Một mơ hình hồn chỉnh của động cơ có thể phân tích thành các thành phần: động học đường hút, động học phun nhiên liệu, động học mô-men trên trục động cơ Cấu trúc được mơ tả bởi hệ phương trình vi phân (2 22) với 3 biến trạng thái
( ma , m fi , ωe ) , tín hiệu điều khiển là (α 0 ≤ α ≤ 1) , phương trình động học đường
hút được mơ tả bởi phương trình vi phân (2 7), phương trình động học hệ thống phun nhiên liệu được mơ tả bởi phương trình (2 15), phương trình động học trên trục động cơ được mơ tả bởi phương trình (2 21)
Hình 2 18 Sơ đồ mô phỏng động cơ xăng trên Simulink
Theo [71], [90] ta có các thơng số khảo sát của động cơ xăng như trong bảng 2 1, thay các giá trị trong bảng 2 1 vào phương trình (2 22) Cho chạy mơ phỏng hình 2 18 với điều kiện đầu ω0 = 100[rad/s] , góc mở bướm ga α0 = 0,225( rad ) , ta có kết quả như trong hình 2 19
Bảng 2 1 Các thông số khảo sát của động cơ xăng [71]
40 mMAX 0,1843 (kg/s) Δtit 5,48/ω (s) Vm 0,0038 (m^3) Δtst 1,3/ω (s) Ve 0,0027 (m^3) Tm 300 (degK) Je 0,1454 (kg m^2) Ma 28,84 (g/mole) CM 498636 N m/ (kg/s) R 8314,3(J/mole deg K)
Hình 2 19 Kết quả mơ phỏng hoạt động của động cơ xăng
Kết quả mô phỏng hình 2 19 được thể hiện như sau:
- Trong khoảng thời gian từ 0 đến 10 giây: động cơ xăng hoạt động ở chế độ khơng tải có ω0 = 100( rad / s) , góc mở bướm ga α0 = 0,225( rad ) , mơ-men cản từ ngồi
τ c = 0 , mô-men của động cơ cân bằng với mô-men cơ giới τ i = τ f = 25,69( Nm)
- Thời gian từ 10 đến 80 giây: cho động cơ xăng duy trì ở tốc độ ω = 300( rad / s) , trong khoảng thời gian này góc mở bướm ga α và mơ-men cản từ bên ngồi
τ c thay đổi làm ảnh hưởng đến tốc độ và mô-men của động cơ xăng như sau:
+ Thời gian từ 10 đến 20 giây: đặt α = 0,51( rad ) , mơ-men cản từ ngồi vào τ c = 0 , động cơ xăng tăng tốc độ quay lên ω = 300( rad / s) , mô-men của động cơ cân bằng với mô-men cơ giới ở giá trị τ i = τ f = 46,9( Nm)
+ Thời gian từ 20 đến 30 giây: giữ α = 0,51( rad ) , cho mô-men cản tăng lên τ c = 30( Nm) , khi đó động cơ xăng giảm tốc độ quay xuống ω = 206(rad / s) , vì
tốc độ của động cơ giảm nên τ f = 36,86 ( Nm) , mô-men của động cơ cân bằng với tổng các mô-men cản tại giá trị τ i = τ f + τ c = 66,86( Nm)
+ Thời gian từ 30 đến 40 giây: để tốc độ của động cơ xăng duy trì trở lại giá trị ω = 300( rad / s) khi τ c = 30( Nm) , tăng góc mở bướm ga lên α = 0,663( rad ) ,
vì tốc độ của động cơ tăng nên mô-men cơ giới tăng τ f = 46,96( Nm) , mô-men của động cơ cân bằng với tổng các mô-men cản tại giá trị τ i = τ f + τ c = 76,96( Nm) + Thời gian từ 40 đến 50 giây: giữ α = 0,663( rad ) , cho mô-men cản từ bên ngoài giảm xuống τ c = 10( Nm) , ta thấy tốc độ của động cơ xăng tăng lên
ω = 367( rad / s) , mô-men của động cơ giảm xuống τ i = τ f + τ c = 63,88( Nm)
+ Thời gian từ 50 đến 60 giây: để tốc độ của động cơ xăng duy trì trở lại giá trị ω = 300( rad / s) khi τ c = 10( Nm) , giảm góc mở bướm ga xuống
α = 0,563( rad ) , tốc độ của động cơ giảm xuống làm cho mô-men cơ giới τ f = 46,9( Nm) , mô-men của động cơ giảm xuống τ i = τ f + τ c = 56,9( Nm)
+ Thời gian từ 60 đến 70 giây: giữ α = 0,563( rad ) , khi τ c = 20( Nm) , tốc độ của động cơ giảm xuống ω = 267(rad / s) , mô-men của động cơ xăng cân bằng với các cản τ i = τ f + τ c = 62,7 ( Nm)
+ Thời gian từ 70 đến 80 giây: : để tốc độ của động cơ xăng duy trì trở lại giá trị ω = 300( rad / s) khi τ c = 20( Nm) , góc mở bướm ga tăng lên
α = 0,613( rad ) , mô-men của động cơ xăng cân bằng với các cản τ i = τ f + τ c = 66,74( Nm)
Nhận xét: Từ mơ phỏng ta thấy, góc mở bướm ga α , mơ-men cản từ bên ngồi τ c
làm thay đổi tốc độ ωe và mô-men τ i của động cơ xăng Khi mô-men cản từ bên ngồi thay đổi, cần phải thay đổi góc mở bướm ga α để điều khiển mô-men của động cơ xăng τ i bám theo sự thay đổi của tổng mô-men cản τ f + τ c của động cơ xăng và duy trì tốc độ của động cơ ωe
Kết quả của mơ phỏng hình 2 18 là phương pháp điều khiển thủ cơng góc mở bướm ga α để giữ ổn định tốc độ của động cơ xăng khi mô-men cản thay đổi, thực tế chúng ta không thể thực hiện được bằng phương pháp này Vì vậy, cần xây dựng một bộ tự động điều khiển (hình 2 16b-12) giữ ổn định tốc độ để mô-men của động cơ xăng bám theo các mô-men cản tác động vào động cơ và giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ Phần tiếp theo của luận án là nghiên cứu nhận dạng mơ hình tốn động cơ xăng theo phương trình (2 22) và có cấu trúc như trong hình 2 14 với đầu vào là góc mở bướm ga α ( rad ) , đầu ra là tốc độ ω ( rad / s) đưa về dạng các
phương trình tuyến tính để làm cơ sở để xác định thơng số của bộ điều khiển ổn định tốc độ của động cơ xăng trong Chương 3