đến điểm chết trên, piston đi xuống dưới tác dụng của lò xo hồi vị, nhiên liệu từ bơm chuyển qua van hút

4 nạp vào xy lanh Loại bơm này có cơ cấu ngắt một tổ bơm bằng cách đẩy cho van hút của tổ bơm đó luôn mở khi lưu lượng yêu cầu nhỏ (tải nhỏ) để giảm công bơm [40]

Vòi phun nhiên liệu trong hệ thống nhiên liệu tích áp gồm hai loại chính: vòi phun điện từ và vòi phun thạch anh

Vòi phun điện từ trình bày trên Hình 1.20, được sử dụng phổ biến trong hệ thống nhiên liệu tích áp Nhiên liệu từ ống tích áp được dẫn đến cửa 9, theo các rãnh khoan vào khoang cao áp 11, tác dụng lên tiết diện chịu lực của kim phun 1 theo xu hướng nâng kim lên Ngoài ra, kim còn chịu các lực ép kim xuống của lò xo 10 và áp lực của nhiên liệu lên piston 2 Khi vòi phun không làm việc, tổng lực ép lớn hơn lực nâng nên kim phun đóng các lỗ phun 12 Khi có dòng điện điều khiển từ ECU vào nam châm điện 8, thanh 6 bị hút lên làm mở van 4, nhiên liệu từ khoang bên trên piston 2 chảy qua các lỗ tiết lưu 3 ra cửa hồi 5 Khi đó áp lực tác dụng lên piston 2 giảm, lực nâng thắng lực ép nên kim 1 nâng lên

mở lỗ các lỗ 12 phun nhiên liệu vào xy lanh Tín hiệu điều khiển từ ECU ngắt sẽ kết thúc quá trình phun

Hình 1.19 Cấu tạo bơm cao áp của hệ thống

nhiên liệu CR

1 Trục bơm; 2 Vòng đệm; 3 Piston;

4 Van hút; 5 Van xả; 6 Đường cấp nhiên liệu

Ngoài ra vòi phun cho hệ CR còn sử dụng vòi phun thạch anh (piezo injector) [40] là loại phun tiên tiến có tốc độ mở kim phun nhanh gấp 4 lần vòi phun điện từ, thể hiện trên Hình 1.21 là một loại vòi phun thạch anh của hãng Denso (Nhật Bản) Nguyên tắc làm việc cũng tương tự như vòi phun điện từ Thay cho bộ phận điều khiển điện - thuỷ lực, trong vòi phun thạch anh sử dụng cơ cấu điều khiển bằng thạch anh Điện áp điều khiển từ ECU tác dụng lên thanh thạch anh sẽ làm thay đổi chiều dài của nó có tác dụng làm cho kim phun nâng lên mở các lỗ phun, phun nhiên liệu vào xilanh

Hệ thống CR có sự khác biệt hơn so với hệ thống diesel thông thường, hệ thống CR có thể thay đổi áp suất phun theo các chế độ làm việc khác nhau Như thể hiện trên hình 1.22,

Hình 1.20 Cấu tạo vòi phun điện từ

1 Kim phun; 2 Piston; 3 Tiết lưu;

4 Van điều khiển; 5 Cửa về đường hồi;

6 Thanh đẩy; 7 Đầu nối điện;

8 Nam châm điện; 9 Cửa vào từ ống cao áp; 10 Lò xo kim phun; 11 Khoang cao áp; 12 Lỗ phun

Hình 1.21 Vòi phun thạch anh (piezo injector)

của Denso [40]

1 Đường dầu hồi; 2 Đường áp suất cao;

3 Bộ phận thạch anh; 4 Khuếch đại thủy lực;

5 Van điều khiển; 6 Phần chứa kim phun;

7 Lỗ tia phun

thời điểm phun được điều khiển bằng hệ thống điều khiển góc phun sớm Hệ thống này dùng một cảm biến trên trục khuỷu để nhận biết tốc độ động cơ và cảm biến trên trục cam

để nhận biết kỳ hoạt động, quá trình phun của hệ thống nhiên liệu CR được thực hiện 3 giai đoạn

Thời gian phun ( ms) Hình 1.22 Qui luật phun nhiên liệu

Chiều cao nâng kim phun ( mm)

Tia phun chính

Hình 1.23 Sơ đồ điều khiển thời điểm phun của ECU

Về mặt cấu tạo, ECU bao gồm các phần cơ bản sau:

- Bộ vi xử lý có chức năng tính toán và ra quyết định điều khiển

- Bộ nhớ ROM, RAM, PROM và KAM có nhiệm vụ lưu trữ chương trình và các số liệu

- Mạch vào/ra: chuẩn hóa tín hiệu vào, lọc, khuếch đại tín hiệu ra

- Bộ chuyển đổi tín hiệu từ dạng tương tự sang tín hiệu số

- Đường truyền BUS: Dùng để chuyển các lệnh và số liệu trong ECU

- Tầng khuếch đại công suất cho mạch điều khiển: phun nhiên liệu, đánh lửa

- Mạch nguồn

Các thuật toán dùng để điều khiển động cơ rất phức tạp, vì chúng phải đáp ứng nhiều yêu cầu khác nhau về công suất, suất tiêu thụ nhiên liệu, mức độ phát thải,… Bộ ECU phải dùng một biểu thức tính toán và một loạt các bảng dữ liệu có sẵn (dữ liệu chuẩn) để xác định độ rộng xung cho từng chế độ làm việc của động cơ Biểu thức tính toán bao gồm một loạt các hệ số được tra từ các bảng dữ liệu chuẩn Có thể có tới hàng trăm tham số trong biểu thức tính toán này Tuy nhiên hãy xét ví dụ tính độ rộng xung phun nhiên liệu xăng với ba tham số: độ rộng xung phun cơ bản, nhiệt độ nước làm mát và nồng độ oxy Ta có biểu thức tính toán như sau:

Độ rộng xung phun = Độ rộng xung phun cơ bản * A * B

Trước hết, ECU sẽ tìm trong bảng dữ liệu độ rộng xung phun cơ bản là hàm của tốc

độ động cơ và tải Giả sử tốc độ động cơ là 2000 v/ph và tải động cơ là 80%, tra trên Bảng 1.1 ta có độ rộng xung phun cơ bản là 8 mili giây

Bảng 1.1 Độ rộng xung phun cơ bản (mili giây) theo tốc độ động cơ và tải [10]

Các hệ số A và B được xác định dựa trên các thông số đo được từ các cảm biến Giả

sử hệ số A được xác định từ nhiệt độ nước làm mát bằng 100°C, và hệ số B được xác định

từ mức độ oxy trong khí thải (qua cảm biến oxy) ở mức 3 Như vậy, tra theo Bảng 1.2 ta có

A = 0,8 và B = 1

Như vậy, ECU sẽ tính ra độ rộng xung phun cần thiết là: 8*0,8*1 = 6,4 (mili giây)

Bảng 1.2 Các hệ số xác định từ thông số đo từ cảm biến [10]

1.2 Giới thiệu về xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU của động

cơ đốt trong

Như vậy có thể thấy rằng, bộ dữ liệu chuẩn cho ECU của HTNL ĐKĐT trên động cơ

là cần thiết và quan trọng trong việc quyết định hiệu quả làm việc của động cơ Vì vậy việc xác định bộ dữ liệu chuẩn cho ECU luôn được coi là nhiệm vụ quan trọng hàng đầu của các hãng sản xuất động cơ Để thực hiện được vấn đề này thông thường các hãng phải có đầy đủ các yếu tố sau:

Cần phải có hệ thống băng thử với các cảm biến đo và động cơ thử nghiệm (động cơ nghiên cứu) và các phần mềm điều khiển

Chạy thử nghiệm theo quy trình thử để xác định các tham số điều chỉnh tối ưu ứng với từng vùng trong miền làm việc của động cơ

Thu thập, xử lý dữ liệu, đánh giá độ tin cậy và tính chính xác của các hàm quan hệ giữa mục tiêu và các tham số điều chỉnh để làm bộ dữ liệu chuẩn cho ECU

Các hãng sản xuất động cơ trên thế giới đều có những công nghệ riêng để xây dựng bộ

dữ liệu chuẩn cho ECU, trong đó bao gồm các phương pháp đang dùng như là mạng nơron, logic mờ, thống kê, quy hoạch thực nghiệm…, các bộ dữ liệu của từng loại động cơ được xây dựng trên các băng thử, ứng với các chế độ làm việc khác nhau thuộc các miềm làm việc khác nhau của động cơ Bộ dữ liệu này sẽ là bộ dữ liệu cơ sở nạp vào ECU và luôn được bảo mật và không thay đổi được trong quá trình sử dụng

Mặc dù vậy quy trình công nghệ xây dựng bộ dữ liệu cho ECU của hệ thống điều khiển trên động cơ vẫn là những bí mật riêng của các hãng nên rất khó tiếp cận để học hỏi

và chuyển giao công nghệ Hiện nay hãng AVL, Cộng hòa Áo, đã phát triển và thương mại hóa phần mềm AVL-CAMEO, đây là phần mềm chuyên dụng để xây dựng bộ dữ liệu và lấy đặc tính tự động trên băng thử động cơ Tuy nhiên hệ thống phần mềm này phải đi kèm với những trang thiết bị chuyên dụng và tất nhiên giá thành cũng rất đắt

Hình 1.24 Mô hình mô phỏng một nơ-ron nhân tạo

1.3 Các công trình đã thực hiện trong và ngoài nước

1.3.1 Nghiên cứu ngoài nước Với bài toán tối ưu hóa các thông số làm việc của động cơ, qua đó xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU động cơ, trên thế giới đã có một số cách tiếp cận khác nhau, nổi bật là các ứng dụng mạng nơ-ron, logic mờ hay quy hoạch thực nghiệm

Mạng nơ-ron (neural network), hay mạng nơ-ron nhân tạo (ANN - Artificial Neural Network) là mô hình tính toán được xây dựng nhằm mô phỏng hoạt động của não người Khác với việc tính toán theo các thuật toán và chương trình với sự trợ giúp của máy tính, quá trình tính toán trên não người: (i) được thực hiện song song và phân tán trên nhiều nơ-ron gần như đồng thời; (ii) thực chất là quá trình học, chứ không phải theo sơ đồ định sẵn

từ trước [15]

Sơ đồ mô phỏng một nơ-ron nhân tạo (hay một đơn vị xử lý) được cho trên Hình 1.24

Đầu vào của nơ-ron nhân tạo gồm n tín hiệu x i (i = 1, 2, 3, …, n), đầu ra là tín hiệu y Tín hiệu tổng hợp đầu vào được xác định từ các tín hiệu x i với trọng số w i qua bộ tổng hợp:

Đầu ra y của nơ-ron được xác định bằng một hàm tính toán phi tuyến f (còn gọi là hàm

kích hoạt) nào đó Có thể biểu diễn mô hình định lượng của nơ-ron bằng biểu thức sau:

( ) = (∑ ( ) − ) hay ( ) = ( ) (1.2) Trong đó:

Việc sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo được chia thành hai giai đoạn: học hay huấn luyện mạng và áp dụng để đưa ra kết quả ước lượng từ đầu vào bất kỳ Trong quá trình huấn luyện mạng, các giá trị đầu vào và giá trị đầu ra kỳ vọng phải biết trước Các trọng số

w i sẽ được điều chỉnh sao cho sai lệch giữa giá trị đầu ra từ mô hình mạng và giá trị kỳ vọng là nhỏ nhất Với mô hình mạng truyền thẳng thì phương pháp phổ biến và hiệu quả

nhất, được sử dụng rộng rãi là thuật toán lan truyền ngược sai số (Back Propagation) Còn với mô hình mạng hồi quy thì hiện tại vẫn chưa có thuật toán nào được ứng dụng thực tế

mà đem lại hiệu quả rõ rệt Sau giai đoạn huấn luyện mạng, các trọng số w i được cố định

và mạng sẽ dùng chúng để đưa ra các ước lượng đầu ra từ các giá trị đầu vào bất kỳ (có thể nằm ngoài bộ dữ liệu mà mạng đã được học) [15, 16]

Trong nghiên cứu của mình, R Muller và các cộng sự [52] đã sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo với thuật toán lan truyền ngược tham số để xác định thời điểm chuyển hóa 50% năng lượng, qua đó tìm ra góc đánh lửa sớm tối ưu Tín hiệu đầu vào cho mạng nơ-ron là tín hiệu diễn biến áp suất bên trong xilanh động cơ ở từng chu trình Động cơ thử nghiệm là động cơ xăng Mercedes-Benz 2.3l,

4 xilanh Tải động cơ được chọn ở 6, 8, 10, 12 bar bmep (áp suất có ích trung bình) trong dải tốc độ từ 2000÷5500 v/ph, bước 500 v/ph Các tác giả đã dùng 23 điểm để huấn luyện mạng, sau đó dùng mô hình tính toán 8 điểm khác, được thể hiện trên Hình 1.25

Sai lệch giữa kết quả tính toán từ mô hình với kết quả đo thực tế được chỉ ra trên Hình 1.26 Theo đó, sai lệch trung bình

giữa giá trị đo và giá trị tính là 0,046° với giá trị sai số tuyệt đối lớn nhất là 0,26° Như vậy mô hình mạng nơ-ron đã cho kết quả rất chính xác

Trong một nghiên cứu khác, Zhai và Yu [53] đã sử dụng mô hình mạng nơ-ron để đưa ra bộ thông số điều khiển tỷ lệ không khí/nhiên liệu (AFR - Air Fuel Ratio) cho động cơ Các tác giả đã

sử dụng sơ đồ điều khiển theo mô hình dự báo phi tuyến (MPC - Model Predictive Control) và mạng nơ-ron dựa trên thuật toán hàm cơ sở bán kính (RBF - Radial Basis Function) Mạng nơ-ron RBF được thiết kế có thể thích ứng tức thời với sự thay đổi của những thay đổi phi tuyến trong các vùng làm việc khác nhau của động cơ Dựa vào các dự báo trước nhiều cấp về tỷ lệ không khí/nhiên liệu, thuật toán điều khiển tối ưu sẽ tính toán

Hình 1.26 Sai lệch giữa kết quả tính của mô hình và

kết quả đo [52]

Hình 1.25 Sơ đồ các điểm trong vùng huấn luyện và vùng tính

toán [52]

động cơ và tải thay đổi Kết quả tính toán theo mô hình MPC được thể hiện trên Hình 1.27

Sai số tuyệt đối trung bình của giá trị tỷ lệ không khí/nhiên liệu là 0,4464 Tỷ lệ này cũng được duy trì trong dải ±1% xung quanh giá trị hoà khí chuẩn

Ngoài ra, một số công trình nghiên cứu khác sử dụng kỹ thuật điều khiển mờ (fuzzy control) để tối ưu hóa các thông số làm việc của động cơ [54÷56] Trong một công bố vào năm 2007, Khiar và cộng sự [54] đã sử dụng mô hình điều khiển mờ Takagi-Sugeno để điều khiển phi tuyến một động cơ đánh lửa nổ 3 xilanh Kết quả tính toán với mô hình mờ cho thấy khi sử dụng phương pháp này ở hai chế độ 2500 v/ph và 3000 v/ph thì sai lệch về momen trung bình chỉ là  3 Nm (giá trị cao nhất dưới 5%)

Hình 1.27 Sai số điều khiển AFR và lượng nhiên liệu phun [53]

Hình 1.28 Cấu trúc hệ FES với các bộ mờ hóa (fuzzification)

và giải mờ (defuzzification) [55]

Nhóm nghiên cứu của Tasdemir và cộng sự [55] cũng đã sử dụng hệ chuyên gia mờ (FES - Fuzzy Expert System) trong mô phỏng động cơ xăng nhằm đưa ra dự báo các thông

số kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ, bao gồm công suất, momen, suất tiêu thụ nhiên liệu và phát thải hydrocarbon

Cấu trúc của mô hình FES mà Tasdemir sử dụng được cho trên Hình 1.28, trong đó các giá trị đầu vào và đầu ra của hệ thống là các giá trị chắc chắn (tường) Bằng việc mờ hóa những giá trị tường đầu vào này, các giá trị phần tử mờ và cấp độ của chúng được xác định Trong mô hình mà các tác giả xây dựng thì hai thông số đầu vào là tốc độ động cơ và góc mở sớm xupap nạp Các thông số ra của mô hình gồm có công suất động cơ, mô men, suất tiêu thụ nhiên liệu có ích, và lượng phát thải hydrocarbon Các dữ liệu đầu vào và đầu

ra được mờ hóa bởi các chuyên gia và chuyển thành các biến ngôn ngữ như cực thấp (L1), thấp nhất (L2), thấp hơn (L3), thấp (L4), hơi thấp (L5), dưới trung bình (M1), trung bình (M2), trên trung bình (M3), trung bình cao (M4), hơi cao (H1), cao (H2), cao hơn (H3), cao nhất (H4), cực cao (H5) Trên cơ sở các định nghĩa này, các tác giả đã xây dựng nên 48 luật mờ dựa trên tri thức chuyên gia (người), sau đó tập hợp thành cơ sở tri thức của hệ thống

Cấu trúc của một hệ thống FES với một bộ mờ hóa, một cơ sở trí thức (cơ sở các luật), động cơ tham chiếu mờ và một bộ giải mờ, các hàm phần tử mờ xây dựng từ các thông số trên được mô tả trong Hình 1.29

Kết quả tính toán mang tính dự báo từ mô hình FES khi so sánh với kết quả đo đạc thực nghiệm thể hiện trên Hình 1.30

Hình 1.29 Hàm với 2 thông số đầu vào và 4 thông số đầu ra [55]

Có thể thấy rằng sai lệch giữa kết quả tính toán bằng mô hình logic mờ với kết quả thực nghiệm là rất nhỏ, hoàn toàn có thể bỏ qua Như vậy, với một mô hình được xây dựng tốt và có cơ sở tri thức lớn thì phương pháp logic mờ mới đem lại hiệu quả và tính chính xác rất cao

Ngoài một số phương pháp đã được đề cập và điểm qua ở trên, để giảm thiểu chi phí

và thời gian thực nghiệm, kỹ thuật quy hoạch thực nghiệm (QHTN) cũng thường được kết hợp sử dụng để giải quyết bài toán điều khiển tối ưu Nhóm tác giả Timothy Hollyday và Thony J.Lawrance đã thực hiện kỹ thuật QHTN trong việc xây dựng map dữ liệu cho động

cơ [57] Các tác giả dùng mô hình hồi quy đa thức 2 bước để giải bài toán tìm góc phun sớm tối ưu và suất tiêu thụ nhiên liệu theo tải, số vòng quay, tỷ lệ nhiên liệu - không khí và

tỷ lệ khí luân hồi Kết quả tính toán cho độ chính xác tương đối cao, sai sổ bình phương trung bình khi dự báo đại lượng momen chỉ là 1,5 Nm Nhóm tác giả Sascha Schoenfeld và Avnish Dhongde đã phân tích các tham số hình học đỉnh piston và kết cấu lỗ phun bằng CFD và QHTN [58] Nhóm tác giả Michael Egert và Herbert Mittermaier đã áp dụng mô hình CFD trong đánh giá buồng đốt của động cơ diesel bằng phương pháp QHTN [59] Hiện nay đã có nhiều sản phẩm tích hợp để giải bài toán tối ưu một cách tự động được thương mại hóa và giới thiệu trên thị trường (chẳng hạn AVL CAMEO), tuy nhiên chúng thường có giá thành rất cao và mã nguồn chương trình là bí mật của nhà sản xuất

Hình 1.30 So sánh kết quả dự báo của mô hình FES với kết quả thực nghiệm [55]

1.3.2 Nghiên cứu trong nước

Hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử cho động cơ đã được các nhà khoa học Việt Nam quan tâm và đầu tư nghiên cứu trong nhiều năm trở lại đây Có thể tóm lược một vài công trình tiêu biểu như sau

Trong công trình nghiên cứu của mình, tác giả Phạm Minh Tuấn và các cộng sự [1] đã tiến hành nghiên cứu thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một hệ thống phun xăng cho xe máy

Bộ dữ liệu nạp cho ECU là thời gian phun trên một chu trình (tỷ lệ với lượng nhiên liệu cấp cho chu trình) phụ thuộc vào tốc độ và tải trọng (độ mở bướm ga) được xây dựng trên băng thử theo phương pháp dò tay Ứng với mỗi giá trị tốc độ và tải trọng cố định, tiến hành điều chỉnh thời gian phun sao cho đảm bảo được hệ số dư lượng không khí λ ≈ 1 Năm 2004, tác giả Trần Anh Trung [4] trình bày nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển ECU cũng như quy trình xây dựng bộ dữ liệu về lượng nhiên liệu phun ở chế độ cơ bản phụ thuộc vào tốc độ và tải trọng của động cơ (độ chân không ở họng khuếch tán) Bộ số liệu được xây dựng trên băng thử theo phương pháp dò (điều chỉnh lượng nhiên liệu để đảm bảo luôn duy trì hệ số dư lượng không khí λ ≈ 1)

Năm 2011, tác giả Khổng Văn Nguyên [5] đưa ra các nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các thông số điều khiển trong hệ thống nhiên liệu tới các tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu tích áp (CR) Tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số áp suất phun và góc phun sớm tới các tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ

ở hai chế độ có và không có phun mồi Tuy nhiên việc khảo sát chỉ thực hiện ở một số đường đặc tính tốc độ như 25%, 50%, 75% và 100% tải, việc khảo sát các thông số áp suất phun và góc phun sớm một cách rời rạc vừa làm tăng số lượng các thử nghiệm cần thực hiện trong khi đó các giá trị tối ưu mà tác giả đưa ra có thể chỉ là giá trị tối ưu cục bộ (thiếu mối quan hệ tác động qua lại giữa các yếu tố đầu vào)

Năm 2010, tác giả Lê Đình Vũ, Vũ Đức lập [6] đã nghiên cứu ứng dụng hệ thống

nhiên liệu common rail cho động cơ diesel DSC-80 Công trình xây dựng bộ số liệu về

đường đặc tính động cơ (EMs) và biểu đồ phun nhiên liệu của vòi phun (IMs) cho phù hợp với các chế độ công tác cũng như các chế độ hiệu chỉnh theo yêu cầu của động cơ

Các công trình nghiên cứu về hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử nêu trên đã thu được nhiều kết quả tích cực Tuy nhiên, các kết quả này mới bước đầu đề cập đến phần cứng của hệ thống điều khiển hoặc một phần nhỏ trong bộ số liệu mà chưa có công trình nào xây dựng một cách bài bản bộ dữ liệu chuẩn cho ECU động cơ đốt trong Do đó đề tài luận án này tập trung xây dựng một bộ tham số chuẩn cho động cơ diesel trên cơ sở ứng dụng kỹ thuật quy hoạch thực nghiệm để giải bài toán tối ưu hóa

1.4 Lựa chọn phương pháp, giới hạn và đối tượng nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đề tài này là kết hợp lý thuyết quy hoạch thực nghiệm với phương pháp giải bài toán tối ưu hóa trong điều khiển Phương pháp quy hoạch thực nghiệm được lựa chọn vì nó cho phép giảm đáng kể số lượng thí nghiệm cần thực hiện, xác định được điều kiện tối ưu đa yếu tố của đối tượng nghiên cứu một cách khá

chính xác bằng các công cụ toán học, thay cho cách giải gần đúng, tìm tối ưu cục bộ như các thực nghiệm thụ động Hơn nữa, hiện nay với sự trợ giúp của các công cụ tính toán trên máy tính (phần mềm thương mại DX6) thì bài toán quy hoạch thực nghiệm trở nên dễ dàng hơn rất nhiều

Đối tượng nghiên cứu được lựa chọn là động cơ diesel có trang bị hệ thống nhiên liệu HTNL CR Trước hết, đây là loại động cơ diesel hiện đại, có ứng dụng rộng rãi từ cỡ lớn (tĩnh tại, tàu thủy) đến cỡ trung (ô-tô) và cỡ nhỏ (máy kéo, máy nông nghiệp, gia dụng…) Tại PTN Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, Trường ĐHBK Hà Nội đang sẵn có một động cơ nghiên cứu một xilanh sử dụng HTNL CR Hệ thống động cơ và băng thử này được trang bị các thiết bị phụ trợ có thể đáp ứng đầy đủ yêu cầu nghiên cứu xây dựng bộ

dữ liệu điều chỉnh để thiết lập đặc tính động cơ diesel sử dụng HTNL CR Bộ ECU điều khiển động cơ này được cung cấp ở dạng mở, người dùng có thể truy cập và điều chỉnh các tham số thông qua phần mềm nên thuận tiện cho quá trình xác định điểm làm việc tối ưu

1.5 Kết luận chương 1

Điều khiển điện tử trên các máy móc nói chung đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, trong đó có động cơ đốt trong Vai trò của bộ dữ liệu chuẩn trong ECU của HTNL ĐKĐT trên động cơ xăng cũng như trên động cơ diesel

Các hãng sản xuất động cơ trên thế giới đã thực hiện xây dựng bộ dữ liệu chuẩn các tham số điều chỉnh tối ưu cho ECU động cơ qua một số cách tiếp cận khác nhau như ứng dụng mạng nơron, logic mờ hay sử dụng kỹ thuật QHTN Tuy nhiên vẫn còn là sự bí mật của hãng và rất khó tiếp cận

Ở Việt Nam, cũng đã có một số công trình nghiên cứu về HTNL ĐKĐT và bước đầu thu được kết quả tích cực Tuy nhiên, các nghiên cứu này còn tương đối sơ khai, chưa có tính bao quát và hệ thống Do đó, luận án này được thực hiện với mục đích xây dựng một cách bài bản bộ dữ liệu chuẩn cho ECU động cơ diesel

Nhằm bảo đảm tính khái quát và tính khả thi, đối tượng nghiên cứu được chọn là động

cơ nghiên cứu diesel một xilanh có trang bị HTNL CR, ĐKĐT hiện đang sẵn có tại PTN ĐCĐT, Trường ĐHBK Hà Nội

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU

CHUẨN CHO ECU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Xây dựng bộ dữ liệu cho động cơ đốt trong có sự hỗ trợ của toán học là một trong những yếu tố rất quan trọng Trong kỹ thuật thường dùng những bài toán tối ưu nhiều biến

đa mục tiêu để xác định được những bộ thông số cần thiết Luận án chỉ nghiên cứu sâu động cơ diesel nên phải xác định được các tham số điều chỉnh động cơ diesel nói chung, cũng như động cơ diesel sử dụng HTNL CR nói riêng gồm những tham số điều chỉnh để ứng dụng toán học tính toán xây dựng bộ dữ liệu chuẩn

2.1 Bài toán tối ưu nhiều biến đa mục tiêu trong kỹ thuật

2.1.1 Bài toán tối ưu tổng quát Tối ưu hóa là một trong những lĩnh vực kinh điển của toán học có ảnh hưởng đến hầu hết các lĩnh vực khoa học - công nghệ và kinh tế - xã hội Trong thực tế, việc tìm giải pháp tối ưu cho một vấn đề nào đó chiếm một vai trò hết sức quan trọng Phương án tối ưu là phương án hợp lý nhất, tốt nhất, tiết kiệm chi phí, tài nguyên, nguồn lực mà lại cho hiệu quả cao

Bài toán tối ưu tổng quát được phát biểu như sau [17]:

min f(x) với điều kiện x  D (P1) hoặc

max f(x) với điều kiện x  D (P2) Trong đó D  Rn được gọi là tập nghiệm chấp nhận được hay tập ràng buộc và f: D 

R là hàm mục tiêu Mỗi điểm x  D được gọi là một nghiệm chấp nhận được hay một phương án chấp nhận được (có thể gọi tắt là một phương án)

Điểm x*  D mà f(x*)  f(x)  x D Được gọi là nghiệm tối ưu, hoặc nghiệm tối ưu toàn cục, hoặc nghiệm cực tiểu toàn cục (global minimizer), hoặc chỉ đơn giản là nghiệm của bài toán (P1) Người ta còn gọi một nghiệm tối ưu là một phương án tối ưu hay lời giải của bài toán đã cho Điểm x*  D được gọi là một điểm tối ưu hóa toàn cục chặt (strictly global minimizer) nếu

f(x*) < f(x) x  D và x  x* Không phải bài toán (P1) nào cũng có nghiệm cực tiểu toàn cục và nếu bài toán có nghiệm toàn cục thì cũng chưa chắc có nghiệm cực toàn cục chặt

Giá trị tối ưu (hay giá trị cực tiểu) của bài toán (P1) được ký hiệu là:

D x

x f



)(min hoặc minf(x) x D

Nếu bài toán (P1) có nghiệm tối ưu là x* thì f (x*) = minf(x) x D

Ta ký hiệu Argminf(x) x D là tập nghiệm tối ưu của bài toán (P1) Nếu bài toán chỉ có một nghiệm tối ưu x* thì có thể viết x* = argminf(x) x  D

Điểm x*  D được gọi là nghiệm tối ưu địa phương hoặc nghiệm cực tiểu địa phương của bài toán (P1) nếu tồn tại một  - lân cận B(x*, ) của điểm x*  D

Sao cho f(x*)  f(x) x  B(x*, )  D

Điểm x*  D được gọi là nghiệm tối ưu địa phương chặt hoặc nghiệm cực tiểu địa phương chặt của bài toán (P1) nếu tồn tại một  - lân cận B(x* , ) của điểm x*  D sao cho f(x*) < f(x) x  B(x*, )  D và x  x*

Lưu ý rằng, người ta cũng thường phát biểu bài toán (P1) dưới dạng minf(x) x D hoặc f(x)  min hoặc

D x x f

)(min với điều kiện x D Tương tự bài toán (P2) cũng thường được phát biểu dưới dạng maxf(x) x D hoặc f(x) max hoặc

D x

x f



)(max , với điều kiện x  D Các khái niệm tương tự cũng được định nghĩa cho bài toán (P2) Cụ thể, nếu tồn tại một  - lân cận B(x*, ) của điểm x*  D sao cho

f(x*) ≥ f(x) x  B(x* , )  D Thì x* được gọi là nghiệm tối ưu địa phương hay nghiệm cực đại địa phương của bài toán (P2) Nếu tồn tại một - lân cận B(x*, ) của điểm x*  D sao cho

f(x*) > f(x) x  B(x* , )  D và x  x*Điểm x*  D được gọi là nghiệm tối ưu địa phương chặt hay nghiệm cực đại địa phương chặt của bài toán (P2)

Điểm x*  D thỏa mãn f(x*)  f(x) với mọi x D được gọi là nghiệm tối ưu, hoặc nghiệm tối ưu toàn cục, hoặc nghiệm cực đại toàn cục (global maximizer), hoặc chỉ đơn giản là nghiệm của bài toán (P2) Nếu x*  D thỏa mãn thì ta gọi x* một điểm tối ưu toàn cục chặt (strictly global maximizer) của bài toán (P2) được ký hiệu là

D x

x f



)(max hoặc maxf(x) x D

Tương tự đối với bài toán (P1), ta ký hiệu maxf(x) x D là tập nghiệm tối ưu của bài toán (P2) Trường hợp bài toán chỉ có một nghiệm tối ưu x* thì có thể viết x* = maxf(x) x D

2.1.2 Phân loại các bài toán tối ưu Các bài toán tối ưu cũng còn được gọi là các bài toán quy hoạch toán học, được chia ra thành các lớp sau [18÷22]:

- Bài toán quy hoạch tuyến tính (QHTT) nếu hàm mục tiêu f(x) và tất cả các hàm ràng buộc gi(x), i = 1…m, hj(x), j = 1, …, p, đều là tuyến tính và X là một tập lồi đa diện Một

số trường hợp riêng quan trọng của bài toán QHTT là bài toán vận tải, bài toán sản xuất

đồng bộ…

- Bài toán tối ưu phi tuyến hay còn gọi là bài toán quy hoạch phi tuyến (QHPT) nếu hàm mục tiêu f(x) hoặc một trong các hàm ràng buộc gi(x), i=1,…, m, hj(x), j=1, …, p, không phải là tuyến tính và X không phải là một tập hợp lồi đa diện

- Bài toán quy hoạch động nếu đối tượng được xét là các quá trình có thể chia ra thành nhiều giai đoạn hoặc các quá trình phát triển theo thời gian Trong nhiều trường hợp bài toán quy hoạch động lại có thể diễn đạt như một bài toán tĩnh và thường đưa về dạng bài toán QHTT với kích thước lớn

- Bài toán quy hoạch lồi nếu hàm mục tiêu cần tìm cực tiểu là lồi (hay hàm cần tìm cực đại là lõm) và miền ràng buộc D là một tập hợp lồi Đây là lớp bài toán QHPT được nghiên cứu nhiều nhất Một trường hợp riêng quan trọng của quy hoạch lồi là quy hoạch toàn phương, trong đó xét bài toán tìm cực tiểu của một hàm lồi bậc hai với các ràng buộc tuyến tính

- Bài toán quy hoạch lõm nếu hàm mục tiêu cần tìm cực tiểu là lõm và miền ràng buộc

D là một tập hợp lồi Đây là một bài toán điển Hình trong lớp các bài toán QHPT không lồi

đã được nghiên cứu khá kỹ Đơn giản nhất là bài toán tìm cực tiểu của một hàm lõm với các ràng buộc tuyến tính

- Quy hoạch phân thức nếu hàm mục tiêu là thương của hai hàm số cho trước và miền ràng buộc D là một tập hợp lồi Trường hợp riêng đáng chú ý là quy hoạch phân tuyến tính khi hàm mục tiêu là thương của hai hàm tuyến tính

- Bài toán quy hoạch rời rạc nếu miền ràng buộc D là một tập hợp rời rạc Trường hợp khi các biến chỉ nhận giá trị nguyên, ta có một quy hoạch nguyên Một số trường hợp riêng quan trọng của quy hoạch nguyên là quy hoạch với biến Boole (các biến chỉ nhận giá trị 0 hay 1) và QHTT nguyên, đó là bài toán QHTT với các biến số chỉ lấy giá trị nguyên

- Bài toán quy hoạch đa mục tiêu nếu trên cùng một miền ràng buộc ta xét đồng thời hai hay nhiều mục tiêu khác nhau (tuyến tính hoặc không tuyến tính)

- Ngoài ra còn có bài toán quy hoạch ngẫu nhiên khi các tham số trong bài toán không

có giá trị xác định mà được mô tả bởi các phân phối xác suất, quy hoạch lồi đảo khi miền ràng buộc là hiệu của hai tập hợp lồi, quy hoạch được khi hàm mục tiêu hay hàm ràng buộc là hiệu của hai hàm lồi, quy hoạch Lipschits với các hàm trong bài toán là hàm Lipschitz, quy hoạch trong không gian vô hạn chiều, quy hoạch với vô số ràng buộc

Trong các bài toán tối ưu, quan trọng nhất và được sử dụng nhiều hơn cả là bài toán tối ưu tuyến tính và phi tuyến Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xây dựng bộ tham số điều chỉnh góc phun sớm (s) và áp suất phun (p f) tối ưu để đạt được mô men lớn nhất ở đường đặc tính ngoài, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ nhỏ nhất ở đường đặc tính bộ phận và lượng nhiên liệu tiêu thụ là ít nhất ở chế độ không tải Trong nghiên cứu này các hàm điều chỉnh có thể là hàm tuyến tính hoặc phi tuyến Vì vậy sau đây xin trình bày kỹ hơn về bài toán tối ưu tuyến tính và bài toán tối ưu phi tuyến