Nghiên cứu đặc tính tốc độ của động cơ diesel kiểu common rail thông qua xây dựng mô hình trung bình

Ngày chấp nhận đăng: 28/6/2018 Tĩm tắt Đặc tính tốc độ của động cơ là thơng số đầu vào quan trọng nhất đối với việc mơ phỏng động lực học (ĐLH) quá trình tăng tốc của ơ tơ. Đặc tính tốc độ của động cơ diesel thế hệ mới (dùng hệ thống phun nhiên liệu kiểu Common Rail, tăng áp kiểu VGT, tuần hồn khí thải EGR) cĩ sự khác biệt lớn khi so với động cơ diesel truyền thống và việc xác định nĩ là vấn đề phức tạp. Bài báo trình bày kết quả xây dựng mơ hình trung bình (Mean Value Engine Model, MVEM) của động cơ diesel thế hệ mới trong phần mềm Matlab/Simulink với các thơng số đầu vào chính được xác định bằng thực nghiệm trên bệ thử và sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu. Mơ hình MVEM này được dùng để khảo sát đặc tính tăng tốc của xe Huyndai Starex. Từ khĩa: Đặc tính tốc độ; Common Rail; mơ hình trung bình; bình phương tối thiểu; động lực học của ơ tơ. Abstract The performance characteristics of engine are the most important input data in simulating vehicle dynamics. Building the performance of new generation diesel engines (using Common Rail fuel injection system with a variable geometry turbocharger and exhaust gas recirculation, etc.) is more difficult and complex than traditional diesel engines. This paper presents results building the Mean Value Engine Model (MVEM) of new generation diesel engine in Matlab/Simulink with input data defined by measuring on testing stand and using weighted least-squares optimization. This MVEM is used in model simulating accleration performance of Hyundai Starex Vehicle. Keywords: Performance of engine; Common Rail; mean value engine model; weighted least-squares; vehicle dynamics. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong nghiên cứu động lực học chuyển động thẳng của ơ tơ, đặc tính tốc độ của động cơ là dữ liệu đầu vào rất quan trọng. Với một số cơng trình nghiên cứu theo phương pháp truyền thống, đặc tính tốc độ được xác định bằng thực nghiệm [1], hoặc sử dụng mơ hình động cơ đơn giản (các đặc tính cục bộ được nội suy tuyến tính từ đặc tính ngồi của động cơ) [2-4]. Cách làm này chỉ phù hợp với các loại động cơ diesel sử dụng hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) kiểu cơ khí truyền thống (lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình gct chủ yếu phụ thuộc vào vị trí bàn đạp ga). Với các động cơ diesel thế hệ mới dùng HTPNL kiểu CR, gct được tính tốn và điều khiển bởi ECU dựa theo chế độ và điều kiện vận hành (tín hiệu từ các cảm biến: vị trí bàn đạp ga, tốc độ động cơ, nhiệt độ khí nạp,). Như vậy, đặc tính tốc độ của động cơ diesel thế hệ mới sẽ cĩ sự khác biệt lớn và các đặc tính cục bộ khơng thể xác định theo phương pháp nội suy tuyến tính từ đặc tính ngồi như đối với động cơ diesel truyền thống [5]. Trong những năm gần đây, việc sử dụng mơ hình trung bình (Mean Value Engine Model, MVEM) trong mơ phỏng ĐLH của động cơ sử dụng hệ Người phản biện: 1. GS.TS. Trần Văn Địch 2. TS. Nguyễn Đình Cương 29 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 thống điều khiển điện tử đã bắt đầu được nghiên cứu [6-8]. MVEM được xây dựng trên cơ sở các định luật bảo tồn về khối lượng và năng lượng, định luật về nhiệt động, giá trị của các thơng số trong mơ hình được xác định bằng cách lấy trung bình trong một hoặc vài chu trình cơng tác (CTCT). Do đĩ, thời gian tính tốn khi dùng MVEM là nhanh hơn nhiều so với mơ hình động cơ theo gĩc quay trục khuỷu trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác [6]. Ngồi ra, MVEM cịn xét đến các yếu tố về cơng nghệ của động cơ, thuộc tính nhiên liệu. Để cĩ được mơ hình MVEM cho một động cơ cụ thể cần phải xác định nhiều thơng số đầu vào bằng thực nghiệm. Bài báo trình bày kết quả xây dựng MVEM của động cơ diesel D4CB 2.5 TCI-A trong phần mềm Matlab/ Simulink với các thơng số đầu vào chính được xác định bằng thực nghiệm trên bệ thử động cơ và sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MVEM CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL DÙNG HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU KIỂU CR Mơ hình động cơ diesel dùng HTPNL kiểu CR được sơ đồ hĩa như trong hình 1 [8] với các khối chính gồm: HTPNL kiểu CR, xilanh động cơ, đường ống nạp, đường ống thải, hệ thống tăng áp và hệ thống tuần hồn khí thải. Các thơng số trong mơ hình (hình 1) được ký hiệu như sau: Wc, Wt, Wegr lần lượt là lưu lượng khí đi qua máy nén, tuabin và van EGR, [kg/s]; uvgt và uegr lần lượt là độ mở của van VGT và van EGR, [%]; Wei, Weo lần lượt là lưu lượng khí đi vào và ra khỏi xilanh, [kg/s]; pim, pem lần lượt là áp suất đường ống nạp và đường ống thải, [Pa]; Xoim, Xoem lần lượt là hàm lượng oxy trong khí nạp và khí thải, [%]; gct, [mg/ ct]; Ga là % ga, [%]; n là tốc độ động cơ, [vg/ph]; là hệ số lambda nhỏ nhất để giới hạn lượng phun nhiên liệu, [-]; Hình 1. Sơ đồ khối mơ hình động cơ diesel dùng HTPNL kiểu CR [8] Mơmen cĩ ích Me [Nm] của động cơ xác định theo cơng thức [7]: (1) trong đĩ: Mi: mơmen chỉ thị, [Nm]; Mp: mơmen tổn thất bơm của động cơ, [Nm]; Mf: mơmen tổn thất do ma sát, [Nm]; i: số xilanh; qLHV: nhiệt trị thấp của nhiên liệu, [J/kg]; Vd: thể tích cơng tác, [m 3]; cf1, cf2, cf3: các hệ số tổn thất ma sát được xác định từ thực nghiệm. Hiệu suất chỉ thị hi được xác định theo cơng thức: (2) trong đĩ: ci1, ci2, ci3, ci4, ci5: các hệ số xác định bằng thực nghiệm; : hệ số tương đương. Oλ φ 1= (3) 2.1. Xác định áp suất khí nạp và khí thải Áp dụng định luật bảo tồn khối lượng và phương trình trạng thái khí lý tưởng, ta cĩ các phương trình xác định áp suất khí nạp pim và khí thải pem [8-9]: (4) trong đĩ: Tim, Tem : nhiệt độ khí nạp và khí thải, [K], được xác định bằng thực nghiệm; Vim, Vem : thể tích đường ống nạp và thải, [m 3], được xác định bằng thực nghiệm; 30 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 Ra, Re: hằng số khí lý tưởng của khí nạp và khí thải, [J/kg.K]. Lưu lượng khí đi qua máy nén Wc, qua tuabin Wt và qua hệ thống EGR Wegr được xác định bằng thực nghiệm. 2.2. Xác định lưu lượng khí đi vào và ra khỏi xilanh Tổng lưu lượng khí nạp đi vào xilanh Wei được xác định theo cơng thức [8]: (5) trong đĩ: là hệ số nạp, [-], được xác định theo cơng thức (6), các hệ số cv1, cv2, cv3 được xác định bằng thực nghiệm: (6) Lượng nhiên liệu cung cấp vào xilanh Wf được xác định theo cơng thức: (7) Theo định luật bảo tồn khối lượng, lưu lượng khối lượng Weo ra khỏi xilanh được xác định theo cơng thức: (8) 2.3. Xác định hàm lượng oxy trong khí nạp và thải Hàm lượng oxy trong khí nạp XOim , khí thải XOem được tính theo cơng thức [8]: (9) trong đĩ: XOc: hàm lượng oxy đi qua máy nén (XOc = 20,9÷21%); XOe: hàm lượng oxy trong khí thải, được xác định theo cơng thức [8]: (10) Tỷ lệ oxy/nhiên liệu được xác định theo cơng thức [8]: (11) trong đĩ: (O/F)s là tỷ lệ oxy cần thiết để đốt cháy hồn tồn nhiên liệu cĩ trong buồng đốt, được tính tốn từ tỷ lệ (A/F)s. 2.4. Xác định lượng nhiên liệu cấp trong một chu trình Lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình gct xác định theo cơng thức [8]: (12) trong đĩ: : lượng phun tính tốn theo yêu cầu của chế độ vận hành, [mg/ct]; : lượng phun giới hạn nhằm tránh khĩi đen, [mg/ct]; được tính theo cơng thức [8]: (13) (14) trong đĩ: là mơmen yêu cầu (Target Moment) được ECU của động cơ xác định theo tín hiệu % ga và tốc độ của động cơ n [vg/ph]. Đối với HTPNL kiểu CR, “% ga” chính là % giá trị điện áp của cảm biến vị trí bàn đạp ga gửi về ECU so với giá trị điện áp lớn nhất theo thiết kế). 3. XÂY DỰNG MVEM CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 2.5 TCI-A 3.1. Đối tượng nghiên cứu Động cơ diesel 2.5 TCI-A (sử dụng HTPNL kiểu CR, tăng áp kiểu VGT, hệ thống EGR áp suất cao; thể tích cơng tác: 2497 cm3; tỷ số nén: 17,6; cơng suất định mức theo thiết kế là 106 kW tại n=3800 vg/ph; mơmen xoắn lớn nhất theo thiết kế là 350 Nm tại n=2500 vg/ph) [10] được lắp trên xe Hyundai Starex. 3.2. Trang thiết bị thử nghiệm Quá trình nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại Phịng thí nghiệm Động cơ của Viện Cơ khí động lực/Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, [1] và bệ thử động cơ của Trường Đại học Cơng nghệ Giao thơng Vận tải (hình 2). Động cơ được thử nghiệm ở chế độ ổn định ứng với các chế độ vận hành (tải và tốc độ) khác nhau nhằm xác định chi tiết bộ thơng số đầu vào cho mơ hình MVEM: tốc độ động cơ; mơmen/cơng suất cĩ ích; nhiệt độ, áp suất, lưu lượng khí nạp; nhiệt độ và áp suất khí thải; lưu lượng khí qua van EGR; lượng nhiên liệu tiêu thụ; 31 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 Hình 2. Sơ đồ bố trí bệ thử động cơ tại Trường Đại học Cơng nghệ GTVT [10] Alpha 160: phanh thử; AVL-553S-200: hệ thống kiểm sốt nhiệt độ nước làm mát; AVL PLU 160: thiết bị đo lượng nhiên liệu tiêu thụ; Bobcat: hệ thống tự động hĩa thiết bị đo và bệ thử; I/O Cube: hộp nối cáp tín hiệu từ các cảm biến; FEM: bộ chuyển đổi tín hiệu; K57: bảng điều khiển; Throttle pedal: bàn đạp ga; FTIR: thiết bị phân tích khí thải; PC: máy tính; Testo 350: thiết bị đo Wegr; GScan: thiết bị chẩn đốn và đọc dữ liệu trong ECU. 3.3. Kết quả xác định các thơng số đầu vào 3.3.1. Các thơng số xác định trực tiếp Các thơng số được nhập trực tiếp vào mơ hình MVEM (dưới dạng bảng tra) bao gồm: mơmen yêu cầu, nhiệt độ khí nạp và khí thải, lưu lượng khí qua tuabin và máy nén, lưu lượng khí qua van EGR. Các bảng tra này (hình 4a, b, c, d, e, g) đều cĩ hai thơng số đầu vào là tốc độ động cơ và mơmen yêu cầu, riêng mơmen yêu cầu phụ thuộc vào vị trí bàn đạp ga và tốc độ động cơ. Hình 3a. Mơmen yêu cầu Hình 3b. Lưu lượng khí qua tuabin Hình 3c. Lưu lượng khí qua máy nén Hình 3d. Lưu lượng khí qua EGR Hình 3e. Nhiệt độ khí nạp Hình 3g. Các dữ liệu đầu vào được xác định trực tiếp Hình 4 trình bày kết quả so sánh đặc tính tốc độ của động cơ 2.5 TCI-A xác định bằng thực nghiệm (hình 4a) và theo phương pháp nội suy tuyến tính (từ đặc tính ngồi đo thực nghiệm) (hình 4b). Ta thấy, cĩ sự khác biệt rất lớn về các đặc tính tốc độ cục bộ, do vậy nếu dùng đặc tính tốc độ theo phương pháp nội suy tuyến tính sẽ ảnh hưởng lớn đến kết quả khảo sát đặc tính tăng tốc của xe. 32 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 a) Đo thực nghiệm b) Nội suy tuyến tính Hình 4. So sánh đặc tính tốc độ của động cơ 2.5 TCI-A xác định bằng thực nghiệm và theo phương pháp nội suy tuyến tính 3.3.2. Các thơng số xác định bằng phương pháp bình phương tối thiểu Để xây dựng được mơ hình MVEM, cần xác định các hệ số trong các phương trình xác định hệ số nạp (phương trình 6), hiệu suất chỉ thị i (phương trình 2), tổn thất ma sát Mf (phương trình 1), lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình gct (phương trình 13). Với bộ dữ liệu thử nghiệm thu được, nhĩm tác giả đã sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu [9] để xác định các hệ số này, với kết quả: cv1 = 0,0023; cv2 = -0,0027; cv3 = 0,0068; ci1 =0,37; ci2 =0,382*10 -4; ci3 = -0,39*10 - 8; ci4 =0,065; ci5 =0,412; cf1 = -0,3; cf2 =2,296; cf3 = -1,223; c1 = 0,16; c2= 0,83*10 -6; c3 = 0,2*10 -6; c4 = 0,212*10 -2; c5 = -0,99*10 -2. 3.4. Xây dựng mơ hình MVEM trong Matlab/ Simulink Với cơ sở lý thuyết đã trình bày trong mục 2 và kết quả xác định các thơng số đầu vào (mục 3), mơ hình MVEM của động cơ 2.5 TCI-A xây dựng trong Matlab/Simulink được trình bày trên hình 5. Hình 5. Mơ hình MVEM của động cơ 2.5 TCI-A trong Matlab/Simulink Trong mơ hình (hình 5) cĩ hai tín hiệu đầu vào là tín hiệu Ga (điều khiển từ người lái) và tốc độ động cơ n; một tín hiệu đầu ra là mơmen cĩ ích Me. Tốc độ động cơ được xác định thơng qua phương trình cân bằng ĐLH tại bánh đà của động cơ. 4. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG BẰNG MVEM VÀ NHẬN XÉT Kết quả tính tốn gct và đặc tính tốc độ của động cơ 2.5 TCI-A bằng mơ hình MVEM được trình bày trên hình 6. Ta thấy, đặc tính tốc độ tính tốn (hình 6b) cĩ hình dạng bám sát với đặc tính tốc độ thực nghiệm (hình 4a). Ngồi ra, cĩ sự đồng dạng về quy luật thay đổi của gct và Me của động cơ. a) Lượng phun nhiên liệu một chu trình gct 33 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 b) Mơmen của động cơ Me Hình 6. Kết quả tính tốn gct ,Me của động cơ 2.5 TCI-A bằng mơ hình MVEM Tổng hợp sai số giữa Me tính tốn bằng mơ hình MVEM và đo thực nghiệm tại các chế độ vận hành được trình bày trong bảng 1. Sai số lớn nhất về Me giữa kết quả tính tốn và thực nghiệm là 6,16% và kết quả tính tốn cĩ xu hướng cao hơn so với kết quả đo thực nghiệm. Sai số lớn nhất về gct giữa tính tốn và đo thực nghiệm là 6,5% (tại chế độ 40% ga, n = 2600 vg/ph). Khối MVEM của động cơ 2.5 TCI-A đã xây dựng sẽ là một khối thành phần trong mơ hình mơ phỏng ĐLH chuyển động thẳng của xe Huyndai Starex [11], cho phép nghiên cứu quá trình tăng tốc của xe sát với thực tế hơn (xác định chi tiết và chính xác sự thay đổi Me theo sự thay đổi vị trí bàn đạp ga của người lái,). Bảng 1. Tổng hợp sai số về Me giữa tính tốn và đo thực nghiệm (%) n, vg/ph Tín hiệu từ cảm biến chân ga, [%] 10 20 30 40 50 1000 1,79 1,24 1,87 1,87 1,87 1200 2,64 0,91 2,82 3,27 3,27 1400 0,18 0,71 3,25 3,65 3,65 1600 - 2,72 3,74 2,93 4,10 1800 - 4,41 1,27 6,16 3,96 2000 - 3,35 2,53 4,00 4,95 2200 - - 1,64 4,69 3,84 2400 - - 3,27 5,36 4,17 2500 - - 5,33 3,38 4,06 2600 - - -1,46 1,92 4,63 2800 - - 3,29 4,18 4,93 3000 - - 2,00 2,00 2,21 3500 - - 2,40 3,33 3,00 n, vg/ph Tín hiệu từ cảm biến chân ga, [%] 60 70 80 90 100 1000 1,87 1,87 1,87 1,87 1,87 1200 3,27 3,27 3,27 3,27 3,27 1400 3,65 3,65 3,65 3,65 3,65 1600 3,95 3,74 3,54 3,47 3,47 1800 2,76 1,55 -0,53 -1,62 -1,62 2000 4,08 3,90 2,27 -0,62 -2,00 2200 4,76 6,00 5,49 2,80 2,38 2400 2,43 5,51 6,00 5,13 4,73 2500 4,25 1,04 1,52 3,77 4,24 2600 4,62 1,18 1,90 4,58 2,91 2800 3,52 3,64 5,17 4,73 5,26 3000 2,65 2,52 2,17 3,04 2,85 3500 3,57 2,78 3,50 2,73 3,48 5. KẾT LUẬN - Phân tích lý thuyết và xây dựng mơ hình MVEM của động cơ diesel 2.5 TCI-A dựa trên bộ dữ liệu thực nghiệm trên bệ thử động cơ. - Mơ hình MVEM cĩ xét đến các đặc điểm cơng nghệ của động cơ, thuộc tính của loại nhiên liệu sử dụng. - Mơ hình xây dựng cĩ thể được sử dụng để nghiên cứu ĐLH chuyển động thẳng của xe Huyndai Starex [11-12]. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Trần Trọng Tuấn, Phạm Trung Kiên, Phùng Văn Được, Dương Quang Minh, Nguyễn Gia Nghĩa, Vũ Thành Trung, Nguyễn Hồng Vũ, Khổng Văn Nguyên, Trần Anh Trung (2015). Xác định các thơng số cơng tác và mức phát thải ơ nhiễm của động cơ diesel Huyndai 2.5 TCI-A bằng thực nghiệm. Hội nghị Khoa học cơng nghệ tồn quốc về Cơ khí 2015. Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, ISBN: 978-604-73-3690-6, 11/2015. [2]. Nguyễn Hồng Vũ. Báo cáo tổng kết đề tài NCKH&PTCN cấp Nhà nước Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu diesel sinh học (B10 và B20) cho phương tiện cơ giới quân sự, mã số: ĐT.06.12/ NLSH; thuộc Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025. 34 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 [3]. Nguyễn Đình Tuấn (2010). Mơ hình tổng quát khảo sát động lực học chuyển động thẳng và quay vịng xe xích quân sự. Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật quân sự. [4]. Vũ Đức Lập, Vũ Ngọc Tuấn (2009). Khảo sát chuyển động thẳng của ơ tơ nhiều trục. Tạp chí Cơ khí Việt Nam. [5]. Hà Quang Minh, Nguyễn Hồng Vũ (2010). Phun nhiên liệu điều khiển điện tử trên động cơ đốt trong. NXB Quân đội nhân dân, Hà Nội. [6]. Olivier Grondin, Richard Stobart, Houcine Chafouk, Jean Maquet (2004). Modelling the Compression Ignition Engine for Control: Review and Future Trends. SAE World Congress, Detroit, Michigan. [7]. Timothy Broomhead, Chris Manzie, Michael Brear and Peter Hield (2015). Model Reduction of Diesel Mean Value Engine Model. SAE Technical Paper. [8]. Johan Wahlstrưm and Lars Eriksson (2014). Modelling and control of engines and drivelines. John Wiley &Sons, Ltd. [9]. Rajesh Rajamani (2012). Vehicle Dynamics and Control, Springer. [10]. Nguyễn Hồng Vũ. Báo cáo tổng kết đề tài NCKH & PTCN cấp Nhà nước “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học với các mức pha trộn khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH, thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025. [11]. Vũ Thành Trung, Vũ Đức Mạnh, Nguyễn Đình Tuấn, Nguyễn Hồng Vũ (2016). Nghiên cứu xây dựng mơ hình và đánh giá đặc tính tăng tốc của xe Hyundai Starex bằng phần mềm mơ phỏng GT- Suite. Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 9/2016. [12]. Vũ Thành Trung, Nguyễn Hồng Vũ, Nguyễn Đình Tuấn (2015). Nghiên cứu đặc tính tăng tốc của xe Hyundai Starex trên bệ thử con lăn. Kỷ yếu Hội nghị Cơ học tồn quốc 2015, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, ISBN: 978-604-84-1273-9, 8/2015.