Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo này nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển tốc độ không tải động cơ 2.5 TCI-A lắp trên xe HYUNDAI STAREX khi sử dụng biodiesel B20. Kết quả cho thấy động cơ hoạt động bình thường ở chế độ không tải, động cơ sử dụng bộ điều khiển không tải phát thải CO giảm 14,34%, phát thải HC giảm 19,2%, phát thải NOx tăng 70,54% và phát thải PM không thay đổi so với động cơ nguyên thuỷ với cùng loại nhiên liệu B20.
HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ KHÔNG TẢI TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL COMMON RAIL KHI SỬ DỤNG BIODIESEL RESEARCH IDLE SPEED CONTROL ENGINE DIESEL COMMON RAIL USING BIODIESEL KHỔNG VĂN NGUYÊN1*, LÊ ANH VŨ1, TRẦN ANH TRUNG2 TRẦN VĂN THOAN1 , NGUYỄN HỒNG VŨ3 Khoa Cơ khí động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Khoa Kỹ thuật ô tô lượng, Trường Đại học Phenikaa Phịng Thơng tin khoa học, Trường Đại học kỹ thuật Lê Q Đơn *Email liên hệ: kvnguyen251@gmail.com Tóm tắt Trong năm gần đây, việc sử dụng nhiên liệu sinh học động diesel điều khiển điện tử nhà khoa học, nhà sản xuất nhiên liệu người tiêu dùng quan tâm Tuy nhiên, việc nghiên cứu điều khiển tốc độ không tải động diesel dùng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử kiểu Common Rail (CR), có ưu điểm áp suất phun lớn, điều khiển xác lượng, thời điểm số lần phun cịn bỏ ngỏ Bài báo nghiên cứu, thiết kế điều khiển tốc độ không tải động 2.5 TCI-A lắp xe HYUNDAI STAREX sử dụng biodiesel B20 Kết cho thấy động hoạt động bình thường chế độ khơng tải, động sử dụng điều khiển không tải phát thải CO giảm 14,34%, phát thải HC giảm 19,2%, phát thải NOx tăng 70,54% phát thải PM không thay đổi so với động nguyên thuỷ với loại nhiên liệu B20 Từ khóa: Hệ thống nhiên liệu Common Rail, điều khiển tốc độ không tải, diesel sinh học Abstract In recent years, the use of biofuels in the Electronic Diesel Control being interested by the scientists, fuel producers as well as consumers concise and factual abstract is required However, the research idle speed control using biodiesel on common rail diesel engine have not been researched yet This paper research and designs the idle speed control of engine diesel 2.5TCI-A HYUNDAI STAREX use biodiesel B20 The results show that the engine is operating normally idle speed, the engine using the idling controller reduces CO by 14.34%, HC by 19.2%, NOx by 70.54 % and PM unchanged compared to the original engine with the same fuel B20 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Keywords: Common Rail Injection System, idle speed control, biodiesel Mở đầu Điều khiển lượng phun nhiên liệu chế độ khơng tải phải xác để tiết kiệm nhiên liệu, tăng công suất, giảm phát thải động [1] Khi người lái nhả chân ga, chương trình khơng tải làm việc Tốc độ không tải phụ thuộc chế độ làm việc động cơ: Động lạnh, động nóng, bật điều hồ, xe chạy tự do, nhả chân côn, [2] Để thực việc điều khiển không tải liên tục làm việc điều khiển lượng nhiên liệu đáp ứng tốc độ không tải yêu cầu Bộ điều khiển ECU động chia làm hai phần phần mạch điện tử (phần cứng) phần chương trình điều khiển (phần mềm) Phần cứng nhiều hãng chế tạo dạng tiêu chuẩn (hoạt động ổn định, có độ tin cậy cao) gọi “ECU trắng” với nhiều cấu hình khác tùy theo mục đích sử dụng Phần mềm chương trình thuật tốn điều khiển hãng sản xuất động thực hiện, phần mềm phải phù hợp với động loại nhiên liệu Do sử dụng nhiên liệu biodiesel cần phải thiết kế lại phần mềm điều khiển để động làm việc với hiệu suất cao [4] Vấn đề nghiên cứu điều khiển tốc độ không tải động diesel hệ điều khiển điện tử phức tạp, liên quan đến nhiều cấu hệ thống đặc biệt hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử kiểu Common Rail, (với áp suất phun cao không phụ thuộc vào tốc độ động cơ; số lần, thời điểm lượng phun thay đổi linh hoạt cho mục đích khác nhau) [4] Để thiết kế chương trình điều khiển tốc độ khơng tải tác giả lựa chọn phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển dựa mơ hình mơ trực tiếp đối tượng ngơn ngữ Matlab/simulink Do số liệu hệ thống điều khiển tạo điều khiển mơ hình mơ động hiệu chỉnh cho phù hợp điều khiển động thực 163 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 bệ thử Thay chạy động trực tiếp, liên tục để thu thập số liệu điều khiển cơng việc cịn lại hiệu chỉnh thơng số điều khiển, giảm thiểu thời gian chạy động thật bệ thử nên giảm chi phí thời gian thực Bài báo nghiên cứu, thiết kế điều khiển tốc độ không tải động 2.5 TCI-A lắp xe HYUNDAI STAREX sử dụng biodiesel B20 Kết nghiên cứu phục vụ trực tiếp cho việc lập chương trình điều khiển ECU dùng cho động chuyển sang sử dụng nhiên liệu diesel sinh học [4] Các nghiên cứu thực nghiệm tiến hành băng thử động thuộc Trung tâm Cơng nghệ Cơ khí, Trường Đại học Cơng nghệ Giao thơng vận tải Tính tốn lượng nhiên liệu phun khơng tải 2.1 Tính tốn lượng nhiên liệu không tải yêu cầu Khi người lái nhả chân ga, chương trình khơng tải bắt đầu làm việc Tốc độ không tải yêu cầu thay đổi tùy thuộc vào chế độ làm việc động Khi động nguội tốc độ không tải yêu cầu cao động nóng, tốc độ khơng tải tăng lên điện áp ắc quy yếu, bật điều hịa, xe thả trơi (nhả chân cơn) Khi xe liên tục dừng - chạy (do đèn giao thông) động hoạt động chế độ không tải, dẫn tới tốn nhiên liệu tăng phát thải, tốc độ không tải yêu cầu giảm xuống mức thấp Khi điện áp ắc quy yếu tiêu thụ công suất lớn nhiều điện áp ắc quy đủ, đồng thời cơng suất cho máy nén điều hịa, trợ lực tay lái, bơm cao áp, phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ động Tất yếu tố ảnh hưởng tới trình điều khiển tốc độ không tải yêu cầu [3] Tốc độ không tải yêu cầu phụ thuộc vào nhiều thông số: nhiệt độ động cơ, tốc độ động cơ, điện áp ác quy tốc độ xe, tín hiệu bật tắt điều hòa xác định sau [3] n_idle_demand = f(T_water, n_e, u_acquy, v_vehicle, A/C) Trong đó: n_idle_demand tốc độ không tải yêu cầu, (v/ph); n_e tốc độ động cơ, (v/ph); v_vehicle tốc độ xe, (km/h); T_water nhiệt độ nước làm mát, (0C); u_acquy điện áp ắc quy, (mV); A/C tín hiệu bật tắt điều hịa Sơ đồ tính tốn lượng nhiên liệu khơng tải u cầu trình bày Hình Trong đó: n_idle_min tốc động khơng tải u cầu nhỏ nhất, (v/ph); n_idle_water tốc độ không tải yêu cầu theo nhiệt độ nước làm mát, (v/ph); n_idle_acquy tốc độ không tải yêu cầu theo điện áp ác quy, (v/ph); n_idle_A/C tốc độ không tải yêu cầu bật điều hịa, (v/ph); n_idle_v/n tốc độ khơng tải yêu cầu theo tỷ số 164 vận tốc xe tốc độ động cơ, (v/ph) Hình Sơ đồ tính tốn lượng phun khơng tải Để xác định tốc độ không tải yêu cầu, tiến hành thực nghiệm động lắp ECU nguyên thủy chạy với nhiên liệu diesel, đặt xe Hyundai Starex (bằng cách tạo giả tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát) Khi nhiệt độ nước làm mát nhỏ (khoảng 5oC), tốc độ không tải yêu cầu lớn động đạt khoảng 1050 (v/ph); nhiệt độ nước làm mát lớn 75oC tốc độ không tải yêu cầu động đạt giá trị nhỏ giữ ổn định mức 780 (v/ph) Sự thay đổi tốc độ không tải yêu cầu động 2.5 TCI-A theo nhiệt độ nước làm mát trình bày Hình Hình Diễn biến tốc độ không tải yêu cầu theo nhiệt độ động 2.5TCI-A Tốc độ không tải yêu cầu động xe di chuyển số khác » 900 (v/ph) Tốc độ động lớn sau khởi động 1043 (v/ph) Khi đóng/ ngắt ly hợp, có dao động nhỏ số vịng quay động (mức độ dao động khoảng 40 (v/ph)) Khi điện áp ắc quy mức 10,65V động tự động tăng vịng quay khơng tải từ 780 lên 1000 (v/ph) Thời gian từ lúc tăng đến giữ vòng quay ổn định 1000 (v/ph) khoảng 4,5 giây Điện áp nhỏ ắc quy mà động nổ máy khoảng 6V Khi xe vào số từ chế độ không tải, tốc độ không tải động tăng từ 780 (v/ph) lên 850 (v/ph) SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 2.2 Thiết kế điều khiển vịng kín Cấu trúc điều khiển PID, Hình gồm thành phần: Khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I), khâu vi phân (D) Khi sử dụng thuật toán PID, thiết phải lựa chọn chế độ làm việc P, PI hay PID sau đặt tham số cho chế độ chọn [5] pháp Ziegler - Nichols; Phương pháp Chien -Hrones Reswick; Phương pháp tổng T Kuhn; Phương pháp tối ưu độ lớn phương pháp tối ưu đối xứng; Phương pháp tối ưu theo sai lệch bám, [5] Để lựa chọn điều khiển phù hợp, tác giả sử dụng phương pháp Ziegler - Nichols nhằm xác định điều khiển tham số điều khiển, theo bước cụ thể sau, [5]: Bước1: Đặt kI = 0; kD = 0, Tăng dần giá trị kP đến dao động tuần hoàn Đặt giá trị kP = kth xác định chu kỳ dao động Tth Bước 2: Lựa chọn điều khiển tham số điều khiển theo chu kỳ Tth hệ số kth sau: kP = 0,6.kth; kI = 2.kp/T th; kD = kp.Tth/8 Hình Điều khiển với điều khiển PID Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản dễ sử dụng nên sử dụng rộng rãi điều khiển đối tượng SISO theo ngun lí hồi tiếp (Hình 2) Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) hệ thống khơng, cho q trình q độ thỏa mãn yêu cầu chất lượng: 2.3 Bộ điều khiển tốc độ không tải Lỗi không tải (e) xác định sai số số vòng quay khơng tải thực số vịng quay khơng tải u cầu Để hiệu chỉnh số vịng quay khơng tải, cần hiệu chỉnh thông số idle_kp; idle_ki; idle_kd, với sơ đồ điều khiển vịng kín thể Hình - Nếu sai lệch tĩnh e(t) lớn thơng qua thành phần uP(t), tín hiệu điều chỉnh u(t) lớn - Nếu sai lệch e(t) chưa không thơng qua phần uI(t), PID cịn tạo tín hiệu điều chỉnh - Nếu thay đổi sai lệch e(t) lớn thơng qua thành phần uD(t), phản ứng thích hợp u(t) nhanh Bộ điều khiển PID mơ tả mơ hình vào - ra: é u (t ) = K p êe(t ) + ë t de(t ) ù ò e(t) dt + K D ú KI dt û Trong đó: e(t) tín hiệu đầu vào; u(t) tín hiệu đầu ra; KP hệ số khuếch đại; KI số tích phân; KD số vi phân Từ mơ hình vào - trên, ta có hàm truyền đạt PID: æ è KI s R ( s ) = K p ỗ1 + ỗ Hỡnh S iu khin vũng kớn số vịng quay khơng tải động Hình 5, Hình biểu diễn số vịng quay khơng tải mơ lượng phun không tải mô động 2.5 TCI-A sử dụng B20 số vòng quay không tải yêu cầu 800 (v/ph); 900 (v/ph) Với tốc độ không tải yêu cầu tham số điều khiển KP, KI, KD xác định Bảng ÷ ø + KDs ÷ Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào tham số KP, KI, KD Muốn hệ thống có chất lượng mong muốn phải phân tích đối tượng sở chọn tham số cho phù hợp Hiện có nhiều phương pháp xác định tham số KP, KI, KD cho điều khiển PID, kể đến số phương pháp như: Phương SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Số vịng quay khơng tải thực ứng với số vịng quay khơng tải yêu cầu 800 (v/ph) 165 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 lớn (có thời điểm, mức tải dao động đến 250 (v/ph)) làm cho động bị rung giật Sau hiệu chỉnh hệ số điều khiển không tải (KP, KI, KD), mức độ dao động số vịng quay khơng tải giảm xuống (mức dao động lớn khoảng
