4.2.3.4. Lý thuyết chung về phun xăng

Khoa khí động lực 4.2.3.4 Lý thuyết chung phun xăng Trên mô hình điều khiển động (hình 4-12), người lái xe điều khiển lượng gió qua bướm ga động Bộ điều khiển điện tử (ECU) nhận thông tin từ tín hiệu lượng gió, dựa vào tín hiệu tín hiệu tốc độ động cơ, tính toán lượng nhiên liệu cần phun xác định thời gian phun (t inj) Sau ECU điều khiển mở kim phun phun nhiên liệu vào cổ hút Không khí nhiên liệu hòa trộn đưa vào buồng đốt Trong số chế độ hoạt động, tỷ lệ hòa khí hỗn hợp cháy đo nhờ cảm biến ôxy cảm biến A/F Tỷ lệ tín hiệu hồi tiếp ECU, để điều chỉnh lại lượng phun cho phù hợp (chế độ điều khiển kiểu vòng kín) nhằm giảm lượng khí thải độc hại động Không khí nạp mkk Động mnl ECU tinj Kim phun lambda Hình 4-12 Hệ thống điều khiển động phun xăng ôtô Các hệ thống điều khiển kiểu cổ điển ô tô thường thiết kế với liên hệ ngược ( feedback control ) Mặc dù hệ thống điều khiển có nhiều thông số phụ thuộc, ta xem xét hệ thống với thông số Sơ đồ nguyên lý hệ thống trình bày hình 4-13 Hình 4-13 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động với liên hệ ngược Thông số điều khiển xuất đầu ( động đốt ) kí hiệu Tín hiệu so r(t) định sẵn Cảm biến đưa tín hiệu V tỉ lệ thuận với, tức : Khi xuất chênh lệch tín hiệu thực tín hiệu so Ve(t): Ve(t) = r(t) – V Nếu hệ thống làm việc lý tưởng giá trị V e(t) khoảng thời gian ( ví dụ chế độ động ổn định ) phải bằng Trên thực tế, tín hiệu nêu Đồ án tốt nghiệp Khoa khí động lực có chênh lệch mạch điều khiển điện tử dựa vào chênh lệch để hình thành xung VA(t) điều khiển cấu chấp hành ( chẳng hạn kim phun) Việc thay đổi tác động đến thông số đầu vào U(t) động ( ví dụ tỉ lệ hoà khí) Ngày nay, có nhiều phương pháp điều khiển động dựa sở sử dụng máy tính để xử lý tín hiệu Thông thường máy tính giải toán tối ưu có điều kiện biên để điều khiển động Mục tiêu toán tối ưu điều khiển động đạt công suất lớn với mức tiêu hao nhiên liệu nhỏ điều kiện giới hạn độ độc hại khí thải Như vậy, ta điều khiển động tối ưu mối quan hệ vectơ sau: y = (y1, y2, y3, y4); u = (u1; u2; u3; u4): x= (x1, x2, x3 ) Véc tơ y(t)là hàm phụ thuộc vào thông số ngõ bao gồm thành phần sau: y1(x(t), u(t)- tốc độ tiêu hao nhiên liệu y2(x(t), u(t))- tốc độ phát sinh HC y3(x(t), u(t))-tốc dộ phát sinh CO y4(y2(x(t), u(t))-u(t))-tốc độ phát sinh NOx Véc tơ x(t)mô tả tình trạng động tức điều kiện hoạt động phụ thuộc vào thông số : x1- áp xuất đường ống nạp x2- tốc độ quay trục khuỷu x3- tốc độ xe Véc tơ u(t)mô tả thông số dược hiệu chỉnh hệ thống điện tử, bao gồm thông số sau u1- tỷ lệ khí – nhiên liệu hoà khí ( AFR - air fuel ratio) u2- góc đánh lửa sớm u3 – lưu hồi khí thải ( EGR- exhaust gas recirculation ) u4 – vị trí bướm ga u5 – tỷ số truyền hộp số Để giải toán tối ưu nêu với điều kiện biên, người ta xác định mục tiêu tối ưu lượng tiêu hao nhiên liệu F theo chu trình thử EPA (environmental protection agency); T F= ∫ y1 ( x( t ) , u ( t ) )dt Trong Đồ án tốt nghiệp Khoa khí động lực X3(t): tốc độ xe quy định thử nghiệm xác định thành phần khí thải theo chu trình EPA, T thời gian thử nghiệm Như vậy, dộng đốt điều khiển cho F đạt giá trị nhỏ với điều kiện biên qy định nước nồng độ chất độc hại khí thải T ∫ y ( x( t ) , u ( t ) )dt < G2 T ∫ y ( x( t ) , u( t ) )dt < G3 T ∫ y ( x( t ) , u ( t ) )dt < G4 Trong đó: G2, G3, G4 – hàm lượng chất độc khí xả theo qui định tương ứng với HC, CO NOx Trong trình xe chạy, véctơ x(t), u(t) thông số động Khi giải toán tối ưu nêu trên, ta đặt giới hạn vectơ Trên thực tế, kết tối ưu thường xác định bằng thực nghiệm nạp vào nhớ EEPROM dạng bảng tra (look – up table ) Việc lựa chọn thuật toán điều khiển phun xăng phụ thuộc vào yếu tố mà nhà chế tạo ưu tiên như: - Điều khiển chống ô nhiễm Việc hoà trộn hỗn hợp thực bằng cách phun đường ống nạp phun xilanh ( GDI ) Nếu đủ thời gian, hỗn hợp hoà khí phân bố đồng xilanh với tỉ lệ thay đổi khoảng 0,9< λ 1,3 phải tạo vùng hỗn hợp tương đối giàu vùng gần bougie buồng cháy Quá trình cháy có tia lửa đặc trưng bởi: + Ngọn lửa màu xanh hỗn hợp đồng tỷ lệ lý tưởng Trường hợp muội than hình thành + Ngọn lửa màu vàng hỗn hợp phân lớp tỉ lệ hoà khí nghèo Muội than hình thành Các chất độc khí thải như: CO, HC, NO X phụ thuộc mạnh vào tỉ lệ hoà khí: λ < 1: tăng lượng HC CO λ = 1: có đủ chất CO, HC, NO X để phản ứng với xúc tác Sau xúc tác có chất độc Đồ án tốt nghiệp Khoa khí động lực λ ≅ 1.1: lượng NOx đạt giá trị cực đại nhiệt độ buồng cao thừa oxy λ > 1: giảm NOx nhiệt độ buồng cháy, tăng hàm lượng HC không cháy hỗn hợp λ > 1.5: chế độ đốt nghèo với khí độc thấp trừ NOx Hàm lượng O2 pô dùng để xác định tỉ lệ λ λ ≥ thông qua cảm biến oxy - Công suất động - Hỗn hợp giàu λ < : công suất đạt cực đại nhờ lượng nhiên liệu tăng Sử dụng phổ biến chế độ tải lớn trước 1970 Ngày dùng chế độ làm nóng (warm – up ) động Hàm lượng chất độc khí thải cao - Hỗn hợp lý tưởng λ = 1: công suất tương đối cao Được sử dụng để tăng hiệu suất xúc tác - Hỗn hợp tương đối nghèo < λ < 1.5 : hiệu suất tốt nhờ tăng lượng khí nạp hàm lượng NO x tăng Sử dụng chế độ tải nhỏ trước 1980 - Hỗn hợp nghèo λ > 1.5 : hiệu suất cao hàm lượng NOx lớn, phải có xúc tác cho NOx Lượng nhiên liệu tổng cộng phun phụ thuộc vào thông số sau: - Lưu lượng khí nạp theo thời gian mα’ - Góc mở bướm ga αt - Tốc độ động n - Nhiệt độ động te - Nhiệt độ môi trường ( khí nạp ) ta - Điện áp quy ua Chức điều khiển phun xăng - Kiểm soát lượng xăng phun theo thời gian theo lượng khí nạp để đạt tỷ lệ mong muốn - Tăng lượng nhiên liệu chế độ làm nóng sau khởi động lạnh - Tăng lượng khí nạp lẫn nhiên liệu ( tăng hỗn hợp ) cho động nguội ma sát lớn - Bù lượng nhiên liệu bám ống nạp - Cắt nhiên liệu giảm tốc tốc độ cao - Hiệu chỉnh theo nhiệt độ khí nạp áp suất khí trời L-jectronic - Điều khiển tốc độ cầm chừng Đồ án tốt nghiệp Khoa khí động lực - Điều chỉnh λ - Điều chỉnh lưu hồi khí thả Phun gián đoạn So với kiểu phun liên tục (K-jectronic), Phun gián đoạn tiết kiệm nhiên liệu nhờ độ xác cao Công suất động thay đổi khoảng lớn Tỷ lệ công suất động toàn tải cầm chừng : PMax = 100 PMin Trong tốc dộ thay đổi khoảng hẹp n Max = 10 n Min Ở chế độ hoạt động cố định, lượng xăng phun theo thời gian m f’ tỷ lệ với công suất hiệu dụng Pe động Nếu phun gián đoạn, chu kỳ, lượng nhiên liệu phun Số lần phun giây tỷ lệ thuận với tốc độ động Lượng xăng phun cho xy lanh chu kỳ cháy là: Mf = n z ∫m ' f dt Số hỗn hợp đốt lần vòng quay trục khuỷu Nếu mf’ hkông đổi chế độ làm việc động cơ, ta có mf= m' f Do đó, tỉ lệ lượng xăng phun cao thấp n z là: mmax Pmax nmin = = 10 m Pmin nmax Tính toán thời gian phun Lượng nhiên liệu cung cấp cho động đựoc kiểm soát thời gian phun t imj thời gian kim phun mở Như vậy, lượng nhiên liệu phun vào xy lanh phụ vào lượng không hkí: ma ma' = mf = Lst ≈ Lst ≈ n z Trong đó: ma :khối lượng không khí ma’: lưu lượng không khí Lst = 14.66 Đồ án tốt nghiệp Khoa khí động lực Lượng nhiên liệu phun mf tỷ lệ với thời gian mở kim phun tịmj độ chênh lệch áp suất ΔP kim kim ( áp suất đường ống nạp ) Trong trường hợp phun trực tiếp, áp suất kim phun áp suất buồng cháy mf=ρf.Aeff ∆P t imj ρf Trong ρf: tỷ lệ nhiên liệu Aeff: tiết diện lỗ kim phun Ở kiểu phun đường ống nạp ΔP ≈ bar Trong động phun trực tiếp ΔP ≈ 400 bar động xăng ΔP ≅ 2000 bar động diesel Thời gian phun chế độ hoạt động động cơ: ma' tinj ≈ λ n Z Ở chế độ mà động hoạt động với tỷ lệ hoà khí lựa chọn λo , lượng xăng phun ma' to= λo n Z Ở chế độ khác với λ ≠ λo , thời gian phun là: timj≈ λ t o λo Thời gian phun theo chu trình cháy phụ thuộc vào thông số sau: - Lưu lượng không khí nạp tính bằng khối lưọng m’ I ; a đo trực tiếp (trong L- Jetronic ) gián tiếp (trong D – Jetronic ) Ngoại trừ hệ thống phun nhiên với cảm biến nhiệt độ khí nạp áp suất khí trời để sác định lưu lượng khí nạp - Tỉ lệ hoà khí lựa chọn λo tuỳ theo kiểu động cơ, chẳng hạn tỷ lệ lý tưởng λo ( m ' , n) - Tỉ lệ hoà khí thực tế λ : phụ thuộc vào thông số nhiệt dộ động trình làm nóng hiệu chỉnh để tăng đặc tính động học ( tăng tốc , giảm tốc , tải lớn, cầm chừng ) Trong động diesel λ > 1.3 - Điện áp ac quy : ảnh hưởng tới thười điểm mở kim phun vậy, vậy, để bù trừ thưòi gian phun phải cộng thêm khoảng thời gian tuỳ theo điện áp ác quy Timj + Δt(Ua) Trong D-Jectronic (sử dụng Mapsensor) lượng hkí nạp tính bằng khối lượng có suy từ áp suất đường ống nạp pm góc mở bướm ga α t lưu lượng không khí nạp vào xilanh phụ thuộc vào thay đổi áp suất ống nạp pm’ m’a = f( pm p’m m ) Đồ án tốt nghiệp Khoa khí động lực Lượng khí nạp chu trình: Hệ số nạp tương đối λa ( λa = ma ) tốc độ thấp tăng nhờ cộng math hưởng âm đường ống nạp đến xylanh, cộng hưởng xuất phát từ việc đóng mở xupap Dạng hình học ống nạp thiết kế cho tốc độ thấp, cho áp suất cực đại cho cộng hưởng xảy xupap hút mở Như vậy, có nhiều không khí vào buồng đốt tăng hệ só nạp công suất động Tần số cộng hưởng thường nằm 2000 rpm 3000 rpm Tần số thấp kích thước ống nạp lớn Tần số dao động dòng khí đường ống nạp là: Fp = n.Z Do không khí vào xylanh lần vòng quay Khối lượng khí nạp theo xylanh tính chu trình: th ma = ∫ ma dt ta tb – ta = = fp n.Z Suy ra: ma = fp ∫m ' a dt Một yếu tố quan trọng điều khiển phun xăng phải xác định khối lượng không khí vào xylanh Lượng xăng tương ứng tính toán để bảo đảm tỉ lệ hoà khí mong muốn Trong thực tế, đo xác khối lượng không khí vào xylanh Vì vậy, điều khiển động phun xăng, người ta thường dựa lưu lượng không khí qua đường ống nạp tính bằng khối lượng Có phương pháp để xác định khối lượng không khí: Trong phương pháp trực tiếp, khối lượng không khí đo bằng cảm biến dây nhiệt ( airmass sensor ) Trong phương pháp gián tiếp, người ta sử dụng cảm biến đo thể tích không khí ( dùng cảm biến đo gió loại cánh trượt, cảm biến Karman… ) cảm biến đo áp suất đường ống nạp ( MAP sensor ), sau phối hợp với cảm biến đo nhiệt độ khí nạp cảm biến đo tốc độ động để tính toán khối lượng không khí Phần tính toán cài sẵn EEPROM Phương pháp gọi phương pháp tốc độ tỉ – trọng Đối với thể tích không khí V điều kiện nhiệt độ T áp suất P, tỉ trọng không khí xác định bởi: Đồ án tốt nghiệp Khoa khí động lực da = Mn V Trong đó: Ma khối lượng không khí thể tích V Hay: M a = da V Như vậy, lưu lượng không khí tính bằng khối lượng R m suy từ lưu lượng không khí tính bằng thể tích Rv Rm = Rv.da Phối hợp với cảm biến đo áp suất tuyệt đối đường ống nạp nhiệt độ khí nạp, máy tính xác định tỉ trọng da theo biểu thức: pT0 d a = d0 p T Trong đó: d0: tỉ trọng không khí điều kiện áp suất khí mực nước biển p = atm nhiệt độ phòng To = 2930 K Lưu lượng không khí tính bằng thể tích đI qua cánh bướm ga thường dựa vào cảm biến tốc độ động cơ: Rv = n D ηv 60 Trong đó: D : dung tích xylanh ηv : hiệu suất nạp tính bằng thể tích ηv : có giá trị thay đổi từ đến 1, phụ thuộc vào áp suất tuyệt đối đường ống nạp tốc độ động cơ, thông thường xác định bằng thực nghiệm ghi vào EPROM d0: tỉ trọng không khí điều kiện áp suất khí mực nước biển p = atm nhiệt độ phòng To = 2930 K Lưu lượng không khí tính bằng thể tích đI qua cánh bướm ga thường dựa vào cảm biến tốc độ động cơ: Rv = n D ηv 60 Trong đó: D : dung tích xylanh ηv : hiệu suất nạp tính bằng thể tích ηv : có giá trị thay đổi từ đến 1, phụ thuộc vào áp suất tuyệt đối Đồ án tốt nghiệp Khoa khí động lực đường ống nạp tốc độ động cơ, thông thường xác định bằng thực nghiệm ghi Khởi động vào Nhập tín hiệu tốc độ động Nhập t/h vị trí bướm ga Và vị trí xylanh Nhập tín hiệu tải động Nhập t/h nhiệt độ động Nhập t/h điện áp hệ thống Nhập tín hiệu kích nổ False True Động khởi động hoạt động False Động vượt tốc False True Động chưa True False Tải tốc độ thay đổi True Tìm thời gian phun Cắt nhiên liệu Điều chỉnh thời gian phun theo điện áp Điều chỉnh thời gian phun theo nhiệt độ động False Động bị kích nổ True Điều chỉnh thời gian phun theo vị trí bướm ga Tìm thời gian mở kim Điều chỉnh sớm 10 Tìm góc đành lửa sớm Hiệu chỉnh lượng phun đánh lửa sớm theo nhiệt độ động Tính góc ngập điện chế độ khởi động Tính góc đánh lửa sớm chế độ khở động Tính lượng phun chế độ khởi động Xuất tín hiệu điều khiển kim phun bugi Hiệu chỉnh thời gian phun theo nhiệt dộ động Hình 4-14 Thuật toán điều khiến động EPROM Đồ án tốt nghiệp Điều chỉnh trễ 20 Khoa khí động lực Trong trường hợp động với cảm biến đo áp suất tuyệt đối đường ống nạp, có sử dụng hệ thống lưu hồi khí thải ( EGR – exhaust gas reciculation ), phần khí thải quay lại đường ống nạp nhiệt độ động cao Vì vậy, lưu lượng không khí tính bằng khối lượng lúc bằng: Rm = [( Đồ án tốt nghiệp p n D T × ηv ) – REGR ]d0 × p0 60 T Khoa khí động lực Cần lưu ý rằng lưu lượng khí thải qua van lưu hồi R EGR thường xác định bằng thực nghiệm, phụ thuộc vào độ mở van phương cách kiểm soát hàm lượng NOx nhiệt độ cao Đối với hệ thống điều khiển phun xăng sử dụng đo gió cánh trượt đo gió dây nhiệt, không cần quan tâm đến giá trị R EGR không ảnh hưởng dến lưu lượng không khí cần tính Như vậy, trình làm việc động với hệ thống phun xăng D – Jetronic ( sử dụng MAP sensor ), lưu lượng không khí tính bằng khối lượng qua bướm ga xác định chủ yếu cảm biến: tốc độ động cơ, áp suất tuyệt đối đường ống nạp, nhiệt độ khí nạp độ mở van lưu hồi khí thải Nếu động có số xylanh Z, khối lượng không khí vào xylanh là: Rm = Rm × 120 nZ Từ đó, lượng nhiên liệu cần phun vào xylanh: Mfc = Rmc ( A / F)d Với (A/F)d : tỉ lệ hoà khí mong muốn Thời gian mở kim phun phụ thuộc vào lưu lượng kim phun Rinj : tb = m fc Rinj Nếu điều áp ( pressure regulator ) sử dụng, R inj gần hằng số nhờ chênh lệch áp suất ống dẫn xăng đến đầu kim phun đuôi kim phun ( áp suất đường ống nạp ) không đổi Trên số xe không sử dụng điều áp, đồ phụ thuộc lưu lượng kim phun vào áp suất tuyệt đối đường ống nạp phải ghi vào EEPROM Như vậy, để xác định thời gian phun bản, EEPROM ECU dùng với cảm biến MAP, giá trị ηv, phải nhớ biểu thức để tính toán dựa cảm biến nêu Sau vòng quay trục khuỷu động cơ, ECU lặp lại phép tính nêu Trình tự tính toán tìm kiếm thông số động mô tả lưu đồ thuật toán điều khiển trình bày hình 4-12 Đồ án tốt nghiệp