TỔNG QUAN
Giới thiệu
Qua các giai đoạn phát triển động cơ xăng, việc cải tiến hệ thống nhiên liệu đã được thực hiện nhằm tối ưu hóa lượng nhiên liệu tiêu thụ Tuy nhiên, việc sử dụng bộ chế hòa khí để hòa trộn khí nạp đã dẫn đến tình trạng không ổn định, gây giảm hiệu suất động cơ Ở chế độ tải thấp, động cơ thường thừa nhiên liệu, trong khi ở tải cao, lượng nhiên liệu lại không đủ, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất và làm gia tăng ô nhiễm môi trường do lượng hydrocarbon (HC) thải ra không khí.
Hệ thống phun nhiên liệu PI (Port Injection) đã được thay thế nhằm tối ưu hóa lượng nhiên liệu bơm vào xilanh, cải thiện độ hòa trộn của hòa khí và nâng cao hiệu suất động cơ Năm 1996, Mitsubishi đã áp dụng hệ thống GDI (Gas Direct Injection) trên mẫu xe Galant Legnum, giúp tăng tỉ số nén của động cơ, cải thiện hỗn hợp không khí và nhiên liệu, từ đó nâng cao công suất, tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí thải ra môi trường.
Vào tháng 8 năm 2005, Toyota đã giới thiệu hệ thống phun nhiên liệu cải tiến cho động cơ 2GR-FSE hút khí tự nhiên, được sử dụng trong sedan thể thao Lexus IS350 Động cơ này nổi bật với hiệu suất cao, mức tiêu thụ nhiên liệu hợp lý và lượng khí thải rất thấp, đạt tiêu chuẩn xe phát thải siêu thấp tại thị trường Hoa Kỳ Đặc điểm nổi bật của động cơ 2GR-FSE là việc sử dụng hai kim phun cho mỗi xi-lanh, một kim phun cung cấp nhiên liệu vào xi-lanh và kim phun còn lại đưa nhiên liệu vào đường nạp Động cơ D-4S, hay còn gọi là Dynamic Force Stroke Engine, kết hợp hai phương pháp phun xăng đa điểm (MPI) và phun xăng trực tiếp (GDI), giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và mức tiêu hao nhiên liệu của Lexus.
Cảm biến phun xăng điện tử điều khiển bằng máy tính được sử dụng trong cả hai hệ thống MPI và GDI, nhưng vị trí đặt kim phun và chức năng của chúng lại khác nhau Hệ thống phun xăng đa điểm (MPI) đã được sử dụng từ lâu, trong khi GDI mang lại những ưu điểm vượt trội về hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.
Hệ thống phun xăng đa điểm, phổ biến trên các động cơ xăng cách đây 15 đến 20 năm, gồm một đầu phun cho mỗi xi-lanh, gắn gần cổng nạp Có hai hình thức hoạt động: phun xăng đa điểm đồng nhất, trong đó tất cả các đầu phun hoạt động cùng lúc, và phun xăng đa điểm tuần tự, nơi các đầu phun hoạt động theo từng xi-lanh Mặc dù cả hai hình thức đều phun nhiên liệu vào cổ hút khi van nạp mở, phun xăng tuần tự có ưu điểm về giảm khí thải và được ưa chuộng hơn Lexus đã áp dụng công nghệ này trên hệ thống D4-S để giảm nhiệt độ khí nạp và nâng cao hiệu suất thể tích của động cơ.
Những cải tiến mới trên động cơ:
- Mở rộng góc kẹp van Góc giữa đường tâm van nạp và van xả là 41 độ - thiết kế trước đây là 31 độ
- Điều khiển van biến thiên thủy lực trên cả trục cam nạp và xả
Độ nén cao được tối ưu hóa theo chu trình Atkinson, trong đó van nạp giữ mở khi piston di chuyển lên trong quá trình nén, giúp ngăn ngừa hiện tượng "gõ" động cơ khi vận hành ở tốc độ thấp.
- Tỷ lệ lỗ khoan và hành trình dài hơn (thiết kế dưới hình vuông)
- Thay đổi hình dạng cuối cổng và mở rộng đường kính bên trong của ghế
- Ứng dụng hệ thống D-4S (kim phun nhiều lỗ) cập nhật để đạt được "tốc độ đốt cháy cao", mang lại hiệu suất nhiệt trên 40%
- Đường tâm xylanh lệch khỏi đường tâm trục khuỷu, có nghĩa là tâm điểm chết trên đỉnh pít-tông luôn tương đương với vài độ quay của trục khuỷu
Tạp chí Canadandriver đã vinh danh công nghệ phun nhiên liệu D4-S của Lexus trong danh sách đề cử giải thưởng công nghệ năm D4-S, trang bị trên các mẫu Lexus IS 250 và IS 350 đời 2006, đại diện cho bước đột phá trong công nghệ phun nhiên liệu hiện đại Với sự kết hợp của hai kim phun điều khiển, công nghệ này tối ưu hóa lượng nhiên liệu theo từng chế độ tải, cung cấp mô men xoắn cần thiết và khắc phục những hạn chế của các hệ thống phun PI và GDI riêng biệt Kết quả là, D4-S không chỉ tiết kiệm nhiên liệu và tăng hiệu suất mà còn giảm thiểu khí thải, góp phần bảo vệ môi trường.
Hệ thống nhiên liệu D-4S của Toyota đã được cải tiến và áp dụng rộng rãi trên các dòng xe sang như Lexus ES 200, Camry, Harrier, và gần đây nhất là chiếc Corolla Cross vào năm 2021.
Các nghiên cứu khoa học về mô phỏng phần mềm AVL BOOST Hydsim trong nước và ngoài nước
Phần mềm mô phỏng hoạt động động cơ hiện vẫn còn mới mẻ tại Việt Nam, với rất ít nghiên cứu cụ thể về ứng dụng của nó trong việc mô phỏng hệ thống nhiên liệu cho động cơ xăng và Diesel Các nghiên cứu chủ yếu đến từ nước ngoài, tập trung vào hệ thống common rail cho động cơ Diesel, trong khi thông tin về động cơ xăng còn hạn chế, chủ yếu liên quan đến các loại động cơ phun xăng trực tiếp GDI và phun xăng qua ống nạp PI Hiện tại, các phần mềm như LabView và Mathlab vẫn được sử dụng phổ biến để mô phỏng hoạt động động cơ, dẫn đến việc nghiên cứu và phát triển phần mềm mô phỏng này gặp nhiều thách thức Đặc biệt, việc mô phỏng cho động cơ D-4S của Toyota, với sự kết hợp giữa hai hệ thống phun PI và GDI, là một lĩnh vực nghiên cứu đầy tiềm năng mà nhóm đang theo đuổi.
Mục tiêu nghiên cứu đề tài
− Tìm hiểu về cơ sở lí thuyết của phần mềm AVL BOOST Hydsim
− Nghiên cứu tổng quan về hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ Toyota D-4S
Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của kim phun van solenoid là rất quan trọng trong việc ứng dụng cho kim phun trực tiếp và kim phun đa điểm (MPI) trên đường ống nạp Những hiểu biết này giúp cải thiện hiệu suất động cơ và tối ưu hóa quá trình phun nhiên liệu.
− Xây dựng mô hình và đánh giá kết quả mô phỏng kim phun cao áp và kim phun đa điểm (MPI) bằng AVL BOOST Hydsim.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trong đề tài này, nhóm chúng em tập trung vào 3 đối tượng sau:
− Phần mềm AVL BOOST Hydsim.
Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Nhóm nghiên cứu đang phát triển mô phỏng cho hai loại kim phun dựa trên dữ liệu giả định và thực tế mà họ đã thu thập được.
1.5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Tiếp cận từ cơ sở lí thuyết về cách sử dụng phần mềm AVL BOOST Hydsim và hai loại kim phun sử dụng trong động cơ Toyota D-4S
Sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu hướng dẫn sử dụng của hãng và các nguồn tài liệu, bài báo khoa học có liên quan
− Cơ sở lý thuyết phần mềm BOOST Hydsim
− Nghiên cứu về hệ thống phân phối nhiên liệu của đông cơ Toyota D-4S
− Mô hình hóa và phân tích đánh giá khả năng hoạt động của các kim phun
− Thiết kế kim phun ở các chế độ làm việc của một động cơ Toyota D-4S
1.6 Các nội dung chính trinh bày trong đề tài
Chương 2: Hệ thống điều khiển nhiên liệu động cơ xăng Toyota D-4S
Chương 3: Cơ sở lí thuyết của phần mềm mô phỏng AVL BOOST Hydsim
Chương 4: Xây dựng mô hình hóa kim phun cho động cơ xăng Toyota D-4S bằng ứng dụng AVL BOOST Hydsim
Chương 5: Kết luận và nhận xét.
Các nội dung chính trinh bày trong đề tài
2.1 Giới thiệu chung về động cơ xăng Toyota D-4S
2.1.1 Giới thiệu về động cơ xăng Toyota D-4S
Kể từ khi động cơ xăng ra đời, nó đã trở thành nguồn động lực quan trọng cho nền kinh tế toàn cầu, tương tự như động cơ Diesel Động cơ xăng cung cấp năng lượng chính cho nhiều phương tiện vận tải như ô tô, máy kéo và xe máy, thể hiện sự phổ biến không chỉ ở một quốc gia mà trên toàn thế giới.
Động cơ xăng cỡ nhỏ và vừa, chủ yếu được sử dụng trên ô tô và xe máy, có cấu trúc phức tạp với nhiều chi tiết, bao gồm bugi đánh lửa Những động cơ này thường được trang bị trên các phương tiện giao thông nhỏ thông dụng.
Qua các thời kỳ, động cơ xăng đã tiến bộ từ việc sử dụng bộ chế hòa khí đến các hệ thống kim phun gián tiếp và kim phun trực tiếp trong xi lanh, nhằm tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao hiệu suất và giảm thiểu khí thải Do đó, việc áp dụng kết hợp cả hai loại kim phun, bao gồm kim phun trực tiếp trong xi lanh và kim phun trên đường ống nạp, trở thành một xu hướng tất yếu trong công nghệ động cơ hiện đại.
Động cơ Toyota D-4S, được phát triển từ năm 2005, kết hợp giữa kim phun PI và GDI, mang lại cảm giác lái êm dịu và thực tế Công nghệ này không chỉ được áp dụng trên các dòng xe sang Lexus mà còn trên các mẫu xe như Camry, Highlander và Yaris Hybrid Để đáp ứng yêu cầu về bảo vệ môi trường và cạnh tranh trong ngành ô tô, việc nâng cao hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm là rất cần thiết, trong đó cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ là yếu tố then chốt.
Với ưu điểm của hệ thống nhiên liệu Toyota D-4S:
HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ XĂNG D-4S
Giới thiệu chung về động cơ xăng Toyota D-4S
2.1.1 Giới thiệu về động cơ xăng Toyota D-4S
Kể từ khi ra đời, động cơ xăng đã có vai trò quan trọng trong nền kinh tế toàn cầu, cùng với động cơ Diesel Nó là nguồn năng lượng chính cho các phương tiện vận tải như ô tô, máy kéo và xe máy, cho thấy sự phổ biến rộng rãi không chỉ ở một quốc gia hay châu lục mà trên toàn thế giới.
Động cơ xăng cỡ nhỏ và vừa, chủ yếu được sử dụng trên ô tô và xe máy, có cấu trúc phức tạp với nhiều chi tiết do sử dụng bugi đánh lửa Các phương tiện giao thông nhỏ này thường có số lượng linh kiện lớn, ảnh hưởng đến hiệu suất và bảo trì.
Qua các thời kỳ, động cơ xăng đã tiến hóa từ việc sử dụng bộ chế hòa khí đến các hệ thống kim phun gián tiếp và trực tiếp trong xi lanh, nhằm tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao hiệu suất và giảm khí thải ra môi trường Sự kết hợp giữa kim phun trực tiếp trên xi lanh và kim phun trên đường ống nạp trở thành xu hướng tất yếu trong công nghệ động cơ hiện đại.
Động cơ Toyota D-4S, được phát triển từ năm 2005, kết hợp giữa kim phun PI và GDI, mang lại trải nghiệm lái êm ái và chân thực Sự kết hợp này giúp bù đắp khuyết điểm của nhau, tạo ra một động cơ hoàn hảo cho các dòng xe Lexus, Camry, Highlander và Yaris Hybrid Để đáp ứng yêu cầu về môi trường và cạnh tranh, cần nâng cao hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm, trong đó cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu là yếu tố cốt lõi.
Với ưu điểm của hệ thống nhiên liệu Toyota D-4S:
− Giảm phát thải ô nhiễm môi trường
− Giảm tiêu hao nhiên liệu
− Nâng cao hiệu suất động cơ lên đến 41%
− Động cơ làm việc êm dịu hơn với cơ chế phun trực tiếp
2.1.2 Giới thiệu chung về hệ thống nhiên liệu động cơ xăng Toyota D-4S
Bảng1.1 Bảng số liệu về động cơ Toyota D-4S
Tên thông số Kí hiệu Thứ nguyên Giá trị
Kiểu máy A25A-FKS Hộp số tự động 8 cấp, hình L , 6 xi lanh, 4 kỳ
Công suất tối đa Ne [ kW ] 151 kW ở 6600 vg/ph
Momem xoắn lớn nhất T [ v/ph ] 249 Nm ở 4800 vg/ph
Tỉ số nén [-] 13/1 – 14/1 Đường kính xi lanh [mm] 87.5
Phương thức bôi trơn Kiểu hỗn hợp: Cướng bức và tung té Áp suất phun xăng [MPa] 3.5 – 20
Góc mở sớm xupap nạp Độ 50 trước TDC
Góc đóng muộn xupap nạp Độ 30 o sau TDC
Góc mở sớm xupap thải Độ 60 o trước BDC
Góc đóng muộn xupap thải Độ 55 o sau BDC
Góc phun sớm Độ 281 o trước BDC
5 o BTDC khi động cơ đang khởi động
Cấu tạo tổng quan của hệ thống nhiên liệu Toyota D-4S
2.2.1 Cấu tạo của hệ thống nhiên liệu Toyota D-4S
Hình 2.1 Cấu tạo chung của hệ thống nhiên liệu động cơ Toyota D-4S
Hệ thống nhiên liệu Toyota D-4S cấu tạo gồm hai phần:
Hệ thống cung cấp nhiên liệu bao gồm các thành phần chính như bình chứa nhiên liệu, bộ lọc, bơm áp thấp (LP), bơm cao áp (HP), ống dẫn nhiên liệu, kim phun trực tiếp cao áp và kim phun thấp áp trên đường ống nạp.
Hệ thống điều khiển điện tử bao gồm các cảm biến áp suất đường ống nạp, kim phun trực tiếp, kim phun đường ống nạp, ECU và các bộ chấp hành, đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
2.2.2 Nhiệm vụ và yêu cầu của hệ thống nhiên liệu
Chứa nhiên liệu dự trữ, đảm bảo cho động cơ hoạt động liên tục trong một khoảng thời gian nhất định
Lọc sạch nước và tạp chất cơ học lẫn trong nhiên liệu giúp nhiên liệu chuyển động thông thoáng trong hệ thống
Cung cấp nhiên liệu cho động cơ phải đảm bảo tốt các yêu cầu sau:
− Lượng nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình phải phù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ
− Phun nhiên liệu vào xi lanh động cơ đúng thời điểm, đúng quy luật đã định
− Phun với áp suất phù hợp với từng điều kiện làm việc (tốc độ động cơ và tải) khác nhau
Tia phun cần được đảm bảo đồng đều về số lượng, kích thước và phương hướng, phù hợp với tình trạng buồng cháy cũng như cường độ và hướng chuyển động của môi chất trong buồng cháy Điều này giúp quá trình hòa trộn diễn ra nhanh chóng và đồng nhất.
− Hoạt động lâu bền, có độ tin cậy cao
− Giảm tiếng ồn, ô nhiễm và tăng độ êm dịu, hiệu suất hoạt động
− Dễ dàng thuận tiện trong sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa
− Dễ chế tạo, giá thành hạ.
Nguyên lí hoạt động chung của hệ thống
Nhiên liệu được dẫn qua bộ lọc hút nhiên liệu và bơm áp suất thấp, sau đó vào bộ lọc nhiên liệu và đường ống chính Đường ống này chia thành hai nhánh: một nhánh dẫn nhiên liệu đến đường ống phân phối áp suất thấp cho các kim phun, và nhánh còn lại đưa nhiên liệu đến khối bơm cao áp Tại đây, nhiên liệu đi qua bộ lọc treo và van điều tiết để ổn định áp suất Qua trục cam xả, bơm được điều khiển để tạo áp suất và điều chỉnh chu kỳ cung cấp nhiên liệu đến van một chiều, từ đó dẫn đến đường phân phối áp suất cao và kim phun, phun trực tiếp nhiên liệu vào xi lanh.
Khi áp suất nhiên liệu quá cao, nhiên liệu sẽ được hồi qua van xả để điều chỉnh áp suất phù hợp Các cảm biến áp suất nhiên liệu trên đường ống nạp và trong kim phun trực tiếp gửi tín hiệu đến ECM, giúp điều khiển các bơm cao áp thông qua việc điều chỉnh độ mở của van chống tràn Đồng thời, ECU cũng điều khiển bơm nhiên liệu để điều chỉnh áp suất và lượng nhiên liệu phun vào đường ống nạp.
Hệ thống Toyota D-4S tách biệt hoàn toàn việc tạo áp suất và lượng nhiên liệu phun ra Áp suất được tạo ra một cách độc lập, không phụ thuộc vào lượng nhiên liệu được phun ra.
Lượng nhiên liệu phun ra được điều chỉnh bởi bàn đạp ga và chế độ vận hành của động cơ theo tải ECU kiểm soát độ nhấc và thời gian nhấc của kim phun, đồng thời tính toán và so sánh dữ liệu có sẵn để gửi tín hiệu điều khiển lượng phun và thời gian phun một cách hợp lý ở các chế độ khác nhau.
Bơm cánh gạt PF 165 ( bơm áp thấp)
1- Kết nối điện 2- Đường nhiên liệu ra ( cao áp) 3- Van 1 chiều
4- Chổi than 5- Cực roto có nam châm vĩnh cửu 6- Bơm cánh gạt ( loại không cân bằng) 7- Đường nhiên liệu vào ( áp thấp)
Hình 2.2 Cấu tạo của khối bơm xăng áp thấp
Hình 2.3 Bơm xăng cánh gạt loại không cân bằng ( PF 165 Pump)
Là lớp bọc bên ngoài của bơm cánh gạt Tất cả các thành phần khác của máy bơm cánh gạt đều có trong cỏ này
Có hai cổng trong vỏ:
− Cổng vào: Chất lỏng đi vào máy bơm qua cổng này
− Cổng ra: chất lỏng áp suất cao rời khỏi máy bơm qua cổng ra
Có một trục bên trong máy bơm cánh gạt được kết nối với động cơ chính
Một roto được gắn trên trục và nó quay bằng cách sử dụng sức mạnh của động cơ chính
Roto của máy bơm cánh gạt có các rãnh nằm ở khoảng cách bằng nhau xung quang roto
Roto này có nhiều rãnh xuyên tâm khác nhau trong đó
Các cánh trượt được lắp đặt trong các rãnh của roto, cho phép chúng di chuyển tự do trong các khe của roto Với hình dạng chữ nhật, các cánh trượt được kết nối với roto thông qua lò xo Trong hệ thống, chất lỏng màu xanh đại diện cho nhiên liệu áp thấp, trong khi chất lỏng màu đỏ biểu thị nhiên liệu áp cao.
Vòng cam nằm ở thành bên trong của vỏ
2.5.2 Nguyên lí làm việc của bơm cánh gạt (loại không cân bằng)
Hình 2.4 Hoạt động của bơm cánh gạt loại không cân bằng (bơm áp thấp PF 165)
Bơm nhiên liệu áp suất thấp (LP) có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu với áp suất từ 300-530 Kpa đến bơm phun và kim phun LP trên đường ống nạp, cũng như đến bơm cao áp của kim phun trực tiếp trên xi lanh Mục tiêu chính của bơm là đảm bảo nhiên liệu được cấp vào buồng đốt của xi lanh đúng thời điểm, với lưu lượng và áp suất ổn định, phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ Ngoài ra, bơm còn có chức năng tự động ngắt khi túi khí ngừng hoạt động.
− Khi cấp nguồn điện, trục bắt đầu quay và roto được gắn trên trục cũng bắt đầu quay
Các cánh trượt chịu lực ly tâm hướng ra ngoài, khiến cánh gạt GDI di chuyển ra ngoài Lò xo nối roto và cánh gạt được kéo dài, làm cho các lò xo mở rộng và các cánh trượt tiếp xúc với vòng cam cho đến khi roto dừng hoạt động Khi lò xo của cánh gạt nén lại, nó sẽ duy trì sự tiếp xúc với vành cam.
Khoảng cách giữa các cánh gạt và vòng cam tạo ra một buồng chứa kín, được bao bọc bởi vòng cam và cánh gạt Khi cánh gạt di chuyển đến vị trí mà khoảng cách giữa trục rôto và vỏ nhỏ hơn, thể tích của buồng này sẽ giảm.
Khi cánh gạt di chuyển đến vị trí mà khoảng cách giữa trục rôto và vỏ tăng lên, lò xo của cánh sẽ mở rộng để giữ liên lạc với vành cam Tại thời điểm này, diện tích giữa hai cánh gạt liền kề và vỏ cũng tăng lên, dẫn đến việc diện tích buồng chứa giảm.
Khi bơm cánh gạt hoạt động, thể tích buồng chứa tăng lên gần đầu vào, tạo ra chân không và lực hút để nhiên liệu được hút vào máy bơm Các buồng chứa, được hình thành bởi các van, giúp chuyển nhiên liệu từ cổng nạp đến cổng ra Trong quá trình này, nhiên liệu chịu lực ly tâm, dẫn đến việc tăng áp suất tại cổng ra Khi roto tiếp tục quay, thể tích các buồng chứa giảm, làm cho nhiên liệu bị nén với áp suất cao trước khi được đưa ra ống cao áp.
2.5.3 Thông số mô phỏng chi tiết
− Áp suất nhiên liệu: 5 bar
− Van giới hạn áp suất: 7 -12.5 bar
Bơm cao áp HP
Hình 2.5 Cấu tạo bơm cao áp 2.6.2 Nguyên lí hoạt động
Hình 2.6 Trạng thái hoạt động của bơm cao áp
Hình 2.7 Nguyên lí hoạt động của bơm cao áp
Trong quá trình chuyển động đi xuống của pít tông, nhiên liệu được đưa vào buồng bơm thông qua van Solenoid mở Van này được giữ mở nhờ lò xo và lực hút của piston, tạo ra áp suất trong buồng bơm thấp hơn so với đầu vào nhiên liệu, từ đó cho phép nhiên liệu chảy vào buồng.
Nếu van điện từ không nhận tín hiệu từ ECM trong quá trình cam và pít tông di chuyển lên, van sẽ mở do lực lò xo, ngăn chặn bơm tạo áp suất Hệ quả là bơm nhiên liệu GDI không cung cấp nhiên liệu vào đường ray nhiên liệu.
Khi bộ điện từ FCV nhận tín hiệu từ ECM trong quá trình đi lên, van điện từ sẽ đóng lại, ngăn chặn đầu vào áp suất thấp vào buồng bơm Điều này giúp tạo ra áp suất cao trong buồng Khi áp suất đạt đủ mức, van một chiều đầu ra sẽ mở, cho phép nhiên liệu đã được điều áp được đưa đến đường ray nhiên liệu.
Bơm nhiên liệu GDI điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp bằng cách kiểm soát thời điểm van điện từ được cấp năng lượng trong hành trình pít tông Nếu van đóng sớm, lượng nhiên liệu đến đường ray sẽ tăng cao hơn.
ECM truyền tín hiệu yêu cầu vận hành bơm nhiên liệu đến ECU điều khiển bơm tương ứng với điều kiện hoạt động của động cơ Dựa trên tín hiệu từ ECM, ECU điều khiển bơm sẽ điều chỉnh năng lượng cung cấp cho bơm ở ba mức: thấp, trung bình và cao Ở mức cao, điện áp ắc quy được cung cấp trực tiếp cho bơm, trong khi ở mức trung bình và thấp, chế độ điều khiển rộng xung (PWM) được áp dụng để tiết kiệm nhiên liệu bằng cách giảm mức tiêu thụ hiện tại so với phương pháp điều khiển thông thường.
2.6.3 Thông số mô phỏng chi tiết
- Áp suất tiêu chuẩn: 200 bar
- Áp suất cung cấp: 4 – 7 bar
- Tốc độ phun tối đa: 300 m/s 2
- Kiểu kết nối điện: dây nối tiếp + đầu nối nhỏ
- Lượng phun tối đa 1.1 cm 3 / 1 vòng quay cam
- Định hướng kết nối thủy lực: LP 240 o hoặc HP 180 o
- Van điều khiển lưu lượng tích hợp
- Van giảm áp bên trong
Kim phun PI (phun trên đường ống nạp)
3 Vỏ kim phun Giắc cấp điện (đầu nối)
6 Lò plastic clip with injection pin (kẹp nhựa cố định chốt kim phun)
9 Van kim phun với phần ứng (solenoid)
Hình 2.9 Cấu tạo kim phun PI 2.7.1 Cấu tạo của kim phun PI
2.7.1.1 Các liên kết trong kim phun:
Khi kim phun hoạt động, nhiên liệu được cung cấp theo hướng trục từ đáy kim phun Đường dẫn nhiên liệu được giữ chặt bởi một giá cố định, đảm bảo sự căn chỉnh và độ tin cậy Gioăng cao su ở đường nạp nhiên liệu giúp kín kim phun với đường ống nhiên liệu, ngăn ngừa rò rỉ và đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Kim phun được kết nối với ECU của động cơ
2.7.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động chi tiết của kim phun PI trên đường ống nạp
Kim phun trên đường ống nạp này có thể:
− Phun nhiều lần và với một lượng nhiên liệu nhỏ
− Nhiên liệu phun ra có kích thước nhỏ
Trên các kim phun PI hiện tại, nhiên liệu được cung cấp theo hướng trục từ trên xuống dưới, với đường nhiên liệu được cố định vào đường nạp bằng kẹp, đảm bảo sự ổn định và độ tin cậy Vòng đệm (vòng chữ o) giúp nhấc cổng nạp nhiên liệu ra khỏi kim phun trong đường ống nạp, trong khi kim phun được kết nối điện với ECU động cơ.
2.7.2.2 Hoạt động của vòi phun
Khi cuộn dây điện từ (9) bị ngắt năng lượng → kim van (10) và van bi (11) → lò xo
(8) ép vào chân van (13) và lực đó tạo bởi áp suất nhiên liệu → hệ thống cung cấp nhiên liệu được đóng kín khỏi ống góp vào
Khi cuộn dây điện từ được cấp điện, từ trường sẽ hút phần ứng của van kim, khiến van bi nâng lên khỏi bệ và cho phép nhiên liệu được phun vào Khi dòng điện kích thích bị ngắt, lực lò xo sẽ đóng kim van lại.
Nhiên liệu được phun ra qua tấm lỗ phun (13) với nhiều lỗ nhỏ, giúp duy trì lượng nhiên liệu phun vào ổn định Tấm lỗ phun có khả năng không bị ảnh hưởng bởi cặn nhiên liệu Hình dạng của dòng nhiên liệu khi rời khỏi kim phun phụ thuộc vào số lượng và cấu hình của các lỗ phun.
Kim phun được làm kín hiệu quả nhờ nguyên tắc làm kín hình nón hoặc bi tại đầu kim phun Kim phun được lắp đặt vào lỗ có sẵn trong ống nạp, trong khi vòng đệm thấp hơn tạo điều kiện cho việc sử dụng vòng đệm giữa ống phun và ống góp.
Lượng nhiên liệu phun vào được xác định dựa trên thời gian phun, áp suất trong hệ thống cung cấp nhiên liệu, áp suất ngược trong đường ống nạp và hình dạng khu vực phun.
Bề mặt chống mài mòn của PI không chỉ nâng cao độ ổn định mà còn tăng cường độ bền và tuổi thọ sản phẩm Với khả năng làm kín hiệu quả, kim phun này đảm bảo không có hiện tượng "bay hơi", ngăn chặn hơi nhiên liệu thoát ra ngoài.
Mô-đun đầu ra trong ECU Motronic kích hoạt kim phun thông qua tín hiệu chuyển mạch, làm tăng dòng điện trong cuộn dây điện từ Khi dòng điện tăng, kim van sẽ nâng lên, đạt độ nâng tối đa sau thời gian nạp Nhiên liệu được phun ngay khi quả cầu van nhấc khỏi bệ đỡ, và tổng lượng nhiên liệu được bơm vào trong mỗi xung phun được thể hiện trong hình 2.10.
Hình 2.10 Tổng nhiên liệu phun vào trong một xung phun
Hình 2.11 Quá trình hoàn chỉnh phun nhiên liệu theo điện áp
Khi tắt kích hoạt, dòng hiện tại sẽ ngừng lại, và khối lượng quán tính khiến van đóng lại từ từ Van sẽ hoàn toàn đóng sau khi thời gian phun kết thúc.
Khi van mở hoàn toàn, lượng nhiên liệu phun vào tỷ lệ thuận với thời gian Cần bù trừ sự không tuyến tính trong giai đoạn lấy và xả van để đảm bảo hiệu suất, mà không có khoảng thời gian mà kim phun được kích hoạt.
− Tốc độ mà kim van nâng ra khỏi bệ đỡ của nó cũng phụ thuộc vào điện áp của pin
Theo thời gian, kim phun đã được cải tiến liên tục để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về kỹ thuật, chất lượng, độ tin cậy và trọng lượng.
Hình dạng hình học của đường ống nạp và đầu xi lanh yêu cầu các kiểu phun nhiên liệu khác nhau Hình 4.5 minh họa các hình dạng nhiên liệu được phun ra.
Hình 2.12 Hình dạng kim phun và góc phun
Khi cuộn dây điện từ không được cấp điện, lò xo ép van kim và van bi vào bệ van hình nón, ngăn chặn nhiên liệu chảy vào ống nạp Tuy nhiên, khi cuộn dây được cấp điện, từ trường được tạo ra sẽ hút phần vỏ van kim, làm van bi nâng lên khỏi bệ van, cho phép nhiên liệu được phun vào.
Khi ngắt dòng điện kích từ, kim van sẽ đóng lại nhờ lực lò xo, dẫn đến việc nhiên liệu được nguyên tử hóa qua đầu phun dạng tấm có nhiều lỗ phun Những lỗ phun này được đóng chặt trên tấm đầu kim phun, đảm bảo nhiên liệu phun ra với áp suất và số lượng cao, đồng thời không để lại nhiên liệu đọng lại trên đầu kim phun Số lượng tia phun tương ứng với số lượng lỗ phun có trên tấm đầu phun.
ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến trong các chế độ hoạt động của động cơ và gửi tín hiệu điện đến kim phun Qua đó, ECU điều khiển lượng nhiên liệu phun ra bằng cách điều chỉnh thời gian nhấc kim phun.
2.7.3 Thông số kết cấu mô phỏng chi tiết
Hình 2.13 Bản vẽ kim phun PI tiêu chuẩn 2.7.3.1 Thông số cơ học
− Áp suất hệ thống: 5 bar
− Nhiên liệu đầu vào: Đầu kim phun
− Nhiệt độ nhiên liệu cho phép: ≤ 70°C
− Tốc độ dòng chảy ở 3 bar: 151-1.462 cm 3 /phút
Kim phun trực tiếp đa điểm GDI (kim phun cao áp)
2.8.1 Cấu tạo của kim phun cao áp GDI
1.Đầu nạp nhiên liệu có bộ lọc 2.Giắc cấp điện
3 Lò xo 4.Cuộn dây 5.Vỏ kim phun 6.Vòi phun nhiên liệu có cuộn dây điện từ
7.Kệ đỡ kim phun 8.Đầu phun nhiên liệu của kim phun
Hình 2.14 Cấu tạo của kim phun trực tiếp 2.8.2 Nhiệm vụ và yêu cầu với kim phun cao áp:
Kim phun có vai trò quan trọng trong việc đo lường và điều chỉnh lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt, giúp nguyên tử hóa nhiên liệu hiệu quả Tùy thuộc vào chế độ hoạt động, nhiên liệu có thể tập trung xung quanh bugi trong chế độ phân tầng hoặc phân bố đồng đều trong buồng đốt ở chế độ đồng nhất, từ đó tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
2.8.2.2 Yêu cầu với kim phun cao áp
Thời gian phun nhiên liệu vào buồng đốt ngắn hơn rất nhiều so với phun ngoài đường ống nạp
Kim phun cap áp cần đảm bảo độ bền, kín khít và hoạt động êm ái Lượng nhiên liệu phun ra phải tơi và bốc hơi nhanh chóng ngay sau khi phun để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của kim phun.
Hình 2.15 Sự so sánh giữa thời gian phun trên đường ống nạp và phun trực tiếp
Dựa vào hình ảnh, có thể nhận thấy rằng cùng một lượng nhiên liệu được phun ra, nhưng thời gian phun của kim phun trực tiếp ngắn hơn đáng kể, đặc biệt là ở vòng quay 6000 vòng/phút.
− Kim phun trực tiếp: từ 0.4 đến 5 ms để đạt lượng nhiên liệu
Phun xăng trên đường ống nạp thường yêu cầu thời gian từ 3.5 đến 20 ms để đạt lượng nhiên liệu cần thiết Trong khi đó, phun xăng trực tiếp có nhu cầu nhiên liệu thấp hơn ở mức tải đầy, do đó, trong các tình huống tải cao, việc sử dụng phun xăng trực tiếp giúp tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả hơn.
2.8.3 Nguyên lí hoạt động của kim phun trực tiếp GDI trong AVL BOOST Hydsim Kim phun trực tiếp trực tiếp GDI có các chức năng:
− Phun nhiên liệu trực tiếp với áp suất cao
− Phun nhiên liệu theo nhiều cách để đạt được sự kiểm soát nhiên liệu theo khu vực cụ thể của buồng đốt
− Phun theo chế độ vận hành, nhiên liệu sẽ tập trung ở vùng lân cận của bugi (phân tầng) hoặc phân bố đều khắp buồng đốt (đồng nhất)
Khi dòng điện đi qua cuộn dây, một từ trường được tạo ra, làm nâng kim van khỏi chân van, vượt qua lực của lò xo, từ đó mở các đường ra của kim phun.
Áp suất hệ thống hiện tại quyết định lượng nhiên liệu được phun ra, phụ thuộc vào thời gian hoạt động của kim phun và áp suất nhiên liệu Nếu thời gian mở kim phun lâu và áp suất cao, lượng nhiên liệu phun ra sẽ tăng lên, ngược lại, nếu thời gian ngắn và áp suất thấp, lượng nhiên liệu sẽ giảm.
− Khi ngắt dòng điện, van kim bị lực lò xo ép ngược xuống bệ đỡ của nó và làm gián đoạn dòng chảy của nhiên liệu
− Khả năng phun nhiên liệu tuyệt vời đạt được nhờ vào hình dạng vòi phun phù hợp ở đầu kim phun
2.8.3.2 Hoạt động của kim phun GDI trong xi lanh
Hình 2.16 Hoạt động của kim phun GDI trong xi lanh
Kim phun cần được kích hoạt với dòng điện cao để đáp ứng các yêu cầu trong quy trình phun nhiên liệu tái tạo.
Bộ vi điều khiển trong ECU động cơ phát tín hiệu kích hoạt kỹ thuật số, được sử dụng bởi mô-đun đầu ra (ASIC) để tạo ra tín hiệu kích hoạt cho kim phun.
Bộ chuyển đổi D/C trong ECU động cơ tạo ra điện áp 65V, cần thiết để tăng cường dòng điện nhanh chóng trong giai đoạn tăng tốc Điều này giúp kim phun đạt được độ nâng mở tối đa Khi kim phun mở, một dòng điện kích hoạt nhỏ (dòng điện giữ) đủ để giữ cho kim phun mở.
Hình 2.17 Sự hoạt động của kim phun cao áp GDI
− Với độ nâng kim phun không đổi, lượng nhiên liệu phun vào (d) tỷ lệ với thời gian phun
Nhiên liệu được đưa đến đầu kim phun với áp suất cao, qua vòi phun có 6 lỗ, từ đó được phun sương ra theo 6 lỗ này.
Hình 2.18 Đầu kim phun áp cao GDI
Hướng nhiên liệu phun ra được mô tả trong hình 4.11
Hình 2.19 Hướng nhiên liệu phun ra trong buồng đốt 2.8.3.4 Các chế độ hoạt động
Kim phun trực tiếp hoạt động theo hai chế độ là chế độ nạp đồng nhất và chế độ nạp phân tầng
Chế độ nạp đồng nhất là khi động cơ hoạt động với hỗn hợp A/F đồng nhất (lambda = 1), tức là có sự kết hợp gần như hoàn hảo giữa nhiên liệu và không khí trong xi lanh Nhiên liệu được bơm vào ngay từ đầu quá trình nạp, giúp tối đa hóa thời gian hòa trộn với không khí, từ đó tạo ra hỗn hợp A/F đồng nhất Chế độ này cho phép sử dụng bộ TWC để xử lý khí thải hiệu quả.
- Chế độ nạp phân tầng:
Chế độ nạp phân tầng tạo ra một vùng hỗn hợp A/F xung quanh bugi, với lượng nhiên liệu phun vào xi lanh giảm, dẫn đến tỉ lệ A/F tổng thể cao (lamda > 8) Tại tải trung bình, tỉ lệ không khí đạt lamda = 3.5 và lamda = 1 khi đầy tải Phương pháp này giúp ngọn lửa cách xa thành xi lanh, giảm tổn thất nhiệt và cho phép nhiên liệu được phun ở giai đoạn sau của kì nén Kết hợp với khoang xoáy trên piston, nó tạo ra hỗn hợp nhiên liệu phân tầng xoáy siêu nghèo, điều mà các hệ thống nhiên liệu khác không thể thực hiện, nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải ở mức tải thấp.
ECU nhận tín hiệu từ các cảm biến áp suất nhiên liệu và cảm biến bàn đạp ga, sau đó xử lý và gửi tín hiệu điện đến kim phun Thời gian cấp điện cho kim phun càng lâu, lượng nhiên liệu phun ra sẽ càng nhiều, với áp suất phun dao động từ 2.75MPa đến 20MPa.
2.8.4 Thông số kết cấu mô phỏng trực tiếp
Hình 2.20 Bản vẽ chi tiết kim phun GDI 2.8.4.1 Thông số cơ khí:
− Đường kính thân kim phun: 20,7 mm
− Chiều dài kim phun: 87 mm
− Tia đươn góc phun: 8 đén 20 o
− Rò rỉ: =< 2,5 mm 3 / phút pử 23 o
2.8.4.2 Thông số điện tử của cuộn dây điện từ:
− Thời gian tăng ỏp: 480 às
− Thời gian nhấc kim: 704 às
Dòng duy trì: 3.7A - Độ trễ 0.8A
Đường ống dẫn nhiên liệu
2.9.1 Đường ống dẫn nhiên liệu áp suất thấp (LP) Được làm từ thép dập, và thành của nó đóng vai trò là van điều tiết xung áp suất nhiên liệu
Cảm biến áp suất được lắp trong thanh ray
Đường ống dẫn nhiên liệu áp suất cao (HP) được chế tạo từ tháp dập và trang bị cảm biến áp suất để cung cấp tín hiệu phản hồi cho ECU Các kim phun được giữ cố định bằng giá đỡ lò xo, giúp giảm rung động và ngăn chặn sự di chuyển của chúng trong quá trình khởi động, khi áp suất trong xi lanh cao hơn áp suất nhiên liệu trong đường ống.
Hình 2.22 Đường dẫn nhiên liệu áp suất cao
Hệ thống chứa và lọc nhiên liệu
Bình nhiên liệu có nhiệm vụ lưu trữ nhiên liệu, giúp động cơ hoạt động liên tục trong một khoảng thời gian nhất định Nó chứa bơm xăng áp thấp EV 165 cùng với bộ lọc nhiên liệu tinh và lọc thô, đảm bảo cung cấp nhiên liệu sạch cho động cơ.
Hình 2.24 a, Bộ lọc thô b, Bộ lọc tinh
− Bầu lọc thô có nhiệm vụ tách nước ra khỏi nhiên liệu và lọc các hạt thô có kích thước 0.04-0.1mm
Bầu lọc tinh có vai trò quan trọng trong việc loại bỏ cặn bẩn kích thước nhỏ trong nhiên liệu, giúp đảm bảo chất lượng hoạt động và kéo dài tuổi thọ của bơm cao áp và vòi phun.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHẦN MỀM
Giới thiệu tổng quan về phần mềm AVL BOOST Hydsim
BOOST Hydsim là phần mềm phân tích động cho các hệ thống thủy lực và cơ khí thủy lực, dựa trên lý thuyết động lực học chất lỏng và chuyển động của các hệ thống đa vật thể Phần mềm này chủ yếu được ứng dụng trong mô phỏng phun nhiên liệu, với sự phát triển ban đầu tập trung vào các hệ thống phun nhiên liệu GDI.
Ngày nay, BOOST Hydsim là công cụ lý tưởng cho việc mô hình hóa xăng, dầu nặng và phun nhiên liệu thay thế, đồng thời cập nhật các ứng dụng mới như truyền thủy lực, van điện từ và bộ truyền động Phần mềm này hỗ trợ mô phỏng nhiều hệ thống phun nhiên liệu và các hệ thống điều khiển khác, rất hữu ích trong phân tích động lực học của các hệ thống thủy lực, cơ khí và điều khiển Thông qua giao diện MATLAB, BOOST Hydsim có khả năng mô phỏng động lực học của các thiết bị điều khiển cơ khí, bao gồm đầu vào động cơ và điều khiển nâng van xả cùng độ rung của ổ đĩa Là một công cụ tích hợp trong không gian làm việc AVL, BOOST Hydsim cung cấp trải nghiệm người dùng thân thiện với tính năng tiền xử lý và xử lý đồ họa, cùng với biểu diễn hai chiều (2D) giúp người dùng dễ dàng hình dung hệ thống theo định nghĩa của mình.
Mỗi thành phần của hệ thống vật lý được biểu thị bằng biểu tượng trên màn hình GUI, cho phép kết nối cơ học, thủy lực hoặc logic GUI quản lý quá trình xây dựng mô hình, ngăn chặn các kết nối không tương thích và các thông số kỹ thuật đầu vào không hợp lệ.
Tạo mô hình không gian hai chiều
3.2.1 Trình bày mô hình BOOST Hydsim
Hình 3.1 Giao Diện phần mềm AVL BOOST Hydsim
Mô hình BOOST Hydsim hai chiều được thiết kế để cung cấp cái nhìn tổng quan về hệ thống theo định nghĩa của người sử dụng Mỗi phần tử của hệ thống được biểu diễn bằng biểu tượng trên giao diện người dùng (GUI), với các liên kết màu sắc khác nhau: màu đỏ cho các phần tử cơ khí như lò xo hoặc bộ giảm chấn, màu xanh da trời cho các liên kết thủy lực thể hiện hướng dòng chảy, và màu xanh lá cây cho các liên kết đặc biệt.
3.2.2 Nhập thông số ban đầu: Để nhập thông số đầu vào, phải kích đôi vào một biểu tượng được chọn hoặc có thể được mở ra bằng các kích sáng biểu tượng với chuột trái Sau đó kích chuột phải để mở menu rồi chọn tab “Propeties” (những tính chất), lúc này hộp thoại đầu vào sẽ hiện ra Ngoài ra, bằng cách mở những hộp thoại khác nhau từ thanh menu, người sử dụng có thể ghi rõ những điều kiện ban đầu, những thông số đầu vào, những thông số đầu ra theo yêu cầu và định nghĩa một trong những thông số khác liên quan đến phần tử Những tính chất của liên kết cơ khí cũng được ghi giống như vậy Liên kết thủy lực và liên kết đặc biệt không có những tính chất được định nghĩa bởi người sử dụng
Dữ liệu đầu vào phụ thuộc vào cấu hình hệ thống và tác vụ như chạy tiêu chuẩn, khởi động lại, chạy với tối ưu hóa hoặc tính toán chuỗi Mỗi phần tử được liên kết với một tập hợp tham số đầu vào cố định, trong đó một số tham số là tùy chọn và có thể được chọn Mỗi yếu tố có ID và tên do người dùng xác định Đối với tính chất lỏng và kết nối cơ học, cần có đầu vào riêng biệt Ngoài ra, dữ liệu chung cho điều khiển tính toán cũng phải được chỉ định.
Mỗi phần tử có một tập hợp kết quả xác định trước, được lưu trữ trên các tệp ASCII khác nhau Dữ liệu và thông tin điều khiển mặc định được lưu trên tệp Didas, có thể mở trực tiếp bằng Case Explorer tích hợp trong bộ xử lý biểu đồ Để tối ưu hóa chương trình, một tệp lịch sử tương tự (tệp GAD) cũng được tạo ra Kết quả đầu ra bao gồm miền thời gian mặc định và miền góc quay trục nếu được chọn.
Kết quả mô phỏng các yếu tố thủy lực bao gồm áp suất, nhiệt độ, tốc độ dòng chảy (thể tích hoặc khối lượng), tỷ lệ tích lũy (thể tích hoặc khối lượng), khu vực dòng chảy hình học và hiệu suất, cũng như dòng chảy/xả và khoang hơi Đối với các yếu tố cơ học, kết quả mô phỏng thể hiện tỉ lệ vận tốc và/hoặc gia tốc, lực động, mô-men xoắn và thông số động học.
Việc xử lý dữ liệu đầu ra, bao gồm các trục đồ thị, được thực hiện bởi biểu đồ hiển thị IMPRESS TM trong không gian làm việc AVL Biểu đồ này cho phép tạo ra các trục linh hoạt tự động thông qua các mẫu có sẵn từ BOOST Hydsim hoặc do người dùng thiết kế, đồng thời hỗ trợ tạo sự tương tác cho biểu đồ và sơ đồ.
3.2.4 Bộ tiền xử lý (GUI)
Bộ tiền xử lý (GUI) cho phép người dùng:
− Xây dựng mô hình 2D của mô hình BOOST Hydsim
− Xác định các thuộc tính và thông số kỹ thuật khác
− Tạo dữ liệu biên tác động vào hệ thống (các tác động bên ngoài vào mô hình)
− Thực hiện tính toán (một hoặc nhiều lần chạy)
− Truy cập biểu đồ kết quả để đánh giá kết quả
− Truy cập PP3 cho ảnh động kim phun /vòi phun
Biểu diễn 2D của mô hình BOOST Hydsim nhằm cung cấp hình ảnh tổng quan về hệ thống theo định nghĩa của người dùng, trong đó mỗi biểu tượng trên màn hình GUI đại diện cho một yếu tố cụ thể trong hệ thống vật lý Các biểu tượng này chứa số liệu sơ đồ của các yếu tố vật lý và được kết nối bằng các đường mũi tên màu đỏ hoặc xanh Đường màu đỏ biểu thị kết nối cơ học (như lò xo và giảm chấn), trong khi đường màu xanh chỉ ra kết nối thủy lực (hướng dòng chảy) Ngoài ra, một số yếu tố có thể được kết nối bằng đường màu xanh lá cây (kết nối đặc biệt) và đường màu cam (kết nối dây).
3.2.4.2 Xác định các thuộc tính và thông số kỹ thuật
Khi xác định mô hình 2D của hệ thống, người dùng cần chỉ định các thuộc tính của các phần tử và kết nối cơ học Để thực hiện điều này, hãy chọn biểu tượng bằng chuột trái và nhấp chuột phải để mở hộp thoại nhập phần tử Thêm vào đó, người dùng có thể mở các hộp thoại từ thanh Menu để chỉ định các điều kiện ban đầu, tham số đầu ra mong muốn và các thuộc tính khác liên quan đến phần tử Các thuộc tính của kết nối cơ học (đường màu đỏ) cũng được chỉ định tương tự Tuy nhiên, kết nối thủy lực (màu xanh), đặc biệt (màu xanh lá cây) và dây (màu cam) không có thuộc tính do người dùng xác định.
3.2.4.3 Tạo dữ liệu tác động từ bên ngoài
Trong BOOST Hydsim, tất cả các tác động từ bên ngoài vào hệ thống được chỉ định qua các yếu tố Boundary Cả kích thích cơ học và thủy lực đều có thể được xác định dưới dạng chuyển vị, vận tốc, áp suất và dòng chảy, tùy thuộc vào thời gian hoặc góc quay trục.
3.2.4.4 Thực hiện tính toán (chạy chương trình)
Chạy chương trình BOOST Hydsim trực tiếp từ GUI bằng cách nhấp vào Simulation|
Run Thủ tục Run hoặc Restart thông thường sẽ được thực hiện
Nếu màn hình chính hoặc hệ điều hành GUI không hiển thị thông báo lỗi, điều đó có nghĩa là BOOST Hydsim đã bắt đầu thực hiện mô hình Trong quá trình tính toán, các thông báo cảnh báo và lỗi có thể phát sinh từ các tính toán nội bộ và được lưu trữ trong tệp văn bản Simulation.out Người dùng có thể xem các thông báo này bằng cách chọn Simulation | View Logfile Việc kiểm tra tệp log này nên được thực hiện sau mỗi lần khởi động chương trình, đặc biệt là khi sử dụng mô hình mới, để phát hiện bất kỳ sự cố nào do lỗi thời gian chạy nghiêm trọng hoặc vi phạm tương thích dữ liệu.
Để khởi động chương trình BOOST Hydsim, cần cung cấp đầy đủ và chính xác tất cả dữ liệu cần thiết Trước khi bắt đầu tính toán, giao diện người dùng (GUI) sẽ thực hiện một loạt kiểm tra tương thích dữ liệu Nếu không thể khởi động tính toán, hệ thống sẽ hiển thị thông báo lỗi phù hợp trên màn hình.
3.2.4.5 Truy cập kết quả tính toán IMPRESSTM Chart
IMPRESS TM Chart có thể truy cập từ GUI để xem kết quả tính toán qua đồ thị 2D bằng cách chọn Simulation| Show Results, giúp đánh giá kết quả mô phỏng BOOST Hydsim Mặc định, kết quả được vẽ theo thời gian và góc quay trục, nhưng người dùng có thể chọn bất kỳ tham số đầu ra nào làm trục x từ danh sách trong GUI qua lệnh Element| Store Results… Đối với hệ thống phun nhiên liệu, các tham số đầu ra thường gặp bao gồm chuyển động của kim và pít-tông, tốc độ và lượng nhiên liệu phun, diện tích dòng chảy, áp suất trong đường dẫn nhiên liệu, buồng bơm và vòi phun Ngoài ra, PP3 cũng có thể truy cập từ GUI để thực hiện ảnh động của dòng vòi phun, nhưng chỉ khả dụng cho các mô hình BOOST Hydsim có chứa các yếu tố cơ bản hoặc mở rộng của vòi phun (SAC hoặc VCO), với các tính năng ảnh động mở rộng cho van điều khiển 2/2 chiều và kim phun đơn trong hệ thống Common rail tiêu chuẩn.
Trợ giúp trực tuyến
Trợ giúp trực tuyến cho các máy trạm LINUX có thể được truy cập qua Trình duyệt Netscape cho tất cả hộp thoại BOOST Hydsim Đối với nền tảng Windows (XP, Windows 7 ), người dùng có thể sử dụng Netscape hoặc Internet Explorer để truy cập trợ giúp trực tuyến, tùy thuộc vào sự lựa chọn của họ.
Hệ thống đơn vị
AVL-Workspace chuyển đổi các giá trị đầu vào từ đơn vị do người dùng xác định trong “Vùng làm việc” thành các đơn vị mô phỏng sử dụng trong phần mềm Mặc dù các đơn vị mặc định thường được áp dụng cho giá trị đầu vào, người dùng có thể ghi đè các đơn vị này cho từng giá trị cụ thể trong bất kỳ hộp thoại nào Đơn vị mặc định có thể được thiết lập trong hộp thoại tương ứng.
Hình 3.2 Hộp thoại đơn vị
Cài đặt đơn vị mặc định có thể được thực hiện ở cấp độ người dùng, trang web hoặc hệ thống Các cài đặt này có thể được xác định cho từng người dùng và trang web thông qua việc sao chép từ các cấu hình cao hơn hoặc điều chỉnh các đơn vị đầu vào mặc định một cách riêng lẻ.
− SI: cài đặt trên các đơn vị SI mặc định
− English Metric: cài đặt trên đơn vị số liệu tiếng Anh mặc định
− N-mm-s: cài đặt trên các đơn vị N-mm-s mặc định
− Site: cài đặt được chia sẻ bởi tất cả người dùng trang web của bạn
Để cài đặt cho người dùng cá nhân, bạn cần thay đổi các đơn vị đầu vào mặc định Mở rộng tệp đơn vị liên quan và nhấp đúp vào đơn vị mà bạn muốn thay đổi Khi đó, một điểm đánh dấu màu xám sẽ xuất hiện bên cạnh đơn vị đầu vào mặc định mới.
Hình 3.3 Hộp thoại đơn vị
Bắt đầu chương trình
3.5.1 Truy cập vào AVL BOOST Hydsim
Để mở không gian làm việc AVL, bạn có thể truy cập từ menu Start| Programs hoặc nhấp đúp vào biểu tượng trên màn hình Khi đó, một cửa sổ sẽ xuất hiện Di chuyển con trỏ vào biểu tượng để thấy một số tùy chọn hiện ra, sau đó chọn BOOST TM Hydsim để mở không gian làm việc của BOOST Hydsim.
Hình 3.5 Không gian làm việc của BOOST Hydsim 3.5.2 Bắt đầu làm việc với BOOST Hydsim
Từ giao diện như Hình 3.5, chúng ta sẽ bắt đầu một phiên làm việc mới với BOOST Hydsim Phần mềm cung cấp một thanh công cụ chính gồm 10 nhóm lệnh để người dùng tương tác, bao gồm: Menu, Programs, File, Edit, Element, Model, Export, Simulation, Optimization, Options, và Help Chi tiết về các công cụ và chức năng của chúng được trình bày trong bảng bên dưới.
Bảng 3.1 Các công cụ trong BOOST Hydsim
Menu Menu con Mô tả
Programs New Mở một phiên mới của BOOST Hydsim
Exit Kết thúc một phiên làm việc
File New Mở một phiên mới của Workspace (xóa phiên hiện tại)
Open Mở một phiên đã lưu của Workspace
Save Lưu phiên hiện tại của Workspace
Lưu phiên hiện tại của Workspace bằng cách sử dụng chức năng "Save As" với tên mới Kiểm tra kích thước trang trong phần Page Setup để xác định kích thước theo phần trăm so với trang A4 tiêu chuẩn.
Kiểm tra lưới hoạt động để kích hoạt hiển thị lưới trên trang Kích thước lưới quyết định khoảng cách dọc và ngang giữa các điểm lưới Offset xác định vị trí bắt đầu của lưới từ góc trên bên trái của trang.
Unit: Đặt tùy chọn đơn vị mm, cm, inch hoặc pt
Print Lưu phiên hiện tại của BOOST Hydsim Workspace vào tệp tin để in
Cắt, sao chép, dán và xóa các lệnh để tạo và thao tác các phần tử
Các mô-đun được sử dụng để xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu, cho phép lưu trữ các kết hợp phần tử khác nhau Chúng có thể được kết hợp thành một mô hình, giúp giảm thiểu công việc đầu vào và đơn giản hóa việc kiểm tra các hệ thống bộ phận.
Chọn mô-đun tải để mở hộp thoại chọn tệp, nơi bạn có thể chèn các mô-đun đã lưu trước đó vào mô hình thực tế bằng cách chọn tệp có định dạng mod.
Chức năng Lưu Mô-đun cho phép bạn lưu các bộ phận của mô hình dưới dạng mô-đun Để bắt đầu, hãy chọn phần mong muốn trong vùng làm việc, sau đó cửa sổ chọn tệp sẽ xuất hiện để bạn chỉ định tên tệp cho mô-đun, với phần mở rộng mặc định được áp dụng.
m od) Các mô-đun được lưu với Save Module không được đưa vào thư mục
Mô-đun Lưu Mô-đun Người Dùng cho phép người dùng lưu trữ các mô-đun tại thư mục đã được xác định trước (AWS_USERHOME / client / tycon / lib / macro, trong đó AWS_USERHOME là biến môi trường) Sau khi nhập tên tệp với phần mở rộng mặc định mod và nhấn enter để xác nhận, cửa sổ lưu mô-đun sẽ xuất hiện, cho phép người dùng chọn thư mục lưu trữ mô-đun Tất cả người dùng đều có quyền xác định mô-đun của riêng mình.
Mô-đun Lưu Trữ: Tiếp tục với mô-đun Lưu, thư mục lưu trữ các mô-đun trang web đã được xác định trước nằm tại (AWS_SITEHOME/client/tycon/lib/macro), trong đó AWS_SITEHOME là một biến môi trường Sau khi chỉ định tên tệp với phần mở rộng mặc định là mod, người dùng nhấn ENTER để xác nhận Cửa sổ LƯU MÔ-ĐUN sẽ xuất hiện, cho phép người dùng chọn thư mục mà mô-đun sẽ được lưu vào Chỉ những người dùng có quyền ghi trên AWS_SITEHOME mới có khả năng xác định mô-đun trang web, nhằm đảm bảo an toàn cho tệp.
Blocks Create: Chọn hoặc kéo chuột qua các yếu tố cần thiết để nhóm lại với nhau
Break up: Rả nhóm các yếu tố của khối
Select All: Chọn mọi thứ trong Vùng vực làm việc
All Elements: Chọn tất cả các thành phần từ element tree trong Vùng làm việc
All Connections: Chọn tất cả các kết nối phần tử được sử dụng trong mô hình
All Decorations: Chọn tất cả các yếu tố đồ họa trên màn hình, ví dụ: hình chữ nhật, hình tròn, EPS, văn bản
Order Raise: Nếu các phần tử chồng lấp hoàn toàn hoặc một phần, sẽ đưa một phần tử lên nền trước bằng cách chọn nó
Lower: Phần tử được chọn sẽ làm nền
Nhóm các yếu tố đồ họa là quá trình kết nối chúng với nhau Để thực hiện, hãy sử dụng con trỏ chuột để bao quanh các thành phần đồ họa và giữ nút chuột trái trong khi nhấp vào tùy chọn Nhóm Các yếu tố được chọn sẽ được nhóm lại vĩnh viễn theo yêu cầu của bạn.
Ungroup: Hủy bỏ nhóm các yếu tố đồ họa
Element Properties… Chỉ định các thuộc tính của phần tử được chọn
Chỉ định các điều kiện ban đầu của phần tử được chọn
Chỉ định tham số đầu ra cho phần tử được chọn
Modify… Chỉ định tham số có thể sửa đổi cho phần tử được chọn Copying… Sao chép các thuộc tính phần tử từ một phần tử sang
Model Parameters… Chỉnh sửa tham số mô hình
Xác định các biến thể tham số
Xác định tính chất chất lỏng
Xác định tính chất rắn toàn cầu
Xác định tính chất nạp của xi lanh
Xác định các thuộc tính chất lỏng trong
Xác định dữ liệu cho liên kết đến FIRE
Restart… Khởi động lại (tính toán thêm) của hệ thống đã lưu trước đó
Control Xác định các thông số điều khiển của mô phỏng Các bước thời gian có thể được xác định, khoảng thời gian mô phỏng và khoảng kết quả
Mode… Xác định nhiệm vụ tính cũng như xử lý kết nối không nhất quán
Xác định các tham số để tối ưu hóa
Mở hộp thoại để xác định tham số ảnh động hoặc gọi PP3 để hiển thị hình động 3D của mô hình được tính toán
Status… Hiển thị trạng thái mô phỏng
Hiển thị thông tin, cảnh báo và thông báo lỗi từ các tính toán
Show Results Mở cửa sổ INPRESS TM Chart với thư mục mô hình bên phải
Xác định cài đặt trình công việc: hàng đợi, số lượng bộ xử lý cho mỗi công việc và số lượng công việc song song
Khóa các hộp thoại thuộc tính cho các thành phần cho các khung nhìn mô hình được đơn giản hóa và được bảo vệ
Frame là các yếu tố đồ họa như hình chữ nhật, logo và văn bản được sử dụng để bố trí trang Bạn có thể xóa khung khỏi trang nếu không cần thiết.
AVL Report: Khung AVL tiêu chuẩn theo chiều dọc AVL Report Landscape: Khung AVL tiêu chuẩn theo chiều ngang
Customer Report Landscape: Kung AVL tiêu chuẩn cho báo cáo hóa đơn
Cài đặt tùy chỉnh của khung hiện tại Chỉ định văn bản và logo khách hàng cho khung
Units Được sử dụng để hiển thị và thiết lập các đơn vị được sử dụng
Help Contents Hỗ trợ trực tuyến
Manuals Truy cập hướng dẫn sử dụng BOOST Hydsim ở định dạng PDF
About Thông tin tóm tắt về bản phát hành BOOST Hydsim hiện tại
Để nâng cao trải nghiệm người dùng trong quá trình mô phỏng, một thanh công cụ phụ đã được thiết kế ngay dưới thanh công cụ chính (Hình 3.6) Các câu lệnh được biểu thị bằng biểu tượng, giúp người dùng dễ dàng sử dụng hơn.
Hình 3.6 Thanh công cụ phụ trong BOOST Hydsim
− New : Xóa không gian làm việc BOOST Hydsim hiện tại và bắt đầu một phiên mới
− Open : Mở phiên đã lưu của Không gian làm việc BOOST Hydsim
− Save : Lưu phiên hiện tại của Không gian làm việc BOOST Hydsim
− Print : Gửi phiên hiện tại của cửa sổ BOOST Hydsim Workspace đến máy in hoặc lưu vào tệp tin mô tả
− Các lệnh soạn thảo tiêu chuẩn như: Cut , Copy , Paste , Delete , Select
… để tạo và thao tác với vùng làm việc
− Hydraulic , Mechanical , Special , Wire : dùng để kết nối các element lại với nhau
− Model Parameters , Case Explorer , Simulation Control , Run
Simulation , Simulation Status : giúp kiểm soát các thông số, trạng thái, tiến hành tính toán model
3.5.2.2 Thư viện các phần tử
Trong BOOST Hydsim, một model được tạo ra bằng cách kết hợp các element khác nhau Những element này được kết nối với nhau để hình thành một model hoàn chỉnh, thể hiện sự tích hợp và tương tác giữa các thành phần.
BOOST Hydsim có tổng cộng là 19 nhóm element chính như Hình 3.7
Hình 3.7 Các Element chính trong BOOST Hydsim
Nhấp đúp vào nhóm bằng nút chuột trái để xem toàn bộ danh sách các thành phần trong nhóm Dưới đây là bảng hiển thị nhóm hoàn chỉnh cùng danh sách các thành phần và biểu tượng tương ứng.
Bảng 3.2 Các element trong BOOST Hydsim
Xác định áp lực lên các kết nối bên ngoài (ranh giới) của hệ thống là các hàm của thời gian hoặc góc tham chiếu
Tốc độ dòng chảy được xác định trên các kết nối bên ngoài (ranh giới) của hệ thống, thể hiện dưới dạng hàm theo thời gian hoặc góc tham chiếu.
Mechanical Xác định tọa độ hoặc vận tốc trên các kết nối bên ngoài (ranh giới) của hệ thống dưới dạng các hàm thời gian hoặc góc tham chiếu
Case Explorer
Case Explore là một công cụ giúp thiết lập các trường hợp tính toán khác nhau
Để mở Case Explorer, bạn có thể chọn Model | Case Explorer hoặc sử dụng thanh công cụ phụ, cho phép bạn xem xét các điều kiện khác nhau như áp suất và kích thước cấu tạo trên cùng một mô hình.
Để tạo thêm các case cho mô hình, chúng ta cần thực hiện hai bước quan trọng: đầu tiên, định dạng các biến toàn cục và sau đó, tạo các case mới dựa trên những biến này.
3.6.1 Định dạng một biến thành biến toàn cục (global)
Trong BOOST Hydsim, biến toàn cục là biến mà tất cả các phần tử trong mô hình đều có thể truy cập và sử dụng giá trị của nó Ngược lại, biến cục bộ chỉ có giá trị sử dụng cho riêng phần tử đó, các phần tử khác không thể truy cập giá trị này Tóm lại, biến toàn cục có hiệu lực trong toàn bộ mô hình, trong khi biến cục bộ chỉ có hiệu lực trong một phần tử cụ thể.
Mỗi biến trong lập trình có tên riêng để nhận diện, do người dùng đặt và bao gồm các ký tự chữ, số và dấu gạch dưới "_", không chứa ký tự đặc biệt khác Tên biến phân biệt chữ hoa và chữ thường Để định dạng một biến thành biến toàn cục, người dùng có thể nhấp chuột phải vào tên biến hoặc nhấn vào biểu tượng mũi tên nhỏ ở góc phải bên dưới biến, sau đó một hộp thoại sẽ xuất hiện như trong Hình 3.16.
Hình 3.16 Hộp thoại tạo biến toàn cục
Click chọn vào Assign new parameter (global) hệ thống sẽ yêu cầu bạn đặt tên cho biến này thông qua một của sổ nhỏ được hiện ra (Hình 3.17)
Sau khi nhập tên biến và nhấn OK, bạn đã tạo thành công một biến toàn cục mang tên “Piston_Area” Để quản lý các biến này, hãy chọn Model | Parameters hoặc sử dụng thanh công cụ phụ.
Hình 3.18 Hộp thoại Model Parameters
Khi một biến được định dạng thành biến toàn cục hoặc cục bộ, bạn không thể nhập giá trị trực tiếp cho biến đó Để khôi phục biến về trạng thái ban đầu, hãy nhấp vào Unassign Parameter (Hình 3.16).
Còn khá nhiều ứng dụng của biến toàn cục bạn có thể tham khảo thêm thông qua lệnh
Từ giao Diện làm việc của Case Explorer tạo một case mới bằng cách click vào các case mới sẽ được tạo ra như Hình 3.19
Hình 3.19 Tạo các case mới
Bạn có thể tùy chỉnh tên các case theo ý thích bằng cách nhấp chuột vào tên case "case 1" Ngoài ra, bạn có thể tạo thư mục mới để lưu trữ các case mong muốn và sử dụng biểu tượng để xóa những case không cần thiết Để thêm các biến toàn cục vào mô hình, hãy nhấp vào cửa sổ Parameter Group Editor, nơi tất cả các biến toàn cục sẽ được hiển thị trong cột.
Để chuyển các biến từ cột Unuser Parameters (người dùng không thể can thiệp) sang cột User Parameters (người dùng có thể can thiệp), bạn chỉ cần chọn tên biến trong cột Unuser Parameters và nhấn vào biến số để chúng tự động chuyển sang cột User Parameters Bạn có thể sử dụng các cặp biểu tượng để kiểm soát các biến theo ý muốn Sau khi sắp xếp xong, hãy nhấn OK để hoàn tất.
Hình 3.20 Thêm biến vào các case
Khi mô hình của bạn có từ hai trường hợp trở lên, hãy sử dụng lệnh Simulation | Run để thực hiện nhiều trường hợp cùng lúc Lưu ý rằng nút mặc định chỉ cho phép chạy một trường hợp Do đó, bạn nên cân nhắc sử dụng linh hoạt cả hai lệnh này để đạt được kết quả mong muốn.
