i. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
3.3. Thực hiện tối ƣu tham số điều chỉnh động cơ
3.3.1. Ảnh hƣởng của các tham số điều chỉnh tới các tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ sử dụng hệ thống CR
Động cơ diesel nói chung cũng như động cơ diesel sử dụng HTNL CR nói riêng có nhiều tham số điều chỉnh như pf, s, , Tlm, Tbt, Tkn...
3.3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm mát
Hệ thống làm mát có tác dụng tản nhiệt khỏi các chi tiết, giữ cho nhiệt độ của các chi tiết không vượt quá giá trị cho phép và do đó bảo đảm điều kiện làm việc bình thường của động cơ.
Nhiệt độ nước làm mát được xác định thông qua cân bằng nhiệt của động cơ. Việc nâng cao nhiệt độ trong hệ thống làm mát sẽ giúp giảm lượng nhiệt truyền cho nước làm mát do đó góp phần nâng cao hiệu suất có ích của động cơ. Tuy nhiên việc nâng cao nhiệt độ trong hệ thống làm mát chỉ tới một giới hạn nào đó đảm bảo sức bền, độ cứng vững và tuổi thọ các chi tiết và không để xẩy ra kích nổ trong động cơ xăng. Theo nhiều nghiên cứu cho thấy cứ tăng nhiệt độ nước làm mát lên 100C sẽ làm giảm nhiệt lượng truyền cho nước làm mát 4÷5% tuy nhiên khi tăng nhiệt độ nước làm mát cũng sẽ làm tăng nhiệt lượng do khí thải mang đi [3].
Việc tăng nhiệt độ nước làm mát cũng làm tăng nhiệt độ thành xilanh và nhiệt độ trung bình của màng dầu giữa piston và xilanh. Tăng nhiệt độ thành xilanh sẽ làm giảm hệ số nạp, theo [64] nếu tăng nhiệt độ nước làm mát từ 60 lên 900C thì hệ số nạp sẽ giảm 2÷3%. Ngoài ra, khi đó tăng nhiệt độ lớp dầu giữa piston và xilanh tăng sẽ làm giảm công ma sát do giảm độ nhớt của dầu. Cứ tăng nhiệt độ nước làm mát 100C thì công ma sát sẽ giảm 3,5÷10% [64].
66
Do tác động qua lại của những yếu tố kể trên dẫn tới để động cơ làm việc tốt, phát huy được các tính năng kinh tế kỹ thuật thì mỗi động cơ sẽ có vùng nhiệt độ làm việc của nước làm mát tối ưu. Đối với các động cơ làm mát bằng nước nhiệt độ này khoảng 75÷850C [3].
3.3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ dầu bôi trơn và nhiệt độ khí nạp
Khi nhiệt độ dầu bôi trơn thấp, độ nhớt cao dẫn đến lực cản ma sát lớn làm tăng công tổn hao cơ giới trong động cơ. Tuy nhiên, nhiệt độ dầu bôi trơn quá cao sẽ làm giảm độ nhớt của dầu dẫn tới có thể phá vỡ màng dầu bôi trơn làm tăng mài mòn các chi tiết.
Nhiệt độ khí nạp cũng là một thông số ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ. Khi nhiệt độ khí nạp tăng sẽ làm cho mật độ không khí bị giảm. Hình 3.11 cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp lớn tới suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ…
Hình 3.11. Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp lớn tới suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ [64]
a. Tại tốc độ 1500v/ph và mô mem khác nhau b. Tại mô mem (50 N.m) và tốc độ khác nhau
a)
67
Hình 3.12. Ảnh hưởng của các tham số điều chỉnh tới các tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ [65]
3.3.1.3. Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí
Trên các xe đời mới áp dụng công nghệ phun nhiên liệu CR, để đáp ứng được các qui định ngày càng nghiêm ngặt về lượng khí độc hại phát ra, người ta bố trí thêm cảm biến ô xy trên đường xả để xác định nồng độ ô xy trong khí xả, từ đó quyết định đến lượng phun liệu. Như vậy hệ số dư lượng không khí ảnh hưởng đến mức tiêu hao nhiên liệu, sự phát thải của động cơ.
3.3.1.4. Ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm
Hình 3.12 cho thấy ảnh hưởng của một số tham số điều chỉnh cơ bản tới tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ trong đó việc tăng áp suất phun có thể cải thiện công suất, giảm tiêu thụ nhiên liệu và phát thải độc hại [65]. Trong khi tối ưu góc phun sớm không chỉ cải thiện các tính năng này mà nó còn có khả năng giúp giảm ồn cho động cơ. Ngoài ra bằng cách thay đổi quy luật cung cấp nhiên liệu như tăng số lần phun trong một chu trình có thể giúp giảm phát thải độc hại và ồn.
Cùng với sự phát triển của công nghệ điện – điện tử và công nghệ chế tạo, áp suất phun cũng như số lần phun trong một chu trình ngày một tăng, áp suất phun cao sẽ làm tăng chiều dài tia phun và tốc độ nhiên liệu giúp cho nhiên liệu phun tơi hơn như thể hiện trên Hình 3.13 [65] và được phân bố khắp không gian buồng cháy đảm bảo nhiên liệu bay hơi nhanh và hòa trộn đồng đều do đó sẽ giúp quá trình cháy được cải thiện. Tuy nhiên áp suất cao cũng làm tăng tốc độ cháy của hỗn hợp, làm tăng rung động và ồn của động cơ. Ngoài ra để tăng áp suất phun thì công dẫn động bơm cao áp cũng tăng nên sẽ làm tăng tổn hao cơ giới của động cơ.
Qua phân tích và khảo sát như trên thì hai tham số điều chỉnh φs,pf là hai tham số cơ bản quan trọng nhất của động cơ bởi nó quyết định tới cả công suất, tiêu hao nhiên liệu, sự phát thải và độ ồn của động cơ. Còn các thông số khác có ảnh hưởng nhưng không nhiều. Vì vậy chọn hai tham số φs,pf được điều chỉnh để khảo sát được xem như là tham số tiêu biểu. Hơn nữa, nếu khảo sát tất các tham số, sẽ phải mất rất nhiều thời gian cũng như số
68
lượng mẫu thí nghiệm tăng lên nhiều lần nằm ngoài khả năng của nghiên cứu sinh. Do đó trong quá trình thí nghiệm các tham số như , Tlm, Tbt, Tkn được giữ ổn định ở chế độ hợp lý đối với từng loại động cơ (cụ thể theo số liệu khuyến cáo của nhà sản xuất).
3.3.2. Quy trình tối ƣu các tham số điều chỉnh
Động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu CR có nhiều tham số điều chỉnh như áp suất phun, góc phun sớm, số lần phun trong một chu trình, hệ số dư lượng không khí λ... Việc điều chỉnh chính xác các tham số này sẽ nâng cao tính năng kinh tế và kỹ thuật của động cơ.
Công việc tối ưu các tham số điều chỉnh được thực hiện trên các băng thử hiện đại ở các chế độ làm việc và các hàm mục tiêu khác nhau thông qua thực hiện nhiều ma trận thử nghiệm, trong đó mỗi ma trận thử nghiệm tương ứng với một chế độ làm việc của động cơ. Việc xác định bộ tham số (φs, pf) tối ưu được tiến hành bằng thực nghiệm. Ứng với mỗi chế độ làm việc, giá trị (φs, pf) tối ưu được lựa chọn theo mục tiêu tính kinh tế hoặc tính hiệu quả cao nhất. Do hai thông số φs và pf ảnh hưởng đồng thời đến đặc tính làm việc của động cơ [65]. Cho nên việc xác định hai thông số này cần phải được tiến hành đồng thời.
Theo đặc tính điều chỉnh, mô men có ích (Me) theo pf và φs luôn có xu hướng đạt cực trị ở một giá trị nhất định [2]. Xét về bài toán QHTN, khi sử dụng QHTG cấp I thì giảm lần thử nghiệm mà vẫn tìm ra hàm hồi quy (quan hệ biến vào và ra). Nếu không đạt được tiêu chuẩn của bài toán QHTN thì phải thực hiện tiếp bài toán QHTG cấp II và như vậy số thử nghiệm sẽ tăng lên. Nhưng nếu so sánh hàm hồi quy thì QHTG cấp II nó thể hiện quan hệ chính xác hơn. Ngoài ra do giới hạn nghiên cứu của luận án, với hai thông số đầu vào nên việc thực hiện số điểm thử nghiệm theo lý thuyết QHTN là không nhiều, cùng với theo nhiều tài liệu của nghiên cứu khác thì có thể bỏ qua bài toán QHTG cấp I. Do đó nghiên cứu này đã lựa chọn phương pháp QHTG cấp II mà bỏ qua tuần tự đi từ phương pháp QHTG cấp I.
69
3.3.3. Tiến hành bài toán quy hoạch trực giao cấp II
Cácbước thực hiện bài toán QHTN được thể hiện theo lưu đồ thuật toán được thể hiện trên hình 3.14, với 2 thông số đầu vào là thời điểm phun và áp suất phun và một thông số đầu ra là mô men.
Hình 3.14. Lưu đồ thuật toán các bước thực hiện bài toán QHTN TG cấp II
Phương trình hồi quy sẽ có dạng như sau:
y = b0 + b1x1 + b2x2 + b12 x1x2 + b11x12 + b22x22 (3.33) Ma trận thử nghiệm được xây dựng theo phương án thực nghiệm bậc 2 của Box – Wilson. Số thử nghiệm được tính theo công thức.
N = 2k + 2k +N0 (3.34)
Trong đó:
Bắt đầu
- Xác định miền biến thiên, tâm qui hoạch - Mã hóa
Chọn dạng phương trình hồi quy
Thực hiện N thí nghiệm
Tính toán các hệ số bj
Giả bài toán tối ưu cực trị
Kết thúc Đúng Loại bỏ hệ số bj Sai KT có nghĩa của các hệ số bj ti >0,05(N0 - 1) KT có nghĩa của PTHQ F > Ftt Đúng Sai
70
- 2k là số thí nghiệm của QHTG cấp I với các Zj = Zjmin hoặc Zj = Zjmax.
- 2k là số thí nghiệm tại các điểm “sao”: xj = +TG hoặc xj = -TG. - N0 là thí nghiệm tại tâm Zj = 0
j
Z
Sau khi tính toán các hệ số bj, sự có nghĩa của các hệ số hồi quy bj được kiểm tra bằng cách áp dụng tiêu chuẩn Student [32], thực hiện các thí nghiệm tại tâm quy hoạch hoặc sử dụng các thí nghiệm song song. Mục đích của bước này là loại bỏ các hệ số bj nhỏ ít ảnh hưởng tới yếu tố đầu ra nhằm đơn giản hóa phương trình hồi quy. Sau khi kiểm tra sự có nghĩa của các hệ số bj, bước tiếp theo tiến hành kiểm tra sự có nghĩa của phương trình hồi quytheo tiêu chuẩn Fisher (F), các bước kiểm tra được trình bày trong [29].
Để giải bài toán tối ưu tìm điểm cực trịcó thể lựa chọn phương pháp giải bài toán tối ưu theo phương pháp leo dốc hoặc luân phiên từng biến giải bài toán phỏng định [29]. Trong đề tài luận án này kết quả giải tối ưu được thực hiện theo phương pháp leo dốc thông qua phần mềm DX6.
3.4. Kết luận chƣơng 3
Nêu lên các phương pháp QHTN trong việc nghiên cứu thực nghiệm. Phương pháp QHTN trực giao trong nghiên cứu thực nghiệm nhiều yếu tố cho độ tin cậy cao khi xây dựng các mô hình toán học thực nghiệm, cho phép phân tích ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố đầu vào tới một hay nhiều yếu tố đầu ra của một quá trình công nghệ. Từ đó chọn ra phương pháp QHTN trực giao cấp II xây dựng bộ dữ liệu điều chỉnh của động cơ.
Trong thực tế, các bài toán quy hoạch thực nghiệm thường có kích thước lớn, do đó khó có thể tính toán bằng tay. Vì vậy cần chương trình hoá thuật toán bằng các ngôn ngữ lập trình hoặc bằng các phần mềm QHTN chuyên dụng. Trong chương đã giới thiệu áp dụng phần mềm QHTN DX6 cho quá trình thiết kế thí nghiệm cũng như việc giải bài toán tối ưu tìm bộ dữ liệu chuẩn.
Động cơ diesel sử dụng HTNL CR sử dụng trên phương tiện cơ giới có nhiều tham số điều chỉnh. Cùng với sự phân tích như ở trên, luận án giới hạn hai tham số điều chỉnh φs,pf
để khảo sát, là hai tham số quan trọng nhất và ảnh hưởng đến động cơ được chọn làm thí nghiệm mà không giảm tính tổng quát của bài toán.
71
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU CHUẨN TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL AVL 5402
Như trình bày trên mục 3.3.2, bộ số liệu (φs,pf) tối ưu được xác định thông qua xây dựng các đường đặc tính của động cơ. Sử dụng động cơ diesel AVL 5402 có sử dụng HTNL CR với ECU mở. Để điều khiển các tham số khí thí nghiệm, trên băng thử còn có các phầm mềm điều khiển như INCA và PUMA cùng với các hệ thống phụ trợ khác. Trong quá trình thử nghiệm giá trị của các tham số điều chỉnh khác như nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ dầu bôi trơn, nhiệt độ khí nạp... được duy trì ổn định. Quy trình xây dựng và tìm ra bộ dữ liệu chuẩn được thực hiện tuần tự sau đây và được trình bày ở mục 3.3.2:
4.1. Mục đích
Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm xây dựng bộ dữ liệu chuẩn trên động cơ diesel AVL 5402 có sử dụng hệ thống nhiên liệu CR.
4.2. Nội dung thử nghiệm
- Xác định miền khảo sát của các tham số φs,pf.
- Dùng thực nghiệm để xác định hàm hồi quy thể hiện quan hệ biến điều khiển với hàm mục tiêu.
- Xác định các giá trị tối ưu của tham số điều khiển
- Đánh giá độ tin cậy của bộ tham số điều khiển tối ưu thu được.
4.3. Thiết bị thử nghiệm
4.3.1. Giới thiệu chung
Băng thử động cơ một xylanh được trang bị tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội là băng thử được cung cấp bởi hãng AVL của Cộng hòa Áo có dùng để nghiên cứu để tìm ra thông số tối ưu phục vụ cho việc phát triển chế tạo động cơ, các thông số được giới thiệu ở bảng 4.1.
Bảng 4.1. Bảng thông số kỹ thuật của băng thử
TT Thông số kỹ thuật Giá trị
1 Mô men cực đại 40 (N.m)
2 Công suất cực đại Ne = 18 (kW)
3 Số vòng quay cực đại n = 8000 (v/ph)
4 Hệ thống làm mát Nước, hai vòng kín
5 Hệ thống bôi trơn Cưỡng bức 1 vòng
Băng thử gồm một cụm các hệ thống riêng biệt kết hợp với nhau tạo thành một hệ thống thử nghiệm và nghiên cứu về ĐCĐT, gồm có băng thử điện Dyno-AMK, động cơ nghiên cứu 1 xylanh 5402, hệ thống làm mát dầu bôi trơn và nước làm mát AVL577, thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu Fuel Balance 733S, thiết bị điều khiển tay ga THA100, thiết bị đo
72
diễn biến áp suất trong xylanh Indicating, thiết bị xác định nồng độ khí thải CEB-II, thiết bị xác định độ mờ khói Opacimeter 439, và một số thiết bị phụ trợ khác như thể hiện trên Hình 4.1. Băng thử này cũng được điều khiển bởi phần mềm PUMA, với phần mềm VisioScope có thể quan sát được diễn biến các quá trình làm việc trong xylanh của động cơ nhờ vào đầu nội soi. Ngoài ra thông qua phần mềm INCA và bộ điều khiển ECU mở có thể thay đổi được các tham số điều chỉnh của động cơ. Dưới đây giới thiệu chi tiết hơn về các bộ phận của hệ thống.
4.3.2. Động cơ thử nghiệm
Đối tượng nghiên cứu là động cơ thử nghiệm AVL 5402. Đây là loại động cơ cỡ nhỏ một xylanh, được trang bị các cảm biến như áp suất trong xy lanh, áp suất phun.v.v… dùng để nghiên cứu phát triển động cơ. Đặc biệt, động cơ thử nghiệm AVL 5402 được trang bị HTNL CR, trong đó có sử dụng ECU mở để điều khiển được tham số điều khiển trong
73
HTNL. Các thông số chính của động cơ được thể hiện trong bảng 4.2. Kết cấu động cơ được thể hiện trên các Hình 4.2, Hình 4.3, Hình 4.4 và Hình 4.5.
Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật của động cơ AVL 5402
TT Thông số kỹ thuật Giá trị
1 Kiểu động cơ Diesel 4 kỳ, không tăng áp
2 Công suất định mức Ne = 9 (kW)
3 Tốc độ vòng quay định mức n = 3000 (v/ph)
4 Suất tiêu thụ nhiên liệu ge = 200 (g/Wh)
5 Đường kính xylanh D = 85 (mm) 6 Hành trình piton S = 90 (mm) 7 Tỷ số nén ε = 17,1 8 Số xylanh i = 1 9 Góc mở sớm xupáp nạp 1 = 80 10 Góc đóng muộn xupáp nạp 2 = 460 11 Góc mở sớm xupáp thải 1 = 520 12 Góc đóng muộn xupáp thải
2 = 180
13 Góc phun sớm s Có thể thay đổi được
14 Áp suất phun Có thể thay đổi được
Hình 4.2. Mặt cắt dọc động cơ Hình 4.3. Mặt cắt ngang động cơ diesel 1 xy lanh AVL 5402 diesel 1 xy lanh AVL 5402