Nghiên cứu đặc tính tốc độ của động cơ diesel kiểu Common Rail thông qua xây dựng mô hình trung bình

Bài viết trình bày kết quả xây dựng mô hình trung bình (Mean Value Engine Model, MVEM) của động cơ diesel thế hệ mới trong phần mềm Matlab/Simulink với các thông số đầu vào chính được xác định bằng thực nghiệm trên bệ thử và sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu. Mô hình MVEM này được dùng để khảo sát đặc tính tăng tốc của xe Huyndai Starex.

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL KIỂU COMMON RAIL THÔNG QUA XÂY DỰNG MƠ HÌNH TRUNG BÌNH STUDYING THE PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF COMMON RAIL DIESEL ENGINE BY BUILDING A MEAN VALUE ENGINE MODEL Vũ Thành Trung, Phạm Văn Thắng, Trần Quang Thắng Email: vuthanhtrung286@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 3/4/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 17/6/2018 Ngày chấp nhận đăng: 28/6/2018 Tóm tắt Đặc tính tốc độ động thông số đầu vào quan trọng việc mô động lực học (ĐLH) q trình tăng tốc tơ Đặc tính tốc độ động diesel hệ (dùng hệ thống phun nhiên liệu kiểu Common Rail, tăng áp kiểu VGT, tuần hồn khí thải EGR…) có khác biệt lớn so với động diesel truyền thống việc xác định vấn đề phức tạp Bài báo trình bày kết xây dựng mơ hình trung bình (Mean Value Engine Model, MVEM) động diesel hệ phần mềm Matlab/Simulink với thông số đầu vào xác định thực nghiệm bệ thử sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu Mơ hình MVEM dùng để khảo sát đặc tính tăng tốc xe Huyndai Starex Từ khóa: Đặc tính tốc độ; Common Rail; mơ hình trung bình; bình phương tối thiểu; động lực học tô Abstract The performance characteristics of engine are the most important input data in simulating vehicle dynamics Building the performance of new generation diesel engines (using Common Rail fuel injection system with a variable geometry turbocharger and exhaust gas recirculation, etc.) is more difficult and complex than traditional diesel engines This paper presents results building the Mean Value Engine Model (MVEM) of new generation diesel engine in Matlab/Simulink with input data defined by measuring on testing stand and using weighted least-squares optimization This MVEM is used in model simulating accleration performance of Hyundai Starex Vehicle Keywords: Performance of engine; Common Rail; mean value engine model; weighted least-squares; vehicle dynamics ĐẶT VẤN ĐỀ Trong nghiên cứu động lực học chuyển động thẳng tơ, đặc tính tốc độ động liệu đầu vào quan trọng Với số cơng trình nghiên cứu theo phương pháp truyền thống, đặc tính tốc độ xác định thực nghiệm [1], sử dụng mơ hình động đơn giản (các đặc tính cục nội suy tuyến tính từ đặc tính ngồi động cơ) [2-4] Cách làm phù hợp với loại động diesel sử dụng hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) kiểu khí truyền thống Người phản biện: GS.TS Trần Văn Địch TS Nguyễn Đình Cương 28 (lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình gct chủ yếu phụ thuộc vào vị trí bàn đạp ga) Với động diesel hệ dùng HTPNL kiểu CR, gct tính tốn điều khiển ECU dựa theo chế độ điều kiện vận hành (tín hiệu từ cảm biến: vị trí bàn đạp ga, tốc độ động cơ, nhiệt độ khí nạp,…) Như vậy, đặc tính tốc độ động diesel hệ có khác biệt lớn đặc tính cục khơng thể xác định theo phương pháp nội suy tuyến tính từ đặc tính ngồi động diesel truyền thống [5] Trong năm gần đây, việc sử dụng mơ hình trung bình (Mean Value Engine Model, MVEM) mơ ĐLH động sử dụng hệ Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC thống điều khiển điện tử bắt đầu nghiên cứu [6-8] MVEM xây dựng sở định luật bảo toàn khối lượng lượng, định luật nhiệt động, giá trị thông số mơ hình xác định cách lấy trung bình vài chu trình cơng tác (CTCT) Do đó, thời gian tính tốn dùng MVEM nhanh nhiều so với mơ hình động theo góc quay trục khuỷu đảm bảo độ xác [6] Ngồi ra, MVEM cịn xét đến yếu tố cơng nghệ động cơ, thuộc tính nhiên liệu Để có mơ hình MVEM cho động cụ thể cần phải xác định nhiều thông số đầu vào thực nghiệm Bài báo trình bày kết xây dựng MVEM động diesel D4CB 2.5 TCI-A phần mềm Matlab/ Simulink với thông số đầu vào xác định thực nghiệm bệ thử động sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MVEM CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL DÙNG HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU KIỂU CR Mơ hình động diesel dùng HTPNL kiểu CR sơ đồ hóa hình [8] với khối gồm: HTPNL kiểu CR, xilanh động cơ, đường ống nạp, đường ống thải, hệ thống tăng áp hệ thống tuần hồn khí thải Các thơng số mơ hình (hình 1) ký hiệu sau: Wc, Wt, Wegr lưu lượng khí qua máy nén, tuabin van EGR, [kg/s]; uvgt uegr độ mở van VGT van EGR, [%]; Wei, Weo lưu lượng khí vào khỏi xilanh, [kg/s]; pim, pem áp suất đường ống nạp đường ống thải, [Pa]; Xoim, Xoem hàm lượng oxy khí nạp khí thải, [%]; gct, [mg/ ct]; Ga % ga, [%]; n tốc độ động cơ, [vg/ph]; hệ số lambda nhỏ để giới hạn lượng phun nhiên liệu, [-]; Mômen có ích Me [Nm] của động xác định theo công thức [7]: (1) đó: Mi: mômen chỉ thị, [Nm]; Mp: mômen tổn thất bơm của động cơ, [Nm]; Mf: mômen tổn thất ma sát, [Nm]; i: số xilanh; qLHV: nhiệt trị thấp nhiên liệu, [J/kg]; Vd: thể tích cơng tác, [m3]; cf1, cf2, cf3: hệ số tổn thất ma sát xác định từ thực nghiệm Hiệu suất chỉ thị hi được xác định theo cơng thức: (2) đó: ci1, ci2, ci3, ci4, ci5: hệ số xác định thực nghiệm; : hệ số tương đương φ= (3) λO 2.1 Xác định áp suất khí nạp khí thải Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng và phương trình trạng thái khí lý tưởng, ta có các phương trình xác định áp suất khí nạp pim và khí thải pem [8-9]: (4) đó: Tim, Tem­: nhiệt độ khí nạp khí thải, [K], xác định thực nghiệm; Hình Sơ đồ khối mơ hình đợng diesel dùng HTPNL kiểu CR [8] Vim, Vem­: thể tích đường ống nạp thải, [m3], xác định thực nghiệm; Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 29 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Ra, Re: hằng sớ khí lý tưởng khí nạp khí thải, [J/kg.K] Lưu lượng khí qua máy nén Wc, qua tuabin Wt qua hệ thống EGR Wegr xác định thực nghiệm 2.2 Xác định lưu lượng khí vào khỏi xilanh Tởng lưu lượng khí nạp vào xilanh Wei được xác định theo công thức [8]: (5) đó: là hệ số nạp, [-], được xác định theo công thức (6), các hệ số cv1, cv2, cv3 được xác định bằng thực nghiệm: hồn tồn nhiên liệu có buồng đốt, tính tốn từ tỷ lệ (A/F)s 2.4 Xác định lượng nhiên liệu cấp chu trình Lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình gct xác định theo cơng thức [8]: (12) đó: : lượng phun tính tốn theo u cầu chế độ vận hành, [mg/ct]; : lượng phun giới hạn nhằm tránh khói đen, [mg/ct]; được tính theo cơng thức [8]: (13) (6) Lượng nhiên liệu cung cấp vào xilanh Wf được xác định theo cơng thức: (14) (7) đó: mơmen u cầu (Target Moment) ECU động xác định theo tín hiệu % ga tốc độ động n [vg/ph] Đối với HTPNL kiểu CR, “% ga” % giá trị điện áp cảm biến vị trí bàn đạp ga gửi ECU so với giá trị điện áp lớn theo thiết kế) Theo định luật bảo toàn khối lượng, lưu lượng khối lượng Weo khỏi xilanh được xác định theo công thức: (8) 2.3 Xác định hàm lượng oxy khí nạp thải Hàm lượng oxy khí nạp XOim , khí thải XOem được tính theo công thức [8]: (9) 3.1 Đối tượng nghiên cứu Động diesel 2.5 TCI-A (sử dụng HTPNL kiểu CR, tăng áp kiểu VGT, hệ thống EGR áp suất cao; thể tích cơng tác: 2497 cm3; tỷ số nén: 17,6; công suất định mức theo thiết kế 106 kW n=3800 vg/ph; mômen xoắn lớn theo thiết kế 350 Nm n=2500 vg/ph) [10] lắp xe Hyundai Starex đó: 3.2 Trang thiết bị thử nghiệm XOc: hàm lượng oxy qua máy nén (XOc = 20,9÷21%); XOe: hàm lượng oxy khí thải, được xác định theo công thức [8]: Quá trình nghiên cứu thực nghiệm tiến hành Phịng thí nghiệm Động Viện Cơ khí động lực/Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, [1] bệ thử động Trường Đại học Công nghệ Giao thơng Vận tải (hình 2) Động thử nghiệm chế độ ổn định ứng với chế độ vận hành (tải tốc độ) khác nhằm xác định chi tiết thông số đầu vào cho mơ hình MVEM: tốc độ động cơ; mơmen/cơng suất có ích; nhiệt độ, áp suất, lưu lượng khí nạp; nhiệt độ áp suất khí thải; lưu lượng khí qua van EGR; lượng nhiên liệu tiêu thụ;… (10) Tỷ lệ oxy/nhiên liệu thức [8]: được xác định theo công (11) đó: (O/F)s là tỷ lệ oxy cần thiết để đốt cháy 30 XÂY DỰNG MVEM CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 2.5 TCI-A Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Hình Sơ đồ bố trí bệ thử động Trường Đại học Cơng nghệ GTVT [10] Alpha 160: phanh thử; AVL-553S-200: hệ thống kiểm soát nhiệt độ nước làm mát; AVL PLU 160: thiết bị đo lượng nhiên liệu tiêu thụ; Bobcat: hệ thống tự động hóa thiết bị đo bệ thử; I/O Cube: hộp nối cáp tín hiệu từ cảm biến; FEM: chuyển đổi tín hiệu; K57: bảng điều khiển; Throttle pedal: bàn đạp ga; FTIR: thiết bị phân tích khí thải; PC: máy tính; Testo 350: thiết bị đo Wegr; GScan: thiết bị chẩn đoán đọc liệu ECU Hình 3c Lưu lượng khí qua máy nén Hình 3d Lưu lượng khí qua EGR 3.3 Kết xác định thông số đầu vào 3.3.1 Các thông số xác định trực tiếp Các thông số nhập trực tiếp vào mơ hình MVEM (dưới dạng bảng tra) bao gồm: mơmen u cầu, nhiệt độ khí nạp khí thải, lưu lượng khí qua tuabin máy nén, lưu lượng khí qua van EGR Các bảng tra (hình 4a, b, c, d, e, g) có hai thông số đầu vào tốc độ động mômen yêu cầu, riêng mômen yêu cầu phụ thuộc vào vị trí bàn đạp ga tốc độ động Hình 3a Mơmen u cầu Hình 3b Lưu lượng khí qua tuabin Hình 3e Nhiệt độ khí nạp Hình 3g Các liệu đầu vào xác định trực tiếp Hình trình bày kết so sánh đặc tính tốc độ động 2.5 TCI-A xác định thực nghiệm (hình 4a) theo phương pháp nội suy tuyến tính (từ đặc tính ngồi đo thực nghiệm) (hình 4b) Ta thấy, có khác biệt lớn đặc tính tốc độ cục bộ, dùng đặc tính tốc độ theo phương pháp nội suy tuyến tính ảnh hưởng lớn đến kết khảo sát đặc tính tăng tốc xe Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 31 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 3.3.2 Các thơng số xác định phương pháp bình phương tối thiểu a) Đo thực nghiệm Để xây dựng mô hình MVEM, cần xác định hệ số phương trình xác định hệ số nạp (phương trình 6), hiệu suất thị i (phương trình 2), tổn thất ma sát Mf (phương trình 1), lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình gct (phương trình 13) Với liệu thử nghiệm thu được, nhóm tác giả sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu [9] để xác định hệ số này, với kết quả: cv1 = 0,0023; cv2 = -0,0027; cv3 = 0,0068; ci1 =0,37; ci2 =0,382*10-4; ci3 = -0,39*108 ; ci4 =0,065; ci5 =0,412; cf1 = -0,3; cf2 =2,296; cf3 = -1,223; c1 = 0,16; c2= 0,83*10-6; c3 = 0,2*10-6; c4 = 0,212*10-2; c5 = -0,99*10-2 3.4 Xây dựng mơ hình MVEM Matlab/ Simulink b) Nội suy tuyến tính Hình So sánh đặc tính tốc độ động 2.5 TCI-A xác định thực nghiệm theo phương pháp nội suy tuyến tính Với sở lý thuyết trình bày mục kết xác định thơng số đầu vào (mục 3), mơ hình MVEM động 2.5 TCI-A xây dựng Matlab/Simulink trình bày hình Hình Mơ hình MVEM đợng 2.5 TCI-A Matlab/Simulink Trong mơ hình (hình 5) có hai tín hiệu đầu vào tín hiệu Ga (điều khiển từ người lái) tốc độ động n; tín hiệu đầu mơmen có ích Me Tốc độ động xác định thông qua phương trình cân ĐLH bánh đà động nghiệm (hình 4a) Ngồi ra, có đồng dạng quy luật thay đổi gct Me động KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG MVEM VÀ NHẬN XÉT Kết tính tốn gct đặc tính tốc độ động 2.5 TCI-A mơ hình MVEM trình bày hình Ta thấy, đặc tính tốc độ tính tốn (hình 6b) có hình dạng bám sát với đặc tính tốc độ thực 32 a) Lượng phun nhiên liệu chu trình gct Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC n, vg/ph Tín hiệu từ cảm biến chân ga, [%] 60 70 80 90 100 1000 1,87 1,87 1,87 1,87 1,87 1200 3,27 3,27 3,27 3,27 3,27 1400 3,65 3,65 3,65 3,65 3,65 1600 3,95 3,74 3,54 3,47 3,47 b) Mômen động Me 1800 2,76 1,55 -0,53 -1,62 -1,62 Hình Kết tính tốn gct ,Me động 2.5 TCI-A mơ hình MVEM 2000 4,08 3,90 2,27 -0,62 -2,00 2200 4,76 6,00 5,49 2,80 2,38 2400 2,43 5,51 6,00 5,13 4,73 2500 4,25 1,04 1,52 3,77 4,24 2600 4,62 1,18 1,90 4,58 2,91 2800 3,52 3,64 5,17 4,73 5,26 3000 2,65 2,52 2,17 3,04 2,85 3500 3,57 2,78 3,50 2,73 3,48 Tổng hợp sai số Me tính tốn mơ hình MVEM đo thực nghiệm chế độ vận hành trình bày bảng Sai số lớn Me kết tính tốn thực nghiệm 6,16% kết tính tốn có xu hướng cao so với kết đo thực nghiệm Sai số lớn gct tính tốn đo thực nghiệm 6,5% (tại chế độ 40% ga, n = 2600 vg/ph) Khối MVEM động 2.5 TCI-A xây dựng khối thành phần mô hình mơ ĐLH chuyển động thẳng xe Huyndai Starex [11], cho phép nghiên cứu trình tăng tốc xe sát với thực tế (xác định chi tiết xác thay đổi Me theo thay đổi vị trí bàn đạp ga người lái,…) Bảng Tổng hợp sai số Me tính tốn đo thực nghiệm (%) n, vg/ph Tín hiệu từ cảm biến chân ga, [%] KẾT LUẬN - Phân tích lý thuyết xây dựng mơ hình MVEM động diesel 2.5 TCI-A dựa liệu thực nghiệm bệ thử động - Mô hình MVEM có xét đến đặc điểm cơng nghệ động cơ, thuộc tính loại nhiên liệu sử dụng - Mơ hình xây dựng sử dụng để nghiên cứu ĐLH chuyển động thẳng xe Huyndai Starex [11-12] 10 20 30 40 50 1000 1,79 1,24 1,87 1,87 1,87 1200 2,64 0,91 2,82 3,27 3,27 1400 0,18 0,71 3,25 3,65 3,65 1600 - 2,72 3,74 2,93 4,10 Nguyên, Trần Anh Trung (2015) Xác định thông 1800 - 4,41 1,27 6,16 3,96 số công tác mức phát thải ô nhiễm động 2000 - 3,35 2,53 4,00 4,95 2200 - - 1,64 4,69 3,84 2400 - - 3,27 5,36 4,17 2500 - - 5,33 3,38 4,06 [2] Nguyễn Hoàng Vũ Báo cáo tổng kết đề tài 2600 - - -1,46 1,92 4,63 NCKH&PTCN cấp Nhà nước Nghiên cứu sử 2800 - - 3,29 4,18 4,93 dụng nhiên liệu diesel sinh học (B10 B20) cho 3000 - - 2,00 2,00 2,21 3500 - - 2,40 3,33 3,00 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Trọng Tuấn, Phạm Trung Kiên, Phùng Văn Được, Dương Quang Minh, Nguyễn Gia Nghĩa, Vũ Thành Trung, Nguyễn Hoàng Vũ, Khổng Văn diesel Huyndai 2.5 TCI-A thực nghiệm Hội nghị Khoa học cơng nghệ tồn quốc Cơ khí 2015 Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, ISBN: 978-604-73-3690-6, 11/2015 phương tiện giới quân sự, mã số: ĐT.06.12/ NLSH; thuộc Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 33 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC [3] Nguyễn Đình Tuấn (2010) Mơ hình tổng quát khảo sát động lực học chuyển động thẳng quay vịng xe xích qn Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật quân [4] Vũ Đức Lập, Vũ Ngọc Tuấn (2009) Khảo sát chuyển động thẳng tơ nhiều trục Tạp chí Cơ khí Việt Nam [5] Hà Quang Minh, Nguyễn Hoàng Vũ (2010) Phun nhiên liệu điều khiển điện tử động đốt NXB Quân đội nhân dân, Hà Nội [6] Olivier Grondin, Richard Stobart, Houcine Chafouk, Jean Maquet (2004) Modelling the Compression Ignition Engine for Control: Review and Future Trends SAE World Congress, Detroit, Michigan 34 [9] Rajesh Rajamani (2012) Vehicle Dynamics and Control, Springer [10] Nguyễn Hoàng Vũ Báo cáo tổng kết đề tài NCKH & PTCN cấp Nhà nước “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học với mức pha trộn khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH, thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 [11] Vũ Thành Trung, Vũ Đức Mạnh, Nguyễn Đình Tuấn, Nguyễn Hồng Vũ (2016) Nghiên cứu xây dựng mơ hình đánh giá đặc tính tăng tốc xe Hyundai Starex phần mềm mơ GTSuite Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 9/2016 [7] Timothy Broomhead, Chris Manzie, Michael Brear [12] Vũ Thành Trung, Nguyễn Hoàng Vũ, Nguyễn and Peter Hield (2015) Model Reduction of Diesel Đình Tuấn (2015) Nghiên cứu đặc tính tăng tốc Mean Value Engine Model SAE Technical Paper xe Hyundai Starex bệ thử lăn Kỷ yếu [8] Johan Wahlström and Lars Eriksson (2014) Hội nghị Cơ học toàn quốc 2015, Trường Đại học Modelling and control of engines and drivelines Bách khoa Đà Nẵng, ISBN: 978-604-84-1273-9, John Wiley &Sons, Ltd 8/2015 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 ... MVEM VÀ NHẬN XÉT Kết tính tốn gct đặc tính tốc độ động 2.5 TCI-A mơ hình MVEM trình bày hình Ta thấy, đặc tính tốc độ tính tốn (hình 6b) có hình dạng bám sát với đặc tính tốc độ thực 32 a) Lượng... hai thông số đầu vào tốc độ động mômen yêu cầu, riêng mômen yêu cầu phụ thuộc vào vị trí bàn đạp ga tốc độ động Hình 3a Mơmen u cầu Hình 3b Lưu lượng khí qua tuabin Hình 3e Nhiệt độ khí nạp Hình. .. lái) tốc độ động n; tín hiệu đầu mơmen có ích Me Tốc độ động xác định thông qua phương trình cân ĐLH bánh đà động nghiệm (hình 4a) Ngồi ra, có đồng dạng quy luật thay đổi gct Me động KẾT QUẢ MÔ