i. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
2.2.3. Các nội dung cần thực hiện khi xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho động cơ
cơ
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu ở phần trên, nhận thấy rằng ĐCĐT sử dụng trên phương tiện cơ giới nói chung và trên ô tô nói riêng có chế độ làm việc phổ biến hơn hẳn so với ĐCĐT sử dụng trên máy phát điện và trên tàu thủy. Trong đó các chế độ làm việc của động cơ được giới hạn bởi giải tốc độ thay đổi từ nmin đến nđm, và tương ứng tại mỗi nđc xác định thì tải động cơ thể hiện qua công suất Ne lại thay đổi từ 0 (không tải) đến cực đại (toàn tải). Mặt khác, tại mỗi chế độ làm việc của động cơ lại được xác định thông qua tổ hợp các tham số điều chỉnh như góc đánh lửa sớm của động cơ xăng, góc phun sớm của động cơ diesel, lượng nhiên liệu cung cấp, áp suất phun, vv. Do đó, bộ tham số điều chỉnh cho ĐCĐT sử dụng trên ô tô sẽ là bộ tham số mà đảm bảo cho động cơ hoạt động trong toàn giải làm việc của nó cũng như đối với máy phát điện và tàu thủy. Như vậy việc xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho động cơ ô tô có thể được coi là đặc trưng cho quá trình xây dựng bộ tham số điều chỉnh chuẩn cho ĐCĐT.
2.2.3.1. Chia lưới-phân vùng làm việc
Trong thực tế, khi ô tô hoạt động trên đường cao tốc hoặc trong thành phố phải liên tục thay đổi cả về tốc độ và tải để phù hợp với điều kiện sử dụng, do đó động cơ ô tô cũng cần phải thay đổi liên tục chế độ làm việc để luôn đảm bảo cân bằng giữa mô men có ích (Me) và mô men cản (Mc), tuy nhiên sự thay đổi này phải luôn nằm trong giới hạn cho phép của động cơ mà được xác định trên cơ sở giới hạn ứng suất cơ, ứng suất nhiệt và diễn biến bình thường của chu trình công tác. Do đó, động cơ ô tô cần phải có miền làm việc xác định thông qua các tham số chính như tốc độ và tải của động cơ, trong đó giới hạn vùng làm việc được xác định với tốc độ động cơ từ nmin đến nđm và tải từ không tải đến toàn tải. Như vậy, trong quá trình xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho động cơ ô tô, tức là xác định bộ tham số điều chỉnh cho từng chế độ làm việc, thì trước tiên cần xác định các chế độ làm việc của động cơ ô tô trong miền làm việc cho phép bằng phương pháp chia lưới vùng làm việc thể hiện qua mapping chế độ làm việc. Do đặc điểm riêng của ĐCĐT “điểm làm việc có hiệu quả nhất lại không phải là điểm làm việc có tính kinh tế nhất”. Vì vậy để động cơ ô tô đảm bảo đáp ứng các yêu cầu trong sử dụng và khai thác thì vùng làm việc của động cơ phải được chia thành nhiều vùng [56]. Mỗi vùng làm việc sẽ đáp ứng các mục tiêu khác nhau. Ví dụ như: vùng làm việc đảm bảo cho động cơ làm việc đạt tính kinh tế tức là tiêu hao nhiên liệu thấp (gemin), hoặc vùng làm việc đảm bảo cho động cơ làm việc đạt hiệu quả cao tức là áp suất có ích trung bình đạt cực đại (pemax), hoặc vùng làm việc đảm bảo đạt mức phát thải thấp nhất, hoặc vùng làm việc không tải phải êm dịu, vv. Trên cơ sở phân tích như trên, quá trình chia lưới vùng làm việc của động cơ được thực hiện như sau:
- Xác định giới hạn tốc độ làm việc của động cơ, từ nmin đến nmax.
- Xác định đặc tính ngoài của động cơ để có vùng làm việc từ không tải tới toàn tải. - Xác định độ lớn của các mắt lưới theo tốc độ và tải của động cơ.
44
- Xác định các vùng làm việc của động cơ, bao gồm: vùng làm việc có pe-max; vùng làm việc có ge-min; vùng làm việc có phát thải thấp; vùng làm việc Gnlmin (không tải).
Hình 2.4 thể hiện các vùng làm việc của động cơ, được thực hiện trong quá trình phân vùng và chia lưới để chuẩn bị cho việc thực hiện quá trình tối ưu các tham số tại các chế độ làm việc của động cơ.
2.2.3.2. Tối ưu các tham số điều chỉnh tại mỗi mắt lưới
Trên cơ sở phạm vi sơ đồ chia lưới-phân vùng làm việc của động cơ như đã được xây dựng ở trên, số mắt lưới cần xác định tham số điều khiển là khá lớn [56, 62, 63]. Hơn nữa, để đảm bảo độ tin cậy và tính chính xác của kết quả khảo sát tại các vùng làm việc khác nhau, thông thường sẽ phải tăng mật độ chia lưới tại các vùng làm việc có mức độ ảnh hưởng của tham số điều khiển đến hàm mục tiêu khá cao. Như vậy sẽ dẫn đến số mắt lưới cần khảo sát càng tăng. Chính vì vậy việc lựa chọn phương pháp tối ưu các tham số điều chỉnh tại mỗi mắt lưới mà vẫn đảm bảo độ tin cậy và tính chính xác của kết quả cũng như giảm thiểu số lần thử nghiệm tại mỗi mắt lưới là rất cần thiết. Với kết quả phân tích và đánh giá trên mục 2.2.2, thì phương pháp QHTN có thể được coi là phù hợp hơn cả vì đáp ứng cả 2 mục tiêu vừa giảm thiểu số lần thử nghiệm mà vẫn đảm bảo độ tin cậy và tính chính xác của kết quả nghiên cứu. Do vậy, trong nghiên cứu này phương pháp quy hoạch thực nghiệm được lựa chọn để xác định tham số điều khiển tại mỗi mắt lưới. Nội dung sẽ trình bày chi tiết kỹ ở chương 3.
2.2.3.3. Giảm thiểu số mắt lưới cần thử nghiệm
Với phương pháp QHTN đã được lựa chọn để xác định bộ dữ liệu điều khiển sẽ giảm khá nhiều số lần thử nghiệm khi thực hiện tại mỗi mắt lưới. Tuy nhiên như phân tích ở
Hình 2.4. Sơ đồ chia lưới-phân vùng làm việc của động cơ
Vùng 1, 2 và 3 động cơ làm việc Gnlmin; vùng 4,5 và 6 động cơ làm việc với ge-min; vùng 7,8 và 9 động cơ làm việc với pe-max.
45
trên, số mắt lưới phụ thuộc vào phạm vi hoạt động của động cơ theo tốc độ và tải cũng như mức độ ảnh hưởng của tham số điều khiển đến mục tiêu tại mỗi vùng làm việc của động cơ. Như vậy, số lượng thử nghiệm vẫn phụ thuộc vào số mắt lưới trên đồ thị lưới của động cơ khảo sát. Do đó để giảm số lần thử nghiệm khi xây dựng bộ dữ liệu cho động cơ thì việc giảm thiểu số mắt lưới cần thử nghiệm là cần thiết. Cùng với sự kết hợp phương pháp phân chia vùng làm việc của động cơ theo từng chủng loại động cơ, như động cơ xăng, động cơ diesel và phạm vi khai thác sẽ quyết định giảm số mắt lưới không cần phải khảo sát mà vẫn đảm bảo độ chính xác của bộ dữ liệu. Như vậy phương pháp phân chia vùng khảo sát để giảm số mắt lưới được thực hiện theo cơ sở chủng loại động cơ và phạm vi làm việc.
Trên thực tế vùng làm việc của động cơ được xác định cùng với đặc tính làm việc của máy công tác. Đối với động cơ ôtô, vùng làm việc được xác định trên cơ sở đồ thị động lực học của ô-tô cụ thể theo các tay số... Nếu thực hiện như vậy thì bài toán quá rộng ngoài phạm vi nghiên cứu của luận án. Vì vậy để thực hiện bài toán này, nghiên cứu sinh đã giả thiết vùng làm việc của động cơ trên cơ sở phân tích dưới đây.
Đối với động cơ cỡ nhỏ các vùng làm việc thường được phân ra như sau:
- Tại vùng tốc độ thấp động cơ thường làm việc với chế độ tải trọng nhỏ, tức pe nhỏ. - Tại vùng tốc độ trung bình, đây là vùng làm việc phổ biến của động cơ và tải trọng thường ở mức trung bình, khi đó đòi hỏi động cơ làm việc tiết kiệm nhiên liệu và phát thải ít.
- Tại vùng tốc độ cao, đây là vùng làm việc mà động cơ cần phát ra công suất lớn do đó thường làm việc ở mức độ tải trọng lớn, tức pe max.
Đối với động cơ cỡ lớn vùng làm việc thường hoạt động ở chế độ tải lớn tốc độ trung bình.
Trên cơ sở đó, có thể thấy rằng vùng làm việc của động cơ được giới hạn giữa hai đường đậm như thể hiện trên Hình 2.5. Đối với vùng tải nhỏ sẽ tương ứng với tốc độ động cơ thấp còn vùng tải lớn sẽ tương ứng với vùng tốc độ cao. Vị trí xuất phát, góc nghiêng của hai đường đậm và mật độ chia lưới được xác định theo chủng loại động cơ và phạm vi sử dụng. Do đó, để giảm số mắt lưới thử nghiệm cần phải thực hiện như sau:
- Số mắt lưới thử nghiệm
46 thẳng đậm sẽ được lấy nhiều hơn.
- Tại vùng ngoài giới hạn của 2 đường thẳng đậm, chỉ cần lấy số mắt lưới ít hơn. - Bộ tham số tại các điểm không phải thử nghiệm được xác định dựa trên bộ tham số tại các điểm được thử nghiệm ở gần điểm đó nhất theo phương pháp nội suy tuyến tính.
Như vậy, với phương pháp này số điểm thử nghiệm sẽ được giảm đi đáng kể.
2.2.3.4. Nội suy, ngoại suy dữ liệu không trùng mắt lưới
Độ tin cậy và mức độ chính xác của bộ dữ liệu tại các điểm không cần phải khảo sát phụ thuộc vào phương pháp nội suy từ bộ dữ liệu của các điểm được thử nghiệm [32, 33]. Phương pháp nội suy được thực hiện theo thuật toán như thể hiện ở Hình 2.6.
Trên Hình 2.6 thể hiện hai mô hình nội suy, với thuật toán nội suy trên Hình 2.6a cho phép nội suy bộ dữ liệu của điểm O khi đã biết được bộ dữ liệu tại 4 điểm cơ sở (A), (B), (C), (D), và giá trị tại điểm O sẽ được tính bằng trung bình cộng của 4 điểm (A), (B), (C), (D). Còn đối với những điểm có thể sử dụng được cả hai dạng mô hình nội suy thì sẽ ưu tiên sử dụng mô Hình 2.6a (vì khoảng cách tới điểm O gần hơn mô Hình 2.6b. Ngoài ra các mắt lưới ở biên sẽ được nội suy hoặc ngoại suy theo đường đặc tính tốc độ.
2.2.3.5. Kiểm tra tính chính xác của bộ dữ liệu thu được
Đây là bước quan trọng, quyết định độ tin cậy và tính chính xác của kết quả có được trong quá trình xây dựng bộ dữ liệu chuẩn. Để đánh giá độ tin cậy và tính chính xác của bộ dữ liệu cần phải có bước kiểm tra tính chính xác của bộ dữ liệu thu được từ các bước thực hiện nêu trên. Trên cơ sở bộ dữ liệu đã được xác định tại mỗi mắt lưới (các điểm nút trên sơ đồ lưới) tiến hành thử nghiệm tại các chế độ làm việc của động cơ ứng với các tham số điều khiển trùng với bộ dữ liệu đã được xác định ở trên. Thông thường với động cơ ô tô, chỉ cần so sánh và đánh giá trên cở sở đặc tính ngoài và một vài đặc tính bộ phận giữa kết quả từ phương pháp xây dựng bộ dữ liệu chuẩn và kết quả thử nghiệm lại từ bộ tham số đã được xây dựng là có thể đánh giá được độ tin cậy của kết quả.