i. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
4.5. Tiến hành thử nghiệm và kết quả
4.5.1. Xây dựng đƣờng đặc tính ngoài
Đặc tính ngoài của động cơ được lựa chọn khảo sát là đặc tính ngoài sử dụng, được
79
định nghĩa là đường đặc tính tiến sát tới đường đặc tính khói đen và được xác định thông qua việc đo độ khói bằng thiết bị Smokemeter [67].
Trong luận án để xác định điểm thử nghiệm nằm trên đường đặc tính ngoài thì tại điểm tâm quy hoạch ( 0 0
,
s pf
) tiến hành điều chỉnh lượng nhiên liệu phun Gnl sao cho độ khói đo được đạt tới giá trị đặt trước FSN = 9,5 [67]. Tại mỗi ma trận thử nghiệm giá trị Gnl được giữ cố định.
Trên cơ sở các thông số kỹ thuật của động cơ, chọn dải tốc độ khảo sát từ 1000 đến 3000 v/ph, chia dải tốc độ này thành 10 phần đều nhau. Quá trình xây dựng đặc tính được xuất phát từ điểm 1 ứng với tốc độ là 3000 v/ph hướng đến điểm số 2 ứng với tốc độ là 1000 v/ph như thể hiện trên Hình 4.10 và bộ giá trị (φs, pf) từ các công
trình nghiên cứu đã thực hiện trên băng thử. Giá trị φs và pf tối ưu tại các tốc độ khác nhau được xác định theo lưu đồ thuật toán thể hiện trên Hình 4.11.
Hình 4.11. Thuật toán xác định bộ số liệu φs và pf tại đặc tính ngoài
Hình 4.10. Giới hạn vùng làm việc khi khảo sát đường đặc tính ngoài
Bắt đầu
k:=0
Chọn (0
s, p0f) tại điểm nmax
Chọn dải (s, pf) khảo sát
tại điểm nmax - k.n
Thực hiện bài toán quy hoạch thực nghiệm
Xác định được (s, pf) tối ưu tại điểm
nmax- k.n với hàm mục tiêu là Mmax
k = 10
Kết thúc
Đúng k:= k+1
(s, pf) tối ưu tại điểm nmax- (k-1).n được chọn là (0
s, p0f) tại điểm nmax- k.n Sai
80
4.5.1.1. Xây dựng thử nghiệm tại tốc độ 3000 v/ph
Quy trình thử nghiệm tại tốc độ 3000 v/ph được thiết kế theo phương pháp QHTG cấp II. Giá trị (φs,pf) tối ưu được xác định bằng cách tiến hành tuần tự theo các bước như mục 4.4.1. Thông qua các thông số kỹ thuật của động cơ, băng thử và các kết quả nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong.Miền khảo sát áp suất phun và góc phun sớm được lựa chọn dựa vào đường đặc tính khói đen của động cơ cũng như qua thực hiện khảo nghiệm tại phòng thí nghiệm để tìm miền làm việc chủ yếu và ổn định của động cơ. Đồng thời kết hợp các loại tài liệu và đề tài đã nghiên cứu trước đó để xác định miền khảo sát như sau: 0 0 s 4 0 0 b ar p 80 0 b ar 8 3 2 f
Như vậy tâm quy hoạch ( 0 0 ,
s pf
) = (200; 600 bar). Để thống nhất ký hiệu và thuận tiện trong quá trình thiết lập thử nghiệm, tiến hành mã hóa với x1 là φs, x2 là pf.
Với số lượng yếu tố đầu vào là 2, áp dụng công thức (3.30) số thử nghiệm cần thực hiện N = 10 thể hiện như bảng 4.3 với 4 thử nghiệm ở mức trên và mức dưới, 4 thử nghiệm ở mức “sao” và 2 thử nghiệm ở mức trung tâm [18, 29, 31]. Trong bảng 4.3 cũng như các bảng của các điểm thử nghiệm tại các tốc độ ở các vị trí xét có số liệu của hai biến mã hóa X1 và X2 là ± 1,41, theo nguyên tắc QHTN ngoài việc xét ở vùng ± 1 còn phải xét điểm lân cận để tăng thêm độ chính xác của bộ số liệu, điểm lân cận chính bằng (±) căn bậc hai của số biến đầu vào.
Bảng 4.3.Các điểm thử nghiệm tại tốc độ 3000 v/ph
TT x1 x2 X1 X2 Me (N.m) 1 8 400 -1 -1 25,5 2 32 400 1 -1 26,6 3 8 800 -1 1 27,5 4 32 800 1 1 26,4 5 3 600 -1,41 0 23,6 6 37 600 1,41 0 23,2 7 20 320 0 -1,41 28 8 20 880 0 1,41 27,6 9 20 600 0 0 28,5 10 20 600 0 0 28,5
81
Việc tính toán tiếp theo có thể tính toán bằng tay như đã được trình bày trong mục 3.1.3.2. Tuy nhiên để rút ngắn thời gian tính toán trong luận án tác giả đã sử dụng phần mềm quy hoạch thực nghiệm DX6. Kết quả tính toán các giá trị bj bằng phần mềm được thể hiện như trên bảng 4.4.
Bảng 4.4. Các giá trị bj tại tốc độ 3000 v/ph
b0 b1 b2 b11 b22 b12
28,95 -0,071 0,154 -2,55 -0,35 -0,55
Theo yêu cầu của bài toán QHTN bước tiếp theo cần kiểm tra sự có nghĩa của các hệ số bj theo tiêu chuẩn Student nhằm đơn giản hóa phương trình hồi quy bằng cách loại bỏ các hệ số bj có mức độ ý nghĩa nhỏ. Tuy nhiên việc này có thể dẫn tới bỏ đi các hệ số có ảnh hưởng lớn tới việc giải bài toán tối ưu (các hệ số b11, b22), do đó theo hàm mục tiêu tại đặc tính ngoài là xác định giá trị của (φs, pf) mà tại đó mô men đạt giá trị lớn nhất nên bước kiểm tra sự có nghĩa của các hệ số bj sẽ được bỏ qua.
Như vậy hàm số mô men phụ thuộc áp suất phun và góc phun sớm tại tốc độ n = 3000 v/ph được thể hiện như công thức sau:
Me = 28,95 – 0,071*X1 + 0,154*X2 – 2,55*X12 -0,35*X22 – 0,55*X1*X2 (4.1) Kết quả tính toán hệ số Fisher trên phần mềm cho thấy Ftn=25,95 trong khi đó tra bảng tiêu chuẩn Fisher (phụ lục 3) với mức ý nghĩa p= 0,05, bậc tự do f1 = N-L = 4, f2 = n0-1 = 1 (N là số điểm thực nghiệm, L là số các hệ số bj có nghĩa, n0 là số thử nghiệm tại tâm quy hoạch) F = 224,6. So sánh nhận thấy Ftn < F do đó mô hình toán đã chọn phù hợp với thực nghiệm.
Từ phương trình 4.1 giá trị Me phụ thuộc vào pf và φs được khảo sát trên phần mềm DX6, kết quả được thể hiện như trên Hình 4.12 và Hình 4.13.
Kết quả khảo sát cho thấy giá trị mômen lớn nhất là Memax = 28,97 Nm tại điểm (X1, X2) = (-0,04; 0,25) quy đổi từ giá trị mã hóa sang giá trị thực (x1, x2) = (19,520; 650 bar).
82
4.5.1.2. Xây dựng thử nghiệm tại điểm nmax – Δn
Các bước xác định bộ thông số tối ưu (φs, pf) tại điểm 2800 v/ph được tiến hành tương tự như điểm 3000 v/ph. Tuy nhiên có một số điểm cần lưu ý như sau:
- Giá trị Gnl được xác định để đạt được độ khói theo yêu cầu, giá trị (φs, pf) tối ưu xác định ở điểm số 3000 v/ph được chọn là tâm quy hoạch ( 0 0
,
s pf
) tại điểm 2800 v/ph.
- Do cùng nằm trên đặc tính ngoài và bước tốc độ (Δn) không quá lớn nên dải áp suất phun và góc phun sớm tại điểm 2800 v/ph được lựa chọn hẹp hơn, chọn dải áp suất và góc phun sớm khảo sát như sau:
0 0 s 500 bar p 800 bar 12 27, 04 f
Bước tiếp theo, tương tự như tại tốc độ 3000 v/ph, tiến hành xây dựng ma trận thí nghiệm với 10 thử nghiệm như bảng 4.5. Các giá trị bj tại điểm 2800 v/ph sau khi tính toán được thể hiện trong bảng 4.6.
Như vậy giá trị của mô men phụ thuộc vào áp suất và góc phun sớm được thể hiện thông qua công thức sau:
Me = 29,46 – 0,072*X1 – 0,071*X2 – 0,55*X12 -0,22*X22 – 0,05*X1*X2. (4.2) Theo kết quả tính toán từ phần mềm Ftn = 2,69 <F = 224,6. Như vậy mô hình toán đã chọn phù hợp với thực nghiệm.
83
Bảng 4.5. Các điểm thử nghiệm tại tốc độ 2800 v/ph
TT x1 x2 X1 X2 Me (N.m) 1 12 500 -1 -1 28,9 2 27,04 500 1 -1 28,5 3 12 800 -1 1 29 4 27,04 800 1 1 28,4 5 8,92 650 -1,41 0 28,2 6 30,12 650 1,41 0 28,5 7 19,52 438,5 0 -1,41 29,2 8 19,52 861,5 0 1,41 28,8 9 19,52 650 0 0 29,45 10 19,52 650 0 0 29,45 Bảng 4.6. Các giá trị bj tại tốc độ 2800 v/ph b0 b1 b2 b11 b22 b12 29,46 -0,072 -0,071 -0,55 -0,22 -0,05
Kết quả khảo sát được thể hiện trên Hình 4.14 và Hình 4.15. Giá trị mô men lớn nhất
là 29.47 tại điểm (X1, X2) = (-0,06; - 0,15) quy đổi từ giá trị mã hóa sang giá trị thực (x1,
x2) = (19,070; 627,5 bar).
84
4.5.1.3. Xây dựng thử nghiệm tại điểm nmax – k.Δn
Với biến k chạy từ 2 đến 10, việc thiết kế thí nghiệm được tiến hành tương tự như đối với điểm 3000 v/ph và 2800 v/ph, với các giá trị (φs, pf) tối ưu tìm được tại điểm nmax – (k- 1).Δn sẽ được chọn làm tâm quy hoạch cho điểm nmax – k.Δn.
Sau khi tính toán trên phần mềm DX6, kết quả thể hiện mối quan hệ giữa mô men với góc phun sớm, áp suất phun cũng như bộ thông số góc phun sớm và áp suất phun tối ưu theo tốc độ động cơ ở đường đặc tính ngoài được tổng hợp theo bảng 4.7, bảng 4.8.
Bảng 4.7. Giá trị bj ở các tốc độ khác nhau trên đường đặc tính ngoài
n (v/ph) b0 b1 b2 b11 b22 b12 1000 27,32 -0,93 -0,25 -1 -0,3 0,038 1200 28,36 -0,89 -0,067 -0,97 -0,47 0,28 1400 29,34 -0,47 -0,37 -0,62 -0,9 -0,05 1600 30,38 -0,084 -0,066 -0,41 -0,14 -0,05 1800 31,19 -0,049 -0,06 -0,47 -0,3 -0,2 2000 31,61 -0,035 -0,003 -0,5 -0,33 -0,2 2200 31,33 -0,043 -0,016 -0,48 -0,088 0 2400 30,29 -0,051 -0,0017 -0,45 -0,062 -0,012 2600 30,18 -0,07 -0,024 -0,42 -0,16 -0,075 2800 29,46 -0,072 -0,071 -0,55 -0,22 -0,05 3000 28,95 -0,071 0,15 -2,55 -0,35 -0,55
85
Bảng 4.8. Giá trị mô men lớn nhất ở đường đặc tính ngoài
n (v/ph) φs (độ) pf(bar) Me (N.m) 1000 10,44 542,29 27,59 1200 12,61 575,2 28,45 1400 15,14 588,2 29,46 1600 16,98 598,5 30,38 1800 17,47 608,1 31,19 2000 17,64 615,7 31,61 2200 17,87 614,8 31,33 2400 18,11 621,8 30,59 2600 18,5 622,6 30,18 2800 19,07 627,5 29,58 3000 19,52 650 28,97
Từ Hình 4.16 cho thấy giá trị mô men lớn nhất trên đường đặc tính ngoài đạt được tại tốc độ 2000 v/ph. Giá trị (φs, pf) tối ưu có xu hướng tăng khi tốc độ động cơ tăng. Trong đó giá trị của φs thay đổi trong khoảng từ 100
đến 200, giá trị của pf tương ứng thay đổi trong khoảng từ 540 bar đến 650 bar.
86
4.5.2. Xây dựng đƣờng đặc tính không tải
Việc xây dựng đặc tính không tải thông qua việc xác định bộ thông số tối ưu ở chế độ không tải tại các tốc độ khác nhau với hàm mục tiêu là chọn (φs, pf) sao cho lượng nhiên liệu tiêu thụ (Gnl) là nhỏ nhất.
Quá trình xây dựng xuất phát từ điểm nmin = 1000 v/ph đến điểm nmax = 3000 v/ph với Δn = 200 v/ph. Quy trình xác định giá trị (φs,pf) tối ưu tại các tốc độ khác nhau được thể hiện như thuật toán trên Hình 4.17.
4.5.2.1. Xây dựng thử nghiệm tại tốc độ nmin
Sau khi thực hiện một số thử nghiệm thăm dò, chọn dải (φs,pf) khảo sát như sau:
Như vậy tâm quy hoạch là ( 0 0 ,
s pf
) = (80; 300 bar). Tiếp theo chọn dạng phương trình hồi quy sau khi đã mã hóa:
xj = 2( Zj - 0 j Z )/( Zjmax - Zjmin) y1 = b0 + b1x1 + …..+ bkxk + b12 x1x2 + … + b11x12 + … + bkkxk2 200 bar ≤ pf ≤ 400 bar 40 ≤ φs ≤ 120
Hình 4.17. Thuật toán xác định bộ số liệu φs và pf tại đặc tính không tải
Bắt đầu
k:=0
Chọn (0
s, p0f) tại điểm nmin
Chọn dải (s, pf) khảo sát tại điểm nmin + k.n
Thực hiện bài toán QHTN
Xác định được (s, pf) tối ưu tại điểm nmin+ k.n với hàm mục tiêu là Gnl-min
k = 10
Kết thúc
Đúng k:= k+1
(s, pf) tối ưu tại điểm nmin+ (k-1).n được chọn là (0
s, p0f) tại điểm nmin+ k.n Sai
87
Ma trận thí nghiệm được xây dựng theo phương pháp QHTG cấp II với 10 thử nghiệm thể hiện trong bảng 4.9.
Bảng 4.9. Các điểm thử nghiệm tại tốc độ 1000 v/ph
TT x1 x2 X1 X2 Gnl (g/h) 1 4 200 -1 -1 140 2 12 200 1 -1 170 3 4 400 -1 1 150 4 12 400 1 1 190 5 2,36 300 -1,41 0 210 6 13,64 300 1,41 0 200 7 8 159 0 -1,41 160 8 8 441 0 1,41 210 9 8 300 0 0 100 10 8 300 0 0 110
Tại mỗi điểm thử nghiệm điều chỉnh Gnl sao cho Me = 0. Kết quả tính toán trên phần mềm DX6 cho ta các giá trị bj như bảng 4.10.
Bảng 4.10. Các giá trị bj tại tốc độ 1000 v/ph
b0 b1 b2 b11 b22 b12
88,75 6,98 12,59 50 40 2,5
Như vậy hàm số Gnl phụ thuộc áp suất phun và góc phun sớm được thể hiện như công thức sau:
Gnl = 88,75 + 6,98*X1 + 12,59*X2 +50,00*X12 +40,00*X22 + 2,5*X1*X2 (4.3) Kiểm tra sự phù hợp của mô hình theo chuẩn Fisher (phụ lục 3), kết quả tính toán từ phần mềm cho thấy Ftn = 6,77 < 224,6. Như vậy mô hình toán học đã lựa chọn là phù hợp với thực nghiệm.
88
Giá trị của Gnl phụ thuộc vào áp suất và góc phun sớm được thể hiện như trên Hình 4.18 và Hình 4.19.
Hình 4.18. Giá trị Gnl thể hiện theo các đường đồng mức ở tốc độ 1000 v/ph
89
Với hàm Gnl đã xác định ở trên tiến hành khảo sát tìm điểm (φs, pf) có Gnlmin. Kết quả chạy trên phần mềm cho thấy điểm (φs, pf) = (7,72; 284) là điểm có Gnl thấp nhất với Gnl = 87,54 g/h.
4.5.2.2. Xây dựng thử nghiệm tại tốc độ nmin+Δn
Thực hiện tương tự như tại tốc độ 1000 v/ph. Chọn (φs, pf) = (7,72; 284) là điểm tối ưu tìm được tại tốc độ 1000 v/ph làm quy hoạch tại tốc độ 1200 v/ph. Do Δn không quá lớn, dải áp suất phun và góc phun sớm tại tốc độ 1200 v/ph được lựa chọn hẹp hơn:
Tiến hành thiết kế ma trận thí nghiệm tương tự như tại tốc độ 1000 v/ph và được thể hiện trên bảng 4.11.
Bảng 4.11. Các điểm thử nghiệm tại tốc độ 1200 v/ph
TT x1 x2 X1 X2 Gnl (g/h) 1 4 200 -1 -1 180 2 11,44 200 1 -1 190 3 4 368 -1 1 170 4 11,44 368 1 1 160 5 2,47 165,56 -1,41 0 200 6 12,96 284,44 1,41 0 170 7 7,72 402 0 -1,41 230 8 7,72 402 0 1,41 180 9 7,72 284 0 0 160 10 7,72 284 0 0 160
Sau khi kiểm nghiệm sự phù hợp của mô hình, kết quả tính toán hàm số lượng nhiên liệu tiêu thụ phụ thuộc vào áp suất và góc phun sớm trên phần mềm DX6 được thể hiện như công thức sau:
Gnl = 150 – 5,3*X1 – 13,84*X2 + 12,5*X12 +12,5*X22 - 5*X1*X2 (4.4) Giá trị của Gnl được thể hiện như trên Hình 4.20 và Hình 4.21.
200 bar ≤ pf ≤ 368 bar 40 ≤ φs ≤ 11,440
90
Kết quả khảo sát cho thấy điểm (φs, pf) = (8,76; 313,15) là điểm có Gnl thấp nhất với
Gnl = 146,9 g/h.
Hình 4.20. Giá trị Gnl thể hiện theo các đường đồng mức ở tốc độ 1200 v/ph
91
4.5.2.3 Thực hiện tại điểm nmin+ k.Δn
Với k = 2 ÷ 10, thực hiện tương tự như tại tốc độ 1000 v/ph và 1200 v/ph với một số điểm cần lưu ý như sau:
Chọn (φs, pf) tìm được tại điểm nmax+(k-1).Δn làm tâm xoay cho điểm nmax + k.Δn. Kết quả thể hiện mối quan hệ giữa lượng nhiên liệu tiêu thụ với góc phun sớm, áp suất phun cũng như bộ thông số góc phun sớm và áp suất phun tối ưu theo tốc độ động cơ ở đường đặc tính không tải được tổng hợp theo bảng 4.12 và 4.13 và Hình 4.22.
Bảng 4.12. Các giá trị bj ở các tốc độ khác nhau trên đường đặc tính không tải
n (v/ph) b0 b1 b2 b11 b22 b12 1000 88,75 6,98 12,59 50 40 2,5 1200 150 -5,3 -13,84 12,5 12,5 -5
