Ứng dụng matlab trong mô phỏng động cơ đốt trong

Tổng quan của các bộ phận động cơ được mô phỏng dưới dạng các khối simulink...37 Hình 4.2: Khối hệ thống nạp của động cơ Intake System...38 Hình 4.3: Khối Simulink mô phỏng lưu lượng khô

LỜI CẢM ƠN

Lời nói đầu tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn đến ban giám hiệu cùng với quýthầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã hết lòng giảngdạy và truyền đạt những kiến thức quý giá về học tập cũng như về đạo đức cho chúngem

Chúng em xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ Khí Động Lực Trường Đại Học Sư Phạm KỹThuật TP Hồ Chí Minh cùng tất cả các quý thầy giáo, cô giáo đã tận tình giảng dạy vàgiúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Th.S Huỳnh Quốc Việt người

đã trực tiếp hướng dẫn, đề ra phương hướng và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ chúng

em trong quá trình thực hiện đề tài tốt ngiệp này

Xin cảm ơn thầy phản biện TS Lý Vĩnh Đạt đã bỏ thời gian và công sức để đọc

và đóng góp ý kiến quý báo nhằm giúp chúng em hoàn thành tốt nội dung của đồ án tốtnghiệp

Để chúng em có được ngày hôm nay, không thể quên được công lao to lớn của giađinh và bạn bè đã động viên, khuyến khích chúng em tự tin trong cuốc sống cũng như cốgắng vươn lên trong học tập

Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn và kính chúc quý thầy cô TrườngĐại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh dồi dào sức khỏe, niềm vui và đầynhiệt huyết vời nghề giáo để góp phần vào sự nghiệp trăm năm trồng người và đặc biệtchúng em xin gửi đến quý thầy cô khoa Cơ Khí Động Lực lời chúc sức khỏe, hạnh phúc

và luôn thành công trong công việc lẫn đời sống

Tuy đã có nhiều cố gắng, nhưng chắc rằng đề tài của chúng em vẫn có nhiều thiếusót, rất mong được sự góp ý của các thầy cô giáo trong khoa Cơ Khí Động Lực và cùngvới các bạn để tề tài này ngày càng được toàn diện

Nhóm sinh viên thực hiện:

Nguyễn Xuân Bách Nguyễn Quốc Trung

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn i

Mục lục ii

Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu v

Danh mục các hình vii

Danh mục các bảng x

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Phương pháp nguyên cứu 1

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 1

1.4 Phương pháp nguyên cứu 2

1.5 Kế hoạch thực hiện 2

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 3

2.1 Giới thiệu lý thuyết về mô phỏng động cơ 3

2.1.1 Giới thiệu về động cơ đốt trong .3

2.1.2 Một số định nghĩa về mô phỏng 5

2.2 Các phương pháp mô phỏng động cơ 7

2.1.1 Mô hình động cơ giá trị trung bình (MVM) 7

2.1.2 Mô hình động cơ gián đoạn (DEM) 7

2.1.3.Mô hình xi lanh theo xi lanh (CCM) 8

2.1.4 Mô hình lai 9

Chương 3 TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH

(MVM) 11

3.1 Giới thiệu về MVM của động cơ xăng đánh lửa 13

3.2 Hệ thống nạp trên động cơ 16

3.2.1 Lưu lượng khí nạp đi vào bướm ga 16

3.2.2 Lưu lượng khí nạp đưa vào động cơ……… 18

3.2.3 Động lực học đường ống nạp 19

3.2.4 Lưu lượng khí thải nạp lại vào động cơ 20

3.3 Hệ thống nhiên liệu đông cơ xăng 22

3.3.1 Sự hòa trộn không khí nhiên liệu 23

3.3.2 Động lực học nhiên liệu thấm vào đường ống nạp 24

3.4 Phương pháp xác định mô mem và tốc độ động cơ 26

3.4.1 Tính toán mô-men xoắn 26

3.4.2 Tính toán tổn thất do ma sát và trao đổi khí 28

3.4.3 Hiệu suất nhiệt động lực học đông cơ 29

3.4.4 Tính toán tốc độ động cơ 35

Chương 4 MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH TRÊN SIMULINK 36

4.1 Tổng quan các hệ thống của động cơ trên phần mền mô phỏng Simulink 37

4.2 Mô phỏng hệ thống bướm ga và không khí nạp vào động cơ 38

4.2.1 Mô phỏng lưu lượng không khí đi qua bướm ga (Air mass flow Throttle) 39

4.2.2 Mô phỏng lưu lượng không khí trong đường ống nạp để đưa vào động cơ (Air mass flow intake Manifold) 41

4.2.3 Mô phỏng lượng không khí xả để đưa vào đốt lại trong xy-lanh 42

4.3 Mô phỏng hệ thống lưu lượng nhiên liệu của động cơ 44

4.4 Mô phỏng Mômen xoắn động cơ 47

4.4.1 Mô phỏng tổn thất năng lượng trong động cơ 48

4.4.2 Mô phỏng hiệu suất trong động cơ 49

4.5 Mô phỏng tốc độ của động cơ 50

4.6 Bộ điều khiển PID 51

4.6.1.Giới thiệu về PID 51

4.6.2 Các khâu thành phần trong bộ điều khiển PID 52

4.6.3 Bộ điều khiển PID trong mô phỏng bằng Simulink 57

4.7 Kết quả của việc mô phỏng động cơ bằng Simulink 59

4.7.1 Đồ thị tốc độ và bướm ga của động cơ sau khi được mô phỏng 59

4.7.2 Các đồ thị khác 70

Chương 5 SỬ DỤNG PHẦN MỀN GUI ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MÔ PHỎNG SIMULINK 72

5.1 Khởi tạo chương trình Gui trong Matlab 72

5.2 Mô hình Gui để điều khiển mô phỏng động cơ trên Simulink 73

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

6.1 Kết luận 76

6.2 Kiến nghị 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

CCM: Mean Value Model

DEM: Discrete Event Model

CCM: Cylinder by Cylinder Model

EGR: Exhaust gas recirculation

MBT: maximum break torque

2 Các ký hiệu:

˙m α: Lưu lượng không khí đi qua bướm ga (kg/s)

˙m β: Lưu lượng không khí trong đường ống nạp đi vào động cơ (kg/s)

p m: Áp suất trong đường ống nạp (Pa)

˙m ψ: Lưu lượng nhiên liệu được phun bởi kim phun (kg/s)

˙m ϕ: Lưu lượng nhiên liệu đưa vào động cơ (kg/s)

˙m: Hỗn hợp lưu lượng không khí và nhiên liệu đưa vào trong xy-lanh (kg/s)

˙m γ: Lưu lượng khí xả của động cơ (kg/s)

˙m ε: Lưu lượng khí xả tuần hoàn nạp vào động cơ (kg/s)

M e: Mô-men xoắn động cơ

ω e: Tốc độ góc động cơ (vòng/phút)

T e: Nhiệt độ khí xả của động cơ (0K)

uφ: Lượng nhiên liệu cung cấp

uξ: Thời gian phun nhiên liệu

uζ: Thời gian đánh lửa

uα: Vị trí bàn đạp ga

yα: Cảm biến góc mở bướm ga

yp: Cảm biến áp suất đường ống nạp

yλ: Cảm biến tỉ lệ không khí/nhiên liệu

yω: Cảm tốc độ động cơ.

π d2

4 là diện tích mặt cắt ngang của cánh bướm ga (m2)

d là đường kính của cánh bướm ga (m)

α (t) là góc mở bướm ga khi tài xế đạp bàn đạp ga (0)

A(α) là diện tích mở hiệu quả cho không khí đi qua cánh bướm ga khi mở ở góc α (m2)

α0 là góc mở bướm ga ở chế độ cầm chừng ( 0)

ψ(p m (t)

p a ) là hàm phí tuyến tính

p a là áp suất khí quyển (Pa)

p m áp suất đường ống nạp (Pa)

R là hằng số khí lý tưởng

T a là nhiệt độ không khí (0K)

c d là hệ số nạp của bướm ga

T m là nhiệt độ trong đường ống nạp (0K)

λ l(ω e(t), p m(t)) là hiệu suất thể tích

p r: áp suất đường ống xả (Pa)

V d là thể tích công tác của động cơ (m3)

V c là thể tích buồng cháy của động cơ (m3)

N là số vòng quay trên mỗi chu kỳ (N = 2 cho động cơ 4 thì, N = 1 đối với động cơ 2 thì)

ω e là tốc độ đông cơ (rad/s)

γ0, γ1, γ2 là các thông số điều chỉnh.

λ là tỉ lệ không khí / nhiên liệu động cơ

σ0 là tỉ lệ không khí / nhiên liệu lý thuyết và được lấy giá trị xắp xỉ 14,7.

˙m φ (t) lưu lượng nhiên liệu hút vào trong xy-lanh (Kg/s)

˙m f(t) lưu lượng nhiên liệu bám ở trước cổng nạp và trên mặt sau xu-páp nạp (Kg/s)

K , τ là các hằng số phụ thuộc vào tốc độ và tải của động cơ, cũng như trên nhiều biến sốkhác (nhiệt độ nhiên liệu trung bình Tf, v.v )

H l là nhiệt trị thấp của nhiên liệu

T e(t) là mô-men động cơ

T l(t)là tải bên ngoài động cơ

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 3.1 Tín hiệu đầu vào và đầu ra của hệ thống chính trong mô hình điều khiển của

động cơ xăng 12

Hình 3.2 Tóm tắt hệ thống động cơ xăng theo mô hình giá trị trung bình 13

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên nhân và kết quả của một hệ thống động cơ xăng 14

Hình 3.4 Mô hình lưu lượng đi qua cánh bướm ga 18

Hình 3.5 Định nghĩa của các biến số cho mô hình EGR 20

Hình 3.6 Định nghĩa của các biến trong phần tỷ lệ không khí / nhiên liệu 23

Hình 3.7 Mô hình nhiên liệu bám vào đường ống nạp 24

Hình 3.8 Ví dụ về các bản đồ thu được từ thực nghiệm của các hệ số k, τ được sử dụng Động cơ làm nóng hoàn toàn (1,8 lít, 4 xy lanh, 16 lít) 25

Hình 3.9 Mô hình về hiệu suất động cơ của Affine Willans 28

Hình 3.10 Tốc độ động cơ ảnh hưởng đến hiệu suất tốc độ 30

Hình 3.11 Đưa ra dạng e λ(λ)cho các giá trị tham số thực tế 31

Hình 3.12 Ảnh hưởng của độ lệch góc độ đánh lửa từ ban đầu và góc đánh lửa tối ưu đến mô-men động cơ Ở tốc độ động cơ liên tục từ không tải đến điều kiện tải đầy đủ 32

Hình 3.13.Ảnh hưởng của tỉ số nén ε lên hiệu suất eε 33

Hình 3.14 Ảnh hưởng của tỷ lệ EGR lên hiệu quả động cơ SI 34

Hình 4.1 Tổng quan của các bộ phận động cơ được mô phỏng dưới dạng các khối simulink 37

Hình 4.2: Khối hệ thống nạp của động cơ (Intake System) 38

Hình 4.3: Khối Simulink mô phỏng lưu lượng không khí đi qua bướm ga (Air mass flow Throttle) 40

Hình 4.4 Tỉ lệ áp suất đường ống nạp và áp suất khí trời ảnh hưởng đến hệ thống nạp 41 Hình 4.5 Khối mô phỏng lưu lượng không khí trong đường ống nạp 42

Hình 4.6 Khối mô phỏng lưu lượng khí xả của động cơ 43

Hình 4.7 Mô phỏng phần lưu lượng khí xả nạp lại cho động cơ 44

Hình 4.8 Mô phỏng khối lưu lượng nhiên liệu động cơ 45

Hình 4.9 Mô phỏng khối nhiên liệu bị thấm thoát khí phun vào đường ống nạp 46

Hình 4.10 Mô phỏng quá trình sinh ra Mômen xoắn của động cơ 47

Hình 4.11 Mô phỏng giá trị áp suất mất mát của động cơ 48

Hình 4.12 Mô phỏng tính toán hiệu suất động cơ 49

Hình 4.13 Mô phỏng động lực học của động cơ 50

Hình 4.14 Mô phỏng Mômen tải động cơ 50

Hình 4.15 Sơ đồ hệ thống điều khiển PID 51

Hình 4.16 Sự thay đổi giá trị K p ảnh hưởng đên hệ thống điều khiển PID 53

Hình4.17 Sự thay đổi giá trị K i ảnh hưởng đến hệ thống điều khiển PID 55

Hình 4.18 Sự thay đổi giá trị K d ảnh hưởng đên hệ thống điều khiển PID 56

Hình 4.19 Khối điều khiển PID trong Simulink Matlab 57

Hình 4.20 Bảng điều khiển giá trị của bộ điều khiển PID 57

Hình 4.21 Hình thể hiện bảng điều chỉnh Tuner của bộ điều khiển PID 58

Hình 4.22 Đồ thị tốc độ của động cơ khi cho động cợ chạy 2000 vòng/phút 59

Hình 4.23 Đồ thị thể hiện dao động tốc độ khi động cơ hoạt động ở tốc độ 2000 vòng/phút 60

Hình 4.24 Đồ thị góc mở bướm ga khi động cơ hoạt động ở 2000vòng/phút 61

Hình 4.25 Đồ thị tốc độ động cơ khi hoạt động ở 2000 vòng/phút và tăng tải động cơ.62 Hình 4.26 Đồ thị thể hiện dao động tốc độ khi động cơ hoạt động ở tốc độ 2000 vòng/phút có tăng tải 63

Hình 4.27 Đồ thì góc mở bướm ga thay đổi ở tốc độ 2000 vòng/phút khi tăng tải động cơ .64

Hình 4.28 Đồ thị tốc độ của động cơ khi cho động cợ chạy 5000 vòng/phút 65

Hình 4.29 Đồ thị thể hiện dao động tốc độ khi động cơ hoạt động ở tốc độ 5000 vòng/phút 66

Hình 4.30 Đồ thì góc mở bướm ga thay đổi ở tốc độ 5000 vòng/phút 67

Hình 4.31 Đồ thị tốc độ của động cơ khi cho động cợ chạy 5000 vòng/phút khi tăng thêm tải 67 Hình 4.32 Đồ thị thể hiện dao động tốc độ khi động cơ hoạt động ở tốc độ 5000

vòng/phút khi tăng tải 68

Hình 4.33 Sự thay đổi góc mở bướm ga khi tăng tải và tốc độ động cơ ở 5000 vòng/phút .69

Hình 4.34 Đồ thị áp suất đường ống nạp 70

Hình 4.35 Đồ thị lưu lượng không khí đi qua bướm ga 70

Hình 4.36 Đồ thị lưu luượng nhiên liệu đi vào xy-lanh 71

Hình 4.37 Đồ thị Mômen xoắn động cơ 71

Hình 5.1 Giao diện khi khởi động Gui 72

Hình 5.2 Giao diện làm việc của Gui 72

Hình 5.3 Giao diện GUI điểu khiển mô phỏng động cơ trên Simulink 73

Hình 5.4 Phần thiết kế điều khiển Gui sau khi chạy 74

Hình 5.5 Giao diện Gui khi vẽ đồ thị 75

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1.Các thông số của mô hình ma sát ETH 29Bảng 4.1 Các thông số của động cơ xăng 36

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài.

Song song với sự phát triển của các hãng ô tô trên toàn thế giới kèm theo sự phát triểnmạnh mẽ của công nghệ và các ứng dụng của các phần mềm trong việc thiết kế, môphỏng, chế tạo cũng như sản xuất một chiếc ô tô Cũng với việc sản xuất được một bộphận nào đó bạn cần đưa ra một bản thiết kế để chế tạo và động cơ của một chiếc xe cũngvậy không những nó cần một bản thiết kế trước mà cần cả việc tính toán mô phỏng đểđưa ra các giá trị mong muốn Mô-men xoắn, tốc độ… cần thiết cho phù hợp với loạiđộng cơ, cho những cách sử dụng chiếc xe khác nhau Và để phục vụ cho việc mô phỏngđộng cơ ô tô thì phần mềm mô phỏng rất quan trọng đến việc ảnh hưởng đến độ chínhxác của một loại động cơ, hiện nay có khá nhiều phần mềm để có thể tính toán và môphỏng động cơ có độ chính xác cao như Labview, Maplesim … và đặt biệt một phầnmềm thông dụng với tất cả chúng ta và nó đáp ứng hầu hết các yêu cầu, đòi hỏi sự chínhxác cho việc tính toán và mô phỏng một động cơ đó là phần mềm Matlab, một phần mềm

cơ bản cho một kỹ sư ô tô tương lai Và với ứng dụng của các khối trong Simulink củaMatlab thì việc mô phỏng và điều khiển động cơ được dễ dàng thực hiện hơn

Và “Ứng dụng Matlab trong mô phỏng điều khiển động cơ đốt trong” cũng chính

là đề tài mà chúng em thực hiện để hoàn thành một trương trình Đại Học của Trường ĐạiHọc Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

Ở đề tài này đối tượng nghiên cứu là một loại động cơ đốt trong được sử dụng trên

xe ô tô Từ đó sẽ khoanh vùng những nội dung cần tìm hiểu và trình bày Phạm vi nghiêncứu của đề này là mô phỏng và điều khiển động cơ đốt trong bằng phần mềm Matlab Và

đề tài chủ yếu chú trọng vào việc điều khiển tốc độ của động cơ ứng với giá trị tốc độ yêucầu

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu.

Với đề tài này nội dung chính là việc tính toán, mô phỏng và điều khiển hoạt độngcủa động cơ với những bước cơ bản như

 Giới thiệu về lý thuyết mô phỏng động cơ

 Tính toán các hệ thống chính trong động cơ

 Thiết kế mô hình mô phỏng động cơ bằng Simulink Matlab

 Phát triển hệ thống điều khiển động cơ.

Trong phần Demo Simulink Matlab cũng đã giới thiệu và đưa ra mô hình mô phỏngnhưng các giá trị tính toán của phần Demo này phần lớn dựa vào công thức thực nghiệmnên trong đề tài này cần chứng minh những cong thức thực nghiệm đó để mô phỏngchính động cơ một cách chính xác nhất Và ở đề tài này cũng đưa ra những ứng dụng khi

mô phỏng điều khiển một động cơ và phát triển hệ thống điều khiển các trị cơ bản củađộng cơ trong mô hình mô phỏng

1.4 Phương pháp nguyên cứu.

Để đề tài được hoàn thành chúng em đã kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu, đặc

biệt là phương pháp tham khảo tài liệu Thu nhập tài liệu từ Internet, thư viện Học hỏikinh nghiệm từ thầy cô, bạn bè và những người có kinh nghiệm chuyên môn, từ đó có cơ

sở và tìm ra những ý tưởng mới để hoàn thành đề cương cho đề tài

1.5 Kế hoạch thực hiện.

- Thu thập tài liệu: thư viện, Internet

- Phân tích và nghiên cứu tài liệu dựa trên yêu cầu của đề tài

- Tham khảo ý kiến thầy cô, bạn bè

- Chọn lọc và sắp xếp kiến thức

- Viết thuyết minh và soạn slide trình chiếu

- Hướng dẫn, chỉnh sửa của Giáo viên hướng dẫn

- Hoàn thiện đề tài

- Nộp đề tài

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.1 Giới thiệu lý thuyết mô phỏng động cơ đốt trong.

2.1.1 Giới thiệu về động cơ đốt trong

Trong các loại động cơ nhiệt, nhiệt lượng do nhiên liệu cháy tạo ra, được chuyểnhóa thành năng lượng có ích thì động cơ đốt trong được sử dụng rỗng rãi nhất với sốlượng lớn nhất trọng mọi lĩnh vực: giao thông vận tải (đường bộ, đường sắt, đường thủy,đường hàng không ), nông nghiệp, lâm nghiệp, công nghiệp, quốc phòng…

Trong động cơ đốt trong, các quá trình cháy nhiên liệu, và chuyển biến nhiệt năngthành cơ năng được thực hiện bên trong động cơ

Phân loại động cơ đốt trong.

Theo quy trình nhiệt động lực học:

Theo cách tạo hỗn hợp không khí và nhiên liệu

 Tạo hỗn hợp bên ngoài: Nhiên liệu và không khí được hòa vào nhau ởngoài xy-lanh, sau đó được đưa vào xy-lanh và nén lại Đại diện đặc trưngcho loại này là động cơ Otto có bộ chế hòa khí hay động cơ hai thì Nếunhiệt độ động cơ quá cao, thời điểm đánh lửa quá sớm hay vì tự bốc cháyhỗn hợp này có thể gây ra nổ không kiểm soát được làm giảm công suất vàgây hư hại cho động cơ Trong lúc được nén lại nhiên liệu phải bốc hơimột phần để có thể cháy rất nhanh ngay sau khi đánh lửa, tạo vận tốc vòngquay nhanh

 Tạo hỗn hợp bên trong: Chỉ có không khí được đưa vào và nén lại trongxy-lanh, nhiên liệu được phun vào sau đó Do không có nhiên liệu nênkhông xảy ra việc tự cháy vì thế mà có thể tăng hiệu suất bằng cách tăng

độ nén nhiều hơn Đánh lửa bằng cách tự bốc cháy (động cơ diesel) haybằng bộ phận đánh lửa (động cơ Otto có bộ phận phun liêu nhiệu trực tiếp

hay ở các động cơ có thể dùng nhiều loại nhiên liệu khác nhau) Sau khiđược phun vào nhiên liệu cần một thời gian nhất định để bốc hơi vì thế màvận tốc vòng quay bị giới hạn

Theo cách chuyển động của piston

Theo phương pháp làm mát:

Theo phương pháp cháy

Theo hình dáng động cơ và số xy-lanh, tùy theo số lượng xy-lanh động cơ Otto vàđộng cơ diesel

…

Ở đề tài này tập chung nghiên cứu trên động cơ xăng 4 kỳ, do đó bỏ qua các loại động cơ khác.

Nguyên lý làm việc của một động cơ xăng 4 kỳ.

Chu trình của động cơ xăng 4 kỳ được thực hiện như sau:

- Kỳ một – Nạp: đầu kỳ hút, piston còn nằm ở ĐCT Lúc ấy trong thể tích buồngcháy, chứa đầy khí sót (sản vật cháy) do chu trình trước dể lại, áp suất khí sót hơi cao sovới áp suất khí trời Khi trục khuỷu quay, thanh truyền làm cho piston chuyển từ ĐCTxuống ĐCD, cơ cấu phân phối khí mở thông đường qua xupap nạp, nối không gian bêntrên piston với đường ống nạp Cùng với mức tăng tốc độ của piston, áp suất môi chấtbên trong xy-lanh cũng trở nên nhỏ dần so với áp suất hỗn hợp hòa khí ở đường ống nạp(làm chênh lệch áp suất giữa đường ống nạp và xy-lanh) Chênh lệch áp suất kể trên tạonên quá trình nạp trong động cơ

- Kỳ hai – Nén: piston chuyển từ ĐCD lên ĐCT, hòa khí bên trong xy-lanh bịnén Cuối kỳ một khi piston ở vị trí ĐCD áp suất hòa khí trong xy-lanh còn nhỏ hơn ápsauast đường ống nạp Đầu kỳ hai, piston từ ĐCD đi lên một đoạn áp suất hòa khí trongxy-lanh mới bằng áp suất đường ống nạp Do đó để hoàn thiện quá trình ạp người ta vẫn

để xupap nạp tiếp tục mở (ở một góc cho phép) Việc đóng muộn xupap nạp như trên đểnạp thêm hòa khí vào xy-lanh là nhờ tác dụng chênh lệch áp suất như đã nói trên Saukhi đóng xupap nạp, chuyển động đi lên của piston sẽ làm cho áp suất và nhiệt độ hòakhí trong xy-lanh tiếp tục tăng lên Giá trị áp suất cuối kỳ nén phụ thuộc vào tỉ số nén, độkín khít của của không gian hòa khí…Việc cháy và bốc cháy của hòa khí trong động cơhình thành hòa khí bên ngoài hay bên trong động cơ đều cần một thời gian nhất định,

mặc dù rất ít Muốn tận dụng tốt nhiệt lượng do nhiên liệ được cháy tạo ra, thì điểm bắtđầu và điểm kết thúc quá trình cháy cần nằm ở khu vực sát ĐCT Do đó hòa khí sẽ đượccháy trước khi piston tới ĐCT Như vậy trong kỳ hai, bên trong xy-lanh chủ yếu thựcquá trình nén hòa khí Ngoài ra ở đầu kuf nén còn thực hiện việc nạp thêm và cuối kỳnén thì bugi bắt đầu đánh lửa cháy hòa khí.

- Kỳ ba – Cháy và giãn nở: được thực hiện khí piston đi từ ĐCT xuống ĐCD Đầu

kì ba hòa khí nạp vào xy-lanh được bốc cháy do bugi đánh lửa Do đo nhiệt lượng lớnđược sinh ra, khiến áp suất và nhiệt độ môi chất tăng mạnh, mặc dỳ thể tích xy-lanh đãtăng lên chút ít Dưới tác dụng đẩy của lực do áp suất môi chất tạo ra, piston tiếp tụcđược đẩy xuống thực hiện quá trình giãn của môi chất trong xy-lanh Trong quá trìnhgiãn nở môi chất đẩy piston sinh công, do đó kì này còn được gọi là hành trình công tác(sinh công)

- Kỳ bốn – Xả: trong kỳ này thực hiện quá trình xả sạch khí thả ra khỏi xy-lanh.Piston dịch chuyển từ Đ CD lên Đ CT đẩy khí thải từ xy-lanh qua xupap thải đang mởvào ống thải Dó áp suất môi chất trong xy-lanh cuối kỳ cháy giãn nở còn khá cao nênxupap thải bắt đầu mở ở cuối kỳ cháy khi piston còn cách ĐCD khoảng 40 – 60 độ theogóc quay trục khuỷu nhờ đó giảm được lực cản chuyển động của piston trong kỳ xả vàcải thiện việc quét sạch khí thải ra khỏi xy-lanh động cơ

2.1.2 Một số định nghĩa về mô phỏng

Đối tượng (object): là tất cả những sự vật, sự kiện mà hoạt động của con người

có liên quan tới

Hệ thống (System): là tập hợp các đối tượng (con người, máy móc), sự kiện mà

giữa chúng có những mối quan hệ nhất định

Trạng thái của hệ thống (State of system): là tập hợp các tham số, biến số dùng

để mô tả hệ thống tại một thời điểm và trong điều kiện nhất định

Mô hình (Model): là một sơ đồ phản ánh đối tượng, con người dùng sơ đồ đó để

nghiên cứu, thực nghiệm nhằm tìm ra quy luật hoạt động của đối tượng hay nói cáchkhác mô hình là đối tượng thay thế của đối tượng gốc để nghiên cứu về đối tượng gốc

Mô hình hóa (Modeling): là thay thế đối tượng gốc bằng một mô hình nhằm các

thu nhận thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến hành các thực nghiệm trên môhình Lý thuyết xây dựng mô hình và nghiên cứu mô hình để hiểu biết về đối tượng gốc

gọi lý thuyết mô hình hóa

Nếu các quá trình xảy ra trong mô hình đồng nhất (theo các chỉ tiêu định trước) với cácquá trình xảy ra trong đối tượng gốc thì người ta nói rằng mô hình đồng nhất với đốitượng Lúc này người ta có thể tiến hành các thực nghiệm trên mô hình để thu nhậnthông tin về đối tượng

Mô phỏng (Simulation, Imitation): là phương pháp mô hình hóa dựa trên việc

xây dựng mô hình số (Numerical model) và dùng phương pháp số (Numerical method)

để tìm các lời giải Chính vì vậy máy tính số là công cụ hữu hiệu và duy nhất để thựchiện việc mô phỏng hệ thống

Lý thuyết cũng như thực nghiệm đã chứng minh rằng, chỉ có thể xây dựng được mô hìnhgần đúng với đối tượng mà thôi, vì trong quá trình mô hình hóa bao giờ cũng phải chấpnhận một số giả thiết nhằm giảm bớt độ phức tạp của mô hình, để mô hình có thể ứngdụng thuận tiện trong thực tế Mặc dù vậy, mô hình hóa luôn luôn là một phương pháphữu hiệu để con người nghiên cứu đối tượng, nhận biết các quá trình, các quy luật tựnhiên Đặc biệt, ngày nay với sự trợ giúp đắc lực của khoa học kỹ thuật, nhất là khoa họcmáy tính và công nghệ thông tin, người ta đã phát triển các phương pháp mô hình hóacho phép xây dựng các mô hình ngày càng gần với đối tượng nghiên cứu, đồng thời việcthu nhận, lựa chọn, xử lý các thông tin về mô hình rất thuận tiện, nhanh chóng và chínhxác Chính vì vậy, mô hình hóa là một phương pháp nghiên cứu khoa học mà tất cảnhững người làm khoa học, đặc biệt là các kỹ sư đều phải nghiên cứu và ứng dụng vàothực tiễn hoạt động của mình

Mô phỏng động cơ (Simulation Engine): là xây dựng, tính toán một động cơ đốt

trong theo một mô hình số với các số liệu cơ bản của một động cơ đốt trong đã được chotrước Và từng hệ thống chính của động cơ sẽ được mô hình hóa và những mô hình hóanhư thế sẽ có mối liên hệ với nhau tạo thành một mô hình và mô hình này sẽ mô phỏngmột động cơ hoàn chỉnh

2.2 Phương pháp mô phỏng động cơ.

Một cuộc nguyên cứu về các phương pháp mô phỏng mô hình hóa động cơ chothấy có 5 phương pháp mô hình hóa động cơ được sử dụng phổ biến để nghiên cứunhững hoạt động của động cơ đó là:

 Mô hình giá trị trung bình (Mean Value Model-MVM).

 Mô hình hoạt động gián đoạn (Discrete Event Model-DEM).

 Mô hình xy-lanh theo xy-lanh (Cylinder by Cylinder Model-CCM).

 Mô hình lai (Hybrid Model).



2.2.1 Mô hình giá trị trung bình (MVM):

Là mô hình đơn giản đại diện cho hệ thống nhằm giúp chúng ta tăng khả nănghiểu, giải thích, thay đổi, duy trì, dự đoán và khả năng điều khiển cách ứng xử của một hệthống còn là một mô hình toán học có nguồn gốc từ các nguyên lý cơ bản như cácphương trình bảo toàn khối lượng và năng lượng Mặc dù MVM dựa trên một số giả địnhđơn giản và thời gian trung bình trong thông số động cơ đốt trong, nó mô phỏng động cơvới một xấp xỉ hợp lý và cung cấp một lượng thông tin thỏa đáng các thông tin về vật lýcủa năng lượng chất lỏng truyền qua hệ thống động cơ MVM có thể dự đoán các biến sốchính bên ngoài của động cơ như tốc độ trục khuỷu và áp suất đường ống nạp, và cácbiến số quan trọng bên trong, chẳng hạn như thể tích và hiệu suất nhiệt Thông thường,các phương trình vi phân được sử dụng trong MVM sẽ dự đoán dòng chảy nhiên liệu, ápsuất đường ống nạp, và tốc độ trục khuỷu Động lực học của động cơ được mô hình hóa

và vị trí điều chỉnh được lấy làm đầu vào và tốc độ trục khuỷu được coi là đầu ra Môhình bao gồm ba thành phần chính: thân bướm ga, đường ống nạp và động cơ Do tínhđơn giản và thời gian mô phỏng ngắn, MVM được sử dụng rộng rãi để phát triển kiểmsoát động cơ

2.2.2 Mô hình động cơ gián đoạn (DEM):

Là mô hình hoạt động của một hệ thống như là một dãy gián đoạn các sự việctrong thời gian Mỗi sự việc xảy ra vào một thời điểm cụ thể trong thời gian và đánh dấu

sự thay đổi trạng thái trong hệ thống Giữa các sự việc liên tiếp, hệ thống không thay đổithì được giả định sẽ xảy ra; Do đó các mô phỏng có thể trực tiếp bỏ qua trong thời gian từmột sự việc ban đầu tới sự việc tiếp theo

Điều này sẽ tương phản với mô hình liên tục mà trong đó mô phỏng này sẽ liên tiếptheo dõi động lực học của hệ thống theo thời gian Thay vì dựa vào các sự việc, thì đây là

mô phỏng dựa trên hoạt động Thời gian được chia thành các khoảng nhỏ và trạng thái hệthống được cập nhật trong các hoạt động xảy ra trong khoảng thời gian đó Bởi vì các

mô phỏng sự việc gián đoạn không phải mô phỏng mỗi lần một khoảng, nên chúngthường có thể chạy nhanh hơn nhiều so với mô phỏng liên tục tương ứng Một phươngpháp gần đây là cách tiếp cận ba giai đoạn để mô phỏng sự việc gián đoạn Trong cáchtiếp cận này, giai đoạn đầu tiên là chuyển sang sự việc thời gian tiếp theo Giai đoạn thứhai là thực hiện tất cả các sự việc mà không có điều kiện nào xảy ra tại thời điểm đó(được gọi là Sự kiện B) Giai đoạn thứ ba là thực hiện tất cả các sự việc có điều kiện xảy

ra vào thời điểm đó (được gọi là Sự kiện C)

Phương pháp tiếp cận ba giai đoạn này là sàng lọc từ phương pháp dựa trên sựkiện, trong đó các sự kiện này đồng thời được sắp xếp để sử dụng hiệu quả nhất cácnguồn máy tính Phương pháp tiếp cận ba giai đoạn được sử dụng bởi một số phần mềm

mô phỏng thương mại, nhưng từ quan điểm của người dùng, các chi tiết cụ thể củaphương pháp mô phỏng cơ bản thường bị ẩn

2.2.3 Mô hình xy-lanh theo xy-lanh (CCM):

Trong mô hình này, các lực tác động lên piston của mỗi xy-lanh được mô phỏngtrên cơ sở các định luật vật lý Đầu vào cho các mô hình này là các lực tác động vào các

tổ hợp trên trục khuỷu và đầu ra là tốc độ trục khuỷu Các lực tác động vào các tổ hợptrên trục khuỷu được ước tính bằng áp lực được thiết lập bên trong xy-lanh do sự cháyhỗn hợp nhiên liệu không khí

Mô hình xy-lanh theo xy-lanh còn là một mô hình toán học có nguồn gốc từ cácnguyên lý cơ bản như bảo toàn các phương trình khối lượng và năng lượng CCM có thể

dự đoán các biến số chính bên ngoài của động cơ như tốc độ trục khuỷu và áp lực lên ốngphân phối, và các biến đổi quan trọng bên trong, chẳng hạn như thể tích và hiệu suấtnhiệt

Mô hình bao gồm ba thành phần chính: mô hình bướm ga, mô hình hệ thống xả,

và mô hình trục khuỷu- thanh truyền Điều chỉnh các thông số cho phép mô hình được sửdụng cho các động cơ mới có liên quan Tầm quan trọng của nghiên cứu này là để dựđoán các thông số hoạt động của động cơ như công việc được chỉ định, công suất phanh

và mô-men xoắn để cung cấp với dữ liệu tỷ lệ không khí nhiên liệu và chi tiết kỹ thuật vềhình học

Phương pháp đã được lựa chọn cho dự án này là sử dụng mô phỏng để dự đoáncác thông số hiệu suất của động cơ Bởi vì phương pháp này có thể tiết kiệm thời gian và

giảm tiêu hao tiền để xây dựng thiết bị thử nghiệm động cơ.

 Để phát triển một hệ thống điều khiển điện tử mới cho động cơ, một mô hình địnhhướng kiểm soát cần được đề xuất để hỗ trợ thiết kế ban đầu và  phát triển công việc Môhình định hướng kiểm soát phải dựa trên phương pháp xy-lanh theo xy-lanh, bao gồmthân bướm ga, ống xả và mô hình trục khuỷ- thanh truyền

Về cơ bản, phân tích này dựa vào:

 Mô hình này dựa trên một động cơ xăng 4 kì

 Mô hình bao gồm mô hình động lực của dòng không khí, lưu lượng nhiên liệu vàđộng lực học trục khuỷu

 Mô hình được giới hạn trong vật lý / hình học của động cơ

 Mô hình được sử dụng để dự đoán các thông số hoạt động của động cơ như côngsuất chỉ định, công suất có ích, mô-men xoắn và được cung cấp dữ liệu tỷ lệ khôngkhí nhiên liệu và chi tiết kỹ thuật hình học

 Mô hình được sử dụng để mô phỏng động cơ hoạt động từ điều kiện tốc độ cầmchừng cho đến khi đạt được tốc độ tối đa và tải

2.2.4.Mô hình lai (Hybrid Model):

Mô hình lai diễn tả hai quá trình liên tục và gián đoạn trong một hệ thống vật lý.Trong động cơ xăng, các biến số như tốc độ trục khuỷu đại diện cho động lực học liên tụcnhưng đánh lửa lại là sự việc gián đoạn Trong mô hình lai, bốn xy-lanh được coi là bốn

hệ thống con độc lập và được mô phỏng như là hệ thống liên tục Xy-lanh khi kì sinhcông xảy ra thì được coi như xy-lanh hoạt động, để xác định động lực học trục khuỷu.Một chuỗi sự xuất hiện của quá trình làm việc trong bốn xy-lanh được định nghĩa như làmột loạt các sự việc gián đoạn Việc vận hành của động cơ xăng được xác định bởi sự kếthợp của cả hai

Mô hình lai được coi là mô hình của bốn quá trình động cơ tức là hút, nén, sinhcông và xả như bốn hệ thống liên tục Các hệ thống liên tục tương tự cũng được xem xéttrong DEM cũng có thể được coi là một mô hình lai Trong mô hình này, mỗi xy-lanh củađộng cơ được xem như là hệ thống con độc lập nhận năng lượng phát sinh do sự cháy củahỗn hợp nhiên liệu không khí như đầu vào và chuyển động của piston trong xy-lanh động

cơ được coi là đầu ra Các hệ thống con này được biểu diễn dưới dạng các hệ thống tuyếntính và động cơ xăng hoàn chỉnh được xem như là một tập hợp các hệ thống con Các hệ

thống con này đang làm việc mạch lạc để tạo ra đầu ra là động cơ thuần tuý Các mô hìnhcủa hệ thống phụ của mô hình lai dự kiến sẽ được thực hiện trong điều kiện trạng thái ổnđịnh, khi vận tốc của hệ thống là tương đối ổn định Đồng thời, thời gian mà hệ thống concung cấp cho đầu ra của nó là đủ nhỏ Thời gian của các tín hiệu để bơm nhiên liệu, cháynhiên liệu và các thành phần khác của động cơ được điều khiển bởi (Electronic ControlUnit-ECU) để đảm bảo việc tạo ra công suất trong mỗi xy-lanh theo thứ tự xác định vàphù hợp Việc xây dựng mô hình lai của các tiểu hệ thống sẽ được thực hiện dưới các giảđịnh sau đây.

Giả định mô hình:

 Động cơ đang hoạt động trong điều kiện ổn định ở tải không đổi

 Tỷ lệ nhiên liệu không khí là hệ số lý tưởng

 Hỗn hợp nhiên liệu không khí bị cháy bên trong động cơ xy-lanh ở đầu kì sinhcông và năng lượng được bổ sung ngay lập tức trong xy-lanh dẫn đến tăng nănglượng bên trong Năng lượng bên trong này được thay đổi để hoạt động với tốc độkhông đổi và cung cấp năng lượng cho một bộ phận dự trữ (bánh đà)

 Bất cứ lúc nào cũng sẽ có một xy-lanh sẽ nhận được tín hiệu đầu vào để hoạt động

và chịu lực trên piston và các xy-lanh khác bị động do quá trình hút, nén và xảgóp phần cho mô-men xoắn tải động cơ

 Tất cả bốn xy-lanh đều giống hệt nhau và được mô tả bằng mô hình toán họctương tự

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ XĂNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH

GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH (MVM).

Mô hình MVM có thể được xác định là: ‘Một mô hình là một đại diện đơn giản của một hệ thống nhằm tăng cường khả năng hiểu, giải thích, biến đổi, duy trì, dự đoán

và có thể điều khiển việc vận hành của một hệ thống’

MVM được phát triển ở đây có những đặc điểm mới như:

 Chu trình Otto (Isochoric) được sử dụng để ước lượng lượng nhiệt cần được bổsung bởi quá trình cháy

 Do đó, áp suất tối đa trong xy-lanh và áp suất hiệu dụng trung bình (MEP) đượctính bằng các phương trình của chu trình Otto để dự đoán Mô-men của động cơ.Dưới đây là những giả thiết để sử dụng MVM để mô phỏng động cơ:

 Động cơ là động cơ 4 thì 4 xy-lanh, trong đó chu trình hoạt động xy-lanh được lặplại sau hai vòng quay

 Cũng giả định rằng các xy-lanh được ghép cặp song hành với nhau, để các pistoncủa hai xy-lanh di chuyển đồng thời xung quanh TDC và BDC nhưng chỉ có mộtxy-lanh sinh công Do đó, một trong bốn quá trình chính là hút, nén, nổ và xả luônluôn được thực hiện trong bất kỳ một trong những xy-lanh tại một thời điểm

 Sự dao động trong quá trình sinh công do áp suất giảm dần trong xy-lanh trongquá trình cháy nhiên liệu và không khí (trong kỳ nổ) được bỏ qua và áp suất hiệudụng trung bình (MEP) được tính bằng chu trình Otto như đã đề cập ở trên Điềunày làm đơn giản trong việc phát triển mô hình sinh công trong MVM

 Sự biến đổi của áp suất đường ống nạp do hiện tượng đóng mở liên tục bướm gacũng đã được bỏ qua Các phương trình áp suất đường ống nạp và động lực quayđược rút ra bằng các nguyên lý dựa trên vật lý

 Các điều kiện dòng không khí chảy qua cánh bướm ga cũng bị bỏ qua vì trongđộng cơ xăng hiện tượng xảy ra tiếng động khi dòng khí chạy qua bướm ga là ít

xảy ra Theo quy luật phi tuyến và sự phụ thuộc của lưu lượng khí và áp lực đườngống đối với vận tốc góc của trục khuỷu.

 Cũng giả định rằng nhiệt độ của đường ống nạp vẫn không thay đổi trong mộtkhoảng thời gian ngắn Do đó các động lực học nhiệt độ đường ống nạp đã được

bỏ qua tại thời điểm này và nó được coi là một hằng số

 Chu kỳ Otto đã được sử dụng để mô hình hóa quá trình cháy, do đó tính toán được

áp suất tối đa của chu kỳ, nhiệt độ tối đa của chu kỳ, áp suất trung bình hiệu dụng(MEP) và mô-men xoắn (M e)

Hình 3.1 Tín hiệu đầu vào và đầu ra của hệ thống chính trong mô hình điều khiển

của động cơ xăng

Như thể hiện trong hình 3.1, trong mô hình hướng điều khiển (Control OrientedModels-COM), động cơ là một "Khối" có nhiều tín hiệu đầu vào (lệnh), một tín hiệunhiễu chính (mô-men tải) và một số tín hiệu đầu ra

Các đầu vào là các tín hiệu, nghĩa là nhiều tín hiệu có thể được lựa chọn tùy ý Vìthế, các đầu ra cũng là các tín hiệu có thể được sử dụng bởi bộ điều khiển mà việc vậnhành hệ thống sẽ không bị ảnh hưởng Chỉ có một liên kết vật lý của động cơ với phầncòn lại của công suất truyền động là mô-men nạp, trong văn bản này cho là được biếtđến

3.1 Giới thiệu về MVM của động cơ xăng (SI Engines):

Sơ đồ các hệ thống cơ bản của động cơ xăng gồm các hệ thống được mô phỏngbằng phương pháp MVM.

Hình 3.2 Tóm tắt hệ thống động cơ xăng theo mô hình giá trị trung bình

Từ sơ đồ có thể hiểu được những thành phần chính để hình thành một động cơxăng ngay từ đầu:

 Khối lượng khí trong ống nạp và ống xả

 Năng lượng bên trong ống nạp và ống xả

 Khối lượng nhiên liệu trên thành ồng nạp (ảnh hưởng của độ ẩm thànhống)

 Động năng trong trục khuỷu và bánh đà của động cơ

 Sự suy giảm kì sinh công trong quá trình cháy

 Sự chậm trễ của việc sinh công trong quá trình cháy (chủ yếu là sự chậm trễthông tin)

 Sự chậm trễ khác nhau trong ống xả (bao gồm hiện tượng vận chuyển)

Và hình dưới đây sẽ chỉ rõ từng hệ thống trên động cơ xăng

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên nhân và kết quả của một hệ thống động cơ xăng.Hình 3.3 cho thấy sơ đồ nguyên nhân và kết quả giản đơn của một động cơ xăng(giả sử các điều kiện đẳng nhiệt trong đường ống nạp và mô hình đường ống xả như một

hệ thống thuần tuý) Trong sơ đồ nguyên nhân và kết quả, các nguồn được đề cập dướidạng các khối có bóng màu đen Giữa các khối nguồn này, dòng chảy được xác định bởicác khối tĩnh màu xám các cấp độ của nguồn xác định kích thước của các dòng chảy này

Mỗi khối được chia thành nhiều phần khác nhau sẽ được thảo luận trong các phầnđược chỉ ra trong các khung vuông tương ứng Tuy nhiên, các kết nối quan trọng nhất đãđược nhìn thấy trong biểu diễn này Cả đường dẫn khí và nhiên liệu đều ảnh hưởng đếnquá trình cháy, trong khi sự đánh lửa ảnh hưởng trực tiếp đến sự cháy Các biến đầu ra

chính của quá trình cháy là mô-men xoắnM e, nhiệt độ khí thải T e, và tỷ số không khí /nhiên liệu λ.

Các định nghĩa được sử dụng trong hình 3.2, 3.3:

- ˙m α: Lưu lượng không khí đi qua bướm ga

- ˙m β: Lưu lượng không khí trong đường ống nạp đi vào động cơ

- p m: Áp suất trong đường ống nạp

- ˙m ψ: Lưu lượng nhiên liệu được phun bởi kim phun

- ˙m ϕ: Lưu lượng nhiên liệu đưa vào động cơ

- ˙m: Hỗn hợp lưu lượng không khí và nhiên liệu đưa vào trong xy-lanh

với ˙m = ˙m β + ˙m ϕ

- M e: Mô-men xoắn động cơ

- ω e: Tốc độ góc động cơ

- T e: Nhiệt độ khí xả của động cơ

- λ: Tỉ lệ nhiên liệu không khí

Các giá trị tín hiệu trong động cơ ở các hình 3.1, 3.2, 3.3

- uφ: Lượng nhiên liệu cung cấp

- uξ: Thời gian phun nhiên liệu

- uζ: Thời gian đánh lửa

- uα: Vị trí bàn đạp ga

- yα: Cảm biến góc mở bướm ga

- yp: Cảm biến áp suất đường ống nạp

- yλ: Cảm biến tỉ lệ không khí/nhiên liệu

- yω: Cảm tốc độ động cơ

3.2 Hệ thống nạp trên động cơ.

3.2.1 Lưu lượng khí nạp đi vào bướm ga

Mô hình lưu lượng của bướm ga tính toán lưu lượng không khí chảy qua cánhbướm ga Khi cánh bướm ga mở, diện tích bướm ga đã được mô phỏng bởi các mối quan

hệ ở các cấp độ khác nhau, ở mức độ phức tạp và tính chính xác Nhưng ở đây nó được

mô phỏng bởi một mối quan hệ đơn giản như sau:

A α(t)= π d2

4 .(1−cos(α(t))

cos(α0) )+ A α0(3.1)Trong đó:

 π d2

4 là diện tích mặt cắt ngang của cánh bướm ga (m2)

 d là đường kính của cánh bướm ga (m)

 α (t) là góc mở bướm ga khi tài xế đạp bàn đạp ga (0)

 A(α) là diện tích mở hiệu quả cho không khí đi qua cánh bướm ga khi mở

ở góc α (m2)

 α0 là góc mở tối thiểu của bướm ga cần thiết để giữ cho động cơ chạy ở tốc

độ thấp nhất được gọi là tốc độ không tải Tại thời điểm này, xe được cho làchưa hoạt động Ứng với α0 là diện tích bướm ga mở ở chế độ không tải là

A α0(m2 ) Góc αmax là góc mở tối đa của cách bướm ga, ở 900 Lưu lượng không khí chảy qua bướm ga (˙m α) được mô phỏng với trạng tháientropy ổn định đẳng hướng, phương trình dòng năng lượng của không khí và các biểuthức diễn tả dưới đây:

˙m α(t)=c d A α(t). p a

√R T a .ψ(p m(t)

p a )(3.2)Trong đó:

 p a là áp suất khí quyển (Pa)

 p m áp suất đường ống nạp (Pa)

 R là hằng số khí lý tưởng

 T a là nhiệt độ không khí (0K)

 c d là hệ số nạp của bướm ga

 A(α) được định nghĩa trong phương trình (3.1)

Đối với không khí chịu nén, khối điều khiển lưu lượng thường hay thay đổi vàquan trọng nhất là phải đẳng nhiệt Khi mô hình hóa thiết bị này, giả thiết chính là sựchuyển di chuyển dòng chảy, có thể được tách ra như sau:

• Không có sự thất thoát nào xảy ra ở phần gia tốc (áp lực giảm) tới điểm hẹpnhất Tất cả thế năng dự trữ trong dòng chảy (với áp lực trong đường ống thay đổi) đượcchuyển đổi thành động năng

• Sau điểm hẹp nhất, dòng chảy hoàn toàn hỗn loạn và toàn bộ năng lượng độnghọc có được trong phần đầu tiên sẽ bị phân tán thành năng lượng nhiệt Hơn nữa, áp suấtsau bướm ga không bằng áp suất ban đầu

Hệ quả của những giả thuyết này chính là áp suất ở điểm hẹp nhất của bướm gagần bằng áp suất đường ống nạp và nhiệt độ của lưu lượng không khí trước và sau bướm

ga thì xấp xỉ bằng nhau (mô hình thể hiện trong hình 3.4)

Hình 3.4 Mô hình lưu lượng đi qua cánh bướm ga

3.2.2 Lưu lượng không khí đưa vào động cơ

Khối lượng không khí tạo ra đi vào xy-lanh (˙m β) được mô phỏng theo phươngtrình mật độ và tốc độ dòng khí của bơm khí nén, bởi vì trong kì hút, động cơ hoạt động

tương tự như máy bơm nén khí Biểu thức cho một máy bơm không khí lý tưởng đượccho bởi phương trình:

˙m β(t)= ρ m(t) ˙V(t)(3.4)Với ρ m(t) là mật độ lượng khí nạp của động cơ (liên quan đến áp suất và nhiệt độtheo định luật khí lý tưởng) Được xác định là:

Trong đó các biến được định nghĩa là:

 T m là nhiệt độ trong đường ống nạp (0K)

 λ l(ω e(t), p m(t)) là hiệu suất thể tích và được tính bằng tích của hiệu suất thểtích theo áp suất và hiệu suất thể tích theo tốc độ động cơ với công thức:

λ l(ω e(t), p m(t))= λ lp(p m(t)) λ lω(ω e(t))(3.7)Trong đó hiệu suất thể tích theo áp suất:

 V d là thể tích công tác của động cơ (m3)

 V c là thể tích buồng cháy của động cơ (m3)

 N là số vòng quay trên mỗi chu kỳ (N = 2 cho động cơ 4 thì và N = 1 đốivới động cơ 2 thì)

 ω e là tốc độ đông cơ (rad/s)

 γ , γ , γ2 là các thông số điều chỉnh.

3.2.3 Động lực học đường ống nạp:

Động lực học đường ống nạp được mô phỏng bằng việc lấp đầy và làm trốngkhông khí trong đường ống nạp Động lực học áp suất đường ống nạp được tạo ra bằngcách làm đầy đường ống nạp bằng lưu lượng không khí đi qua bướm ga (˙m α) và làm trốngđường ống nạp bằng hút không khí vào trong động cơ và đó được gọi là lưu lượng khôngkhí đi vào xy-lanh động cơ (˙m β) Sử dụng phương trình khí lý tưởng cho đường ống nạp,điều này có thể được trích dẫn như sau:

p m(t)V m =m m(t)R T m(3.10)

˙p m(t)=R T m

V m ˙m m(t)(3.11)Trong đó với ˙m m(t)=(˙m α(t)− ˙m β (t ))

˙p m(t)=R T m

V m (˙m α(t)− ˙m β (t))(3.12)

Ở đây p m, V m, m m, R và T m lần lượt là áp suất, thể tích, khối lượng, hằng số vànhiệt độ của không khí trong đường ống nạp Giả định rằng biến đổi nhiệt độ đường ốngnạp là nhỏ, do đó nhiệt độ đường ống là hằng số Vì lý do này, sự khác biệt của nó bị bỏqua và chỉ có biến số được đưa ra là khối lượng dòng chảy và áp lực đường ống nạp

3.2.4 Lưu lượng khí thải nạp lại vào động cơ (EGR):

Tuần hoàn khí thải (EGR) là sự tuần hoàn trực tiếp khí thải vào buồng nạp động

cơ hoặc làm giảm nhiệt độ của khí thải trước khi vào đường ống nạp Sau đây, nó đượcgiả định rằng:

 Khí thải được thu lại ngay bên ngoài xu-pap (không có hỗn hợp khí động học hoặcđược giữ lại trong bộ phận xả)

 Làm giảm nhiệt độ EGR được thực hiện sao cho đường ống vào có thể được môphỏng bằng mô hình đẳng nhiệt hình 3.4

 Không khí sạch và khí thải là các khí lý tưởng với các hằng số khí giống nhau R

 Và hỗn hợp là hệ số lý tưởng hoặc nghèo

Hình 3.5 Định nghĩa của các biến số cho mô hình EGR

Hình 3.5 minh hoạ các định nghĩa của các biến số chính của mô hình EGR Chỉ số

a đại diện cho không khí và chỉ số eg đại diện cho khí thải Như thường lệ, lưu lượngđược gán là ˙mx và khối lượng bởi mx trong đó x = {a, eg} Chỉ số m biểu thị một biến liênquan đến đường ống nạp, β tín hiệu đầu vào động cơ, γ tín hiệu đầu ra của động cơ, và ε

là ống dẫn tuần hoàn khí thải Ba tín hiệu đầu vào là lưu lượng nhiên liệu chảy vào lanh, tín hiệu điều khiển tới luồng không khí sạch của bướm ga uα, và tín hiệu điều khiểncho van tuần hoàn khí thải uε

xy-λ(t)= 1

σ0.(˙m β , α(t)/ ˙m φ (t))(3.13)Theo các giả định nêu trên λ (t) ≥1 cho tất cả thời gian t Sự cân bằng lưu lượngkhối lượng trên xy-lanh tạo ra dòng chảy khối lượng

˙m γ eg(t)= ˙m β,eg(t)+ ˙m β ,α(t). 1+1/σ λ(t) 0(3.14)Và

sử dụng giả thiết của một hỗn hợp khí hoàn hảo trong ống dẫn đầu vào, giả sử rằng tỷ lệEGR của dòng chảy ra tương ứng với tỷ lệ EGR bên trong ống dẫn khí nạp.

˙m β,eg(t)= ˙m β(t) x egr(t) (3.17) ; ˙m β,a(t)= ˙m β(t).(1−x egr(t)) (3.18);

Bước tiếp theo là xây dựng khối lượng cân bằng, trước hết là cho đường ống nạpbao gồm hai loại:

d d(t) m m, a(t)= ˙m a(t)− ˙m β,a(t)+ ˙m ε , a(t)(3.19)

d d(t) m m, eg(t)= ˙m ε, eg(t)− ˙m β ,eg(t) (3.20)

Áp lực đường ống được tìm thấy bằng cách sử dụng định luật khí lý tưởng (nhớrằng cả hai hằng số khí được giả định bằng nhau)

p m(t).V m=[m m, a(t)+m m, eg(t)] R + ˙m ε , a(t).T m(t)(3.21)Tổng lưu lượng tuần hoàn khí˙m ε(t)= ˙m ε ,a + ˙m ε ,eg Có thể được tìm thấy bằng cách sử dụng

áp suất ống xả, ống nạp, nhiệt độ và phương trình ở cửa van.Giả sử lần nữa việc pha trộntốt ở đầu ra của động cơ, khí thải và phần nhỏ không khí có thể tìm ra bởi:

˙m ε ,eg(t)= ˙m γ ,eg(t) y egr(t) (3.22) ; ˙m ε ,a(t)= ˙m γ, a(t) y egr(t) (3.23) ;

Trong đó yegr là tỉ số của lưu lượng khối lượng tuần hoàn đối với lưu lượng khốilượng khí thải,

y egr(t)= ˙m ε(t)

˙m γ(t) (3.24)

3.3 Hệ thống nhiên liệu của động cơ xăng.

Đường dẫn nhiên liệu được coi là một hệ thống con cung cấp nhiên liệu cần thiếtvào cho xy-lanh trong quá trình đốt cháy, kết hợp với một hệ thống động lực học con bổsung vào

Cả hai hệ thống phun nhiên liệu gián tiếp và trực tiếp đều có thể được sử dụng trong

mô hình này Phun trực tiếp là việc đưa nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy (chính), cảhai động cơ Diesel và xăng đều dùng được, Trong khi phun gián tiếp có thể được thực

hiện ở đường vào xu-páp nạp trong động cơ xăng hoặc là phun trước cửa nạp của động cơDiesel Các động cơ Diesel hiện đại hầu như chỉ được trang bị các hệ thống nhiên liệuphun trực tiếp, trong khi hầu hết các động cơ của xăng đều sử dụng phun nhiên liệu trênđường ống nạp.

Trong phần này, chỉ đề cập đến động cơ xăng phun nhiên liệu đa điểm trên đườngống nạp và sau đó được đưa vào xy-lanh Trong các hệ thống như vậy, nhiên liệu lỏngđược bơm tới kim phun và phun trong ống nạp, thường đặt trực tiếp ở phía trước xu-pápnạp

Vì sự khác biệt của áp suất phun đến áp suất trong đường ống nạp thường đượcgiữ cố định bởi một bộ điều khiển chuyên dụng, khối lượng nhiên liệu được phun vàokhoảng (khoảng 5-20 ms) Ngoài ra, sự đồng bộ của quá trình phun theo thời gian với gócquay trục khuỷu và các sự việc khác (như giao tiếp với bộ điều khiển điện tử của độngcơ) gây ra sự chậm trễ trong đường truyền nhiên liệu

3.3.1 Sự hòa trộn không khí nhiên liệu

Trong phần cuối cùng, đường dẫn không khí và nhiên liệu đi vào xy-lanh qua páp nạp đã được giới thiệu Khối động học kế tiếp sẽ xử lý sự hình thành tỷ lệ không khí /nhiên liệu và được truyền đến cảm biến oxy Một vài ảnh hưởng động lực học sẽ đượcchỉ ra (xem hình 3.6 đối với một số định nghĩa được sử dụng dưới đây) sẽ được mô hìnhhóa trong phần này bằng phương pháp tiếp cận MVM

xu-Hình 3.6 Định nghĩa của các biến trong phần tỷ lệ không khí / nhiên liệu

Và tỷ lệ không khí / nhiên liệu được thể hiện qua công thức:

λ(t)= 1σ

0. ˙m β(t)

˙m ψ(t)(3.25)Trong đó:

 λ là tỉ lệ không khí / nhiên liệu động cơ

 σ0 là tỉ lệ không khí / nhiên liệu lý thuyết và được lấy giá trị xắp xỉ 14,7.

 ˙m β (t) lưu lương không khí đi vào động cơ được xác định ở phần trên (kg/s).

 ˙m ψ (t) lưu lương nhiên liệu được phun vào đường ống nạp(kg/s)

3.3.2 Động lực học nhiên liệu bám vào đường ống nạp

Hình 3.7 Mô hình nhiên liệu bám vào đường ống nạp

Một trong những ảnh hưởng động học quan trọng nhất trong đường dẫn nhiên liệuvào động cơ là hiện tượng nhiên liệu bám vào thành đường ống nạp khi nhiên liệu lỏngđược phun vào Khi nhiên liệu lỏng phun vào ống nạp thì chỉ một phần vào xy-lanh trongđợt đánh lửa tiếp theo, một phần khối lượng nhiên liệu mf (t) còn bám lại thành ống nạp

và mặt sau của xu-páp nạp Tất nhiên, nhiên liệu cũng bay hơi từ những nơi đó và đượcđưa vào lại động cơ nên ta có thể xác định nhiên liêu đưa vào động cơ như sau

 ˙m φ (t) lưu lượng nhiên liệu hút vào trong xy-lanh (Kg/s).

 ˙m ψ(t) lưu lượng nhiên liệu được phun vào đường ống nạp (Kg/s)

 ˙m f(t) lưu lượng nhiên liệu bám ở trước cổng nạp và trên mặt sau xu-páp nạp(Kg/s)

 K , τ là các hằng số phụ thuộc vào tốc độ và tải của động cơ, cũng như trênnhiều biến số khác (nhiệt độ nhiên liệu trung bình Tf, v.v )

Cách tiếp cận thông thường đối với sự thay đổi lượng nhiên liệu bám vào thànhống nạp là sử dụng một cặp hệ số K và τ xác định bằng khu vực xung quanh điểm vậnhành (tốc độ và tải của động cơ) mà chúng được thí nghiệm tìm thấy Tất nhiên, các giátrị của các hệ số này phải được cập nhật khi điểm vận hành thực tế của động cơ di chuyển

ra khỏi điểm vận hành ban đầu

Thêm vào đó, một yếu tố hiệu chỉnh được sử dụng để bù lại sự thay đổi nhiệt độđộng cơ Cách tiếp cận khác là tự động xác định các giá trị thay đổi theo thời gian của cáctham số K và τ và áp dụng các phương pháp điều khiển thích nghi Và chúng được rút ra

từ thí nghiệm

Hình 3.8 Ví dụ về các bản đồ thu được từ thực nghiệm của các hệ số k, τ được sử

dụng Động cơ làm nóng hoàn toàn (1,8 lít, 4 xy-lanh, 16 lít)

Lưu ý rằng hình 3.8 vốn đã đáp ứng được các nguyên tắc bảo toàn Các công thứckhác, giả sử có hai (hoặc nhiều hơn) các thành ẩm riêng biệt (có hằng số thời gian khácnhau τ mô tả đóng góp phản ứng nhanh và chậm) hoặc bao gồm ảnh hưởng của dòng lưu

lượng khí nạp, cũng đã được đề xuất Chú ý rằng mô hình biểu diễn bởi hình 3.6 (khôngbao giờ có trường hợp với K = 1)

3.4 Phương pháp xác định mô-men và tốc độ động cơ.

3.4.1 Tính toán mô-men xoắn:

Mục tiêu chính của động cơ là tạo ra công cơ học Tốc độ của nó là một hàm biếnđổi, bởi vậy nó không thể được phân bổ một cách ngẫu nhiên Tuy nhiên, Mô-men xoắn

có thể được thay đổi theo ý muốn, với điều kiện là lượng hỗn hợp trong xy-lanh và thànhphần của nó có thể được thay đổi Giá trị trung bình Mô-men động cơ là một hàm phituyến tính của nhiều biến, chẳng hạn như khối lượng nhiên liệu trong xy-lanh, tỷ lệkhông khí / nhiên liệu, tốc độ động cơ, thời điểm đánh lửa hoặc thời gian phun, tỉ lệEGR, v.v

T e =f( ˙m φ ,λ ,ξ ,ω e ,x egr ,… )(3.28)

Cần mô phỏng nhiệt động lực học để xác định chính xác Mô-men động cơ Tuynhiên, với mục đích kiểm soát của kiểu mô phỏng như vậy là quá chặt chẽ Do đó, cầnmột phương pháp tiếp cận thay thế để xác định được mô-men xoắn động cơ Các điềukiện hoạt động có thể để đo hoặc tính mô-men động cơ trong mỗi chu kì sinh công

Tuy nhiên, vì lý do thời gian tính toán, giải pháp này là không thể thực hiện được.Cách tiếp cận khác sẽ hứa hẹn đem lại hiệu quả hơn đó là sử dụng sự hiểu biết về cácbiến số ảnh hưởng khác nhau và phân chia từng phần nhỏ của mô hình thành một số vấn

đề đơn giản dễ hiểu

Trước khi tiếp cận để có cái nhìn chi tiết về phương pháp tiếp cận này thì phải tìmhiểu hai định nghĩa được giới thiệu sau đây

Do mô-men động cơ chủ yếu phụ thuộc vào kích cỡ của động cơ, nghĩa là thể tíchcông tác của động cơ V d, vì thế ta có công thức biểu diễn theo áp suất hiệu dụng trungbình

p me(t)=T e(t).4 π

V d (3.29)

T e(t)= p me(t). 4 π V d(3.30)

Và áp suất hiệu dụng trung bình của nhiên liệu

p mφ(t)=H 4 π l .m φ(3.31)Trong đó:

 H l là nhiệt trị thấp của nhiên liệu

Những biến còn lại đã được định nghĩa ở phần trên Khi đó, khối lượng nhiên liệu

bị cháy trong mỗi chu trình cháy trongm φ có liên quan đến lưu lượng nhiên liệu trungbình có giá trị:

˙m φ(t)=m φ(t). ω e (t)

4 π (3.32)

Áp suất hiệu dụng trung bình p me là áp lực tác động lên piston trong suốt quá trìnhsinh công để tạo ra công suất Áp suất hiệu dụng trung bình của nhiên liệu p mφ là áp suấthiệu dụng trung bình mà động cơ với hiệu suất nhỏ hơn 1 thì sẽ cần lượng nhiên liệu là

m φ cháy trên mỗi chu kì động cơ (với sự chuyển đổi hoàn toàn năng lượng nhiệt củanhiên liệu thành năng lượng cơ học)

Và hiệu suất của động cơ được viết như sau

Cách tính xấp xỉ theo Willans.

Một phương pháp đơn giản hóa để tính toán mô-men xoắn đó là dựa vào tính toán

áp suất hiệu dụng, bằng hiệu giữa áp suất hiệu dụng trung bình của nhiên liệu nhân vớihiệu suất và áp suất hiệu dụng trung bình bị tổn thất

p me(t)=e.(m φ , λ, ξ,ω e , x egr ,…) p mφ(t)−p me0(ω e ,T e …)(3.36)

Hình 3.9 Mô hình về hiệu suất động cơ của Affine Willans

Hệ số hiệu suất ŋe thể hiện các đặc tính nhiệt động lực học của động cơ (nghĩa là

độ lệch từ sự chuyển đổi hoàn toàn từ việc cháy nhiên liệu sang sinh công cơ học) p me 0 là

áp suất đã bị tổn thất bao gồm các tổn thất do ma sát và trao đổi khí

Bên cạnh sự đơn giản của nó ở đây công thức (3.36) này còn có một lợi thế khác

là phân biệt rõ việc sinh công trong động cơ (nhiệt động lực học) và các tổn thất bênngoài (trao đổi khí, ma sát…) Sự phân biệt này làm đơn giản việc mô hình hóa ảnhhưởng của từng phần của động cơ như được giới thiệu ở hình 3.8

3.4.2 Tính toán tổn thất do ma sát và trao đổi khí

Tổng tổn thất của động cơ được sinh ra bởi khi động cơ hoạt động sinh ra ma sát ởbên trong động cơ và việc trao đổi khí Từ đó công thức được hình thành

p me 0(ω e ,T e , ˙m β ,…)= p me 0 f(ω e ,T e …)+ p me0g(ω e , λ, p mφ)(3.37)Với p me 0g là áp suất trung bình của mỗi chu kì mà ở đó là sự thay đổi của lượngkhí tại cửa nạp và cửa xả Khi động cơ được trang bị tăng áp (nhiên liệu không đượcphun vào và bướm ga đã đóng hoàn toàn cho động cơ SI), các giá trị sau đây được ướctính như sau:

Otto: p me 0g (0) ≈ 0,9 bar

Theo tự nhiên việc hút của động cơ xăng, áp suất xả thấp hơn rất nhiều so với mứcxấp xỉ của tổn thất trao đổi khí, có thể đạt được bằng cách giả định hiệu suất thể tíchkhông đổi của động cơ

p me 0g(ω e , λ, p mφ)=p me0 g(0).[1−0,8…0,9. λ σ0V d

m β H l p mφ(t)](3.38)Với p me 0 f là áp suất trung bình do ma sát trong động cơ sinh ra và được tính toándựa trên phương trình thực nghiệm dưới đây

Bảng 3.1.Các thông số của mô hình ma sát ETH

3.4.3 Hiệu suất nhiệt động lực học động cơ

Theo phương pháp tiếp cận trong công thức (3.34), hiệu suất trong động cơ (nhiệtđộng lực học) được tách ra thành các thành phần của nó như sau:

e(ω e , λ,ξ , x egr ,ε ,…)=e ω¿

Trong đó:

Hiệu suất theo tốc độ động cơ,e ω.

Thông thường, hệ số e ω (ω¿¿e)¿ có dạng parabol, như thể hiện trong hình 3.9 Ởtốc độ rất thấp, tổn thất nhiệt lớn qua thành làm giảm hiệu suất của động cơ, trong khi ởtốc độ rất cao thì thời gian cháy trở nên không thuận lợi so với khoảng thời gian sẵn cótrong quá trình giãn nở Lưu ý rằng e (ω¿¿e)¿ có độ lớn nhỏ hơn 1 vì nó kết hợp các chế

độ động cơ nhiệt động học cơ bản, trong khi các yếu tố khác của thiết kế là khoảng 1.

Hình 3.10 Tốc độ động cơ ảnh hưởng đến hiệu suất tốc độ

Hiệu suất theo tỉ lệ không khí nhiên liệu A/F, e λ.

Yếu tố e λ(λ) là ảnh hưởng của việc thay đổi tỷ lệ không khí / nhiên liệu cũng làmthay đổi hiệu suất nhiệt động lực học của động cơ

Trong động cơ xăng, hỗn hợp giàu nhiên liệu có thể xảy ra Đối với hỗn hợp giàunhiên liệu, quá trình cháy không hoàn toàn và các phản ứng chuyển đổi dung dịch / khílàm giảm đáng kể hiệu suất nhiệt động lực học Đối với hỗn hợp nhiên liệu tương đối và

có đủ lượng oxy để cháy hết nhiên liệu hoàn toàn để hiệu quả không bị ảnh hưởng bởithay đổi các giá trị của λ Đối với các giá trị λ1 ≤ λ ≤ λ2 thì động cơ có thể hoạt động hiệuquả

Đối với λ > λ max thì động cơ không thể nổ được vì lượng nhiên liệu quá nhiềukhông đủ oxy để cháy

Vì vậy tỉ lệ không khí / nhiên liệu có thể sử dụng các công thức sau

e λ(λ)= ¿

Trong đó e λ,1 = γ1 λ1 - γ0 Hơn nữa vì lý do liên tục, phương trình sau phải đượcthỏa mãn: