TỔNG QUAN
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Với đề tài này nội dung chính là việc tính toán, mô phỏng và điều khiển hoạt động của 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, mô hình mô phỏng đã được giới thiệu, tuy nhiên, các giá trị tính toán chủ yếu dựa vào công thức thực nghiệm Do đó, đề tài này cần chứng minh các công thức thực nghiệm để mô phỏng động cơ một cách chính xác nhất Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng sẽ trình bày những ứng dụng của việc mô phỏng điều khiển động cơ và phát triển hệ thống điều khiển các trị cơ bản của động cơ trong mô hình mô phỏng.
Phương pháp nguyên cứu
Để hoàn thành đề tài, nhóm chúng em đã áp dụng nhiều phương pháp nghiên cứu, đặc biệt là tham khảo tài liệu từ Internet và thư viện Chúng em cũng học hỏi kinh nghiệm từ thầy cô, bạn bè và những chuyên gia trong lĩnh vực, từ đó tạo ra cơ sở vững chắc và tìm ra những ý tưởng mới cho đề cương của đề tài.
Kế hoạch thực hiện
- Thu thập tài liệu: thƣ 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
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
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 qua cánh bướm ga khi mở Diện tích của bướm ga được mô phỏng thông qua các mối quan hệ ở nhiều cấp độ khác nhau, với độ phức tạp và tính chính xác khác nhau Tuy nhiên, trong bài viết này, nó được mô phỏng bằng một mối quan hệ đơn giản.
là diện tích mặt cắt ngang của cánh bướm ga ( )
d là đường kính của cánh bướm ga (m)
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 ( )
Tốc độ không tải là góc mở tối thiểu của bướm ga cần thiết để động cơ hoạt động ở tốc độ thấp nhất Khi đạt được tốc độ này, xe được coi là chưa hoạt động, và diện tích bướm ga mở ở chế độ không tải sẽ tương ứng với trạng thái này.
Góc α max là góc mở tối đa của cách bướm ga, ở 90 0
Lưu lượng không khí qua bướm ga được mô phỏng với trạng thái entropy ổn định và đẳng hướng Các phương trình dòng năng lượng của không khí cùng với các biểu thức liên quan được trình bày dưới đây.
Với ( ) là hàm phí tuyến tính đƣợc tính xấp xỉ bằng công thức:
là áp suất khí quyển (Pa)
áp suất đường ống nạp (Pa)
là hằng số khí lý tưởng
là nhiệt độ không khí ( 0 K)
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 thay đổi và cần phải duy trì điều kiện đẳng nhiệt Khi mô hình hóa thiết bị này, giả thiết chính là sự chuyển dịch dòng chảy, có thể được tách ra như sau:
Không có sự thất thoát nào ở phần gia tốc (áp lực giảm) đến điểm hẹp nhất, vì tất cả thế năng dự trữ trong dòng chảy được chuyển đổi hoàn toàn thành động năng, mặc dù áp lực trong đường ống có sự thay đổi.
Sau khi vượt qua điểm hẹp nhất, dòng chảy trở nên hoàn toàn hỗn loạn, dẫn đến việc toàn bộ năng lượng động học từ phần đầu tiên bị phân tán thành năng lượng nhiệt Đồng thời, áp suất sau bướm ga không còn duy trì được mức áp suất ban đầu.
Áp suất tại điểm hẹp nhất của bướm ga gần tương đương với áp suất trong ống nạp, trong khi nhiệt độ của lưu lượng không khí trước và sau bướm ga cũng xấp xỉ bằng nhau.
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 đi vào xy-lanh được mô phỏng theo phương trình mật độ và tốc độ dòng khí của bơm khí nén, vì trong kỳ hút, động cơ hoạt động giống như một máy bơm nén khí Biểu thức cho một máy bơm không khí lý tưởng được thể hiện qua phương trình: ̇ ̇.
Với là mật độ lƣợng khí nạp của động cơ (liên quan đến áp suất và nhiệt độ theo định luật khí lý tưởng) Được xác định là:
Và ̇ đƣợc xác định lại là: ̇
Trong đó các biến đƣợc định nghĩa là:
là nhiệt độ trong đường ống nạp ( 0 K)
Hiệu suất thể tích ( ) được tính bằng cách nhân hiệu suất thể tích theo áp suất với hiệu suất thể tích theo tốc độ động cơ, theo công thức cụ thể.
Trong đó hiệu suất thể tích theo áp suất:
Và hiệu suất thể tích theo tốc độ động cơ đƣợc tính là:
là thể tích công tác của động cơ ( )
là thể tích buồng cháy của động cơ ( )
N là số vòng quay trên mỗi chu kỳ (N = 2 cho động cơ 4 thì và N = 1 đối với động cơ 2 thì)
là tốc độ đông cơ (rad/s)
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 trống không khí trong đường ống nạp Động lực học áp suất đường ống nạp được tạo ra bằng cách làm đầy đường ống nạp bằng lưu lượng không khí đi qua bướm ga ( ̇ ) và làm trống đường ống nạp bằng hút không khí vào trong động cơ và đó được gọi là lưu lượng không khí đi vào xy-lanh động cơ ( ̇ ) Sử dụng phương trình khí lý tưởng cho đường ống nạp, điều này có thể đƣợc trích dẫn nhƣ sau: ̇ ̇ Trong đó với ̇ ( ̇ ̇ ) ̇
( ̇ ̇ ) Ở đây , , , R và lần lƣợt là áp suất, thể tích, khối lƣợng, hằng số và
Nhiệt độ không khí trong đường ống nạp được giả định là hằng số do biến đổi nhiệt độ nhỏ Do đó, sự khác biệt về nhiệt độ bị bỏ qua, và chỉ có khối lượng dòng chảy cùng áp lực đường ống nạp được xem xét.
3.2.4 Lưu lượng khí thải nạp lại vào động cơ (EGR):
Tuần hoàn khí thải (EGR) là quá trình đưa khí thải trở lại buồng nạp động cơ, nhằm giảm nhiệt độ của khí thải trước khi vào đường ống nạp.
Khí thải đƣợc thu lại ngay bên ngoài xu-pap (không có hỗn hợp khí động học hoặc đƣợc giữ lại trong bộ phận xả)
Làm giảm nhiệt độ EGR được thực hiện sao cho đường ống vào có thể được mô phỏng 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 họa các định nghĩa của các biến số chính trong mô hình EGR, trong đó chỉ số a đại diện cho không khí và eg đại diện cho khí thải Lưu lượng được ký hiệu là ̇x và khối lượng là m x, với x = {a, eg} Chỉ số m biểu thị biến liên quan đến đường ống nạp, β là tín hiệu đầu vào động cơ, γ là tín hiệu đầu ra của động cơ, và ε là ống dẫn tuần hoàn khí thải Ba tín hiệu đầu vào bao gồm lưu lượng nhiên liệu vào xy-lanh, tín hiệu điều khiển luồng không khí sạch của bướm ga u α, và tín hiệu điều chỉnh khác.
21 khiển cho van tuần hoàn khí thải uε.
Theo các giả định nêu trên λ (t) ≥1 cho tất cả thời gian t Sự cân bằng lưu lượng khối lƣợng trên xy-lanh tạo ra dòng chảy khối lƣợng ̇ ̇ ̇
Trong những phương trình này, việc ảnh hưởng (tương đối nhỏ) của quá trình cháy không hoàn toàn và gây ô nhiễm không đƣợc đề cập
Tỷ lệ không khí/nhiên liệu được xác định bởi biến điều khiển u φ và động lực học đường dẫn nhiên liệu Tổng lưu lượng vào động cơ được tính toán với ̇ sao cho ̇β,eg và ̇β,a là lưu lượng động cơ vào duy nhất chưa biết Các biến này được xác định dựa trên giả thiết của một hỗn hợp khí hoàn hảo trong ống dẫn đầu vào, với giả định rằng tỷ lệ EGR của dòng chảy ra tương ứng với tỷ lệ EGR bên trong ống dẫn khí nạp.
Bước tiếp theo trong quá trình xây dựng khối lượng cân bằng là xác định áp lực cho đường ống nạp, bao gồm hai loại: ̇ ̇ ̇ (3.19) và ̇ ̇ (3.20) Áp lực của đường ống được tính toán dựa trên định luật khí lý tưởng, với giả định rằng cả hai hằng số khí là như nhau.
[ ] ̇ (3.21) Tổng lưu lượng tuần hoàn khí ̇ ̇ ̇ Có thể được tìm thấy bằng cách sử
Hệ thống nhiên liệu đông cơ xăng
Sử dụng áp suất tại ống xả và ống nạp, cùng với nhiệt độ và phương trình ở cửa van, là rất quan trọng Giả sử rằng việc pha trộn khí ở đầu ra của động cơ diễn ra tốt, khí thải và một phần nhỏ không khí có thể được xác định thông qua các phương trình (3.22) và (3.23).
Trong đó yegr là tỉ số của lưu lượng khối lượng tuần hoàn đối với lưu lượng khối lƣợng khí thải, ̇ ̇ (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 thiết vào cho xy-lanh trong quá trình đốt cháy, kết hợp với một hệ thống động lực học con bổ sung vào
Cả hai hệ thống phun nhiên liệu gián tiếp và trực tiếp đều có thể áp dụng cho động cơ Phun trực tiếp đưa nhiên liệu vào buồng cháy, được sử dụng cho cả động cơ Diesel và xăng Ngược lại, phun gián tiếp diễn ra ở đường vào xu-páp nạp của động cơ xăng hoặc trước cửa nạp của động cơ Diesel Hiện nay, hầu hết các động cơ Diesel hiện đại sử dụng hệ thống phun trực tiếp, trong khi đa số động cơ xăng vẫn áp dụng phun nhiên liệu ở đường ống nạp.
Động cơ xăng phun nhiên liệu đa điểm sử dụng hệ thống phun trong ống nạp để cung cấp nhiên liệu cho xy-lanh Trong hệ thống này, nhiên liệu lỏng được bơm đến kim phun và được phun trực tiếp vào ống nạp, thường nằm ngay trước xu-páp nạp.
Áp suất phun và áp suất trong đường ống nạp thường được giữ cố định nhờ vào bộ điều khiển chuyên dụng, cho phép khối lượng nhiên liệu được phun trong khoảng thời gian từ 5 đến 20 ms Bên cạnh đó, sự đồng bộ giữa quá trình phun và góc quay trục khuỷu, cũng như các yếu tố khác như giao tiếp với bộ điều khiển điện tử của động cơ, có thể gây ra độ trễ trong đường truyền nhiên liệu.
3.3.1 Sự hòa trộn không khí nhiên liệu
Cuối cùng, không khí và nhiên liệu được dẫn vào xy-lanh qua xu-páp nạp Khối động học tiếp theo sẽ xử lý việc hình thành tỷ lệ không khí/nhiên liệu và truyền tín hiệu đến cảm biến oxy Một số ảnh hưởng động lực học sẽ được mô hình hóa bằng phương pháp tiếp cận MVM, như được chỉ ra trong hình 3.6 với các định nghĩa liên quan.
Hình 3.6 Định nghĩa của các biến trong phần tỷ lệ không khí / nhiên liệu
Và tỷ lệ không khí / nhiên liệu đƣợc thể hiện qua công thức: ̇ ̇ Trong đó:
là tỉ lệ không khí / nhiên liệu động cơ
là tỉ lệ không khí / nhiên liệu lý thuyết và đƣợc lấy giá trị xắp xỉ 14,7
̇ lưu lương không khí đi vào động cơ được xác định ở phần trên
̇ 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 yếu tố động học quan trọng trong quá trình cung cấp nhiên liệu cho động cơ là hiện tượng nhiên liệu bám vào thành ống nạp khi được phun vào Khi nhiên liệu lỏng được phun vào, chỉ một phần sẽ vào xy-lanh trong lần đánh lửa tiếp theo, trong khi phần còn lại sẽ bám lại trên thành ống nạp và mặt sau của xu-páp nạp Nhiên liệu bám lại này cũng sẽ bay hơi và được đưa trở lại vào động cơ, từ đó xác định được lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ.
̇ lưu lượng nhiên liệu hút vào trong xy-lanh (Kg/s)
̇ (t) lưu lượng nhiên liệu được phun vào đường ống nạp (Kg/s)
̇ lưu lượng nhiên liệu bám ở trước cổng nạp và trên mặt sau xu-páp nạp (Kg/s)
là các hằng số phụ thuộc vào tốc độ và tải của động cơ, cũng nhƣ trên nhiều biến số khác (nhiệt độ nhiên liệu trung bình T f , v.v )
Cách tiếp cận truyền thống để điều chỉnh lượng nhiên liệu bám vào thành ống nạp là áp dụng một cặp hệ số K và τ, được xác định dựa trên khu vực xung quanh điểm vận hành.
Phương pháp xác định mô mem và tốc độ động cơ
Khi tiến hành thí nghiệm, các giá trị về tốc độ và tải của động cơ cần được điều chỉnh Đặc biệt, các hệ số này phải được cập nhật khi động cơ hoạt động ra khỏi điểm vận hành ban đầu.
Một yếu tố hiệu chỉnh được sử dụng để bù đắp sự thay đổi nhiệt độ của động cơ Một cách tiếp cận khác là tự động xác định các giá trị thay đổi theo thời gian của các tham số K và τ, đồng thời áp dụng các phương pháp điều khiển thích nghi, được rút ra từ các thí nghiệm.
Hình 3.8 Ví dụ về các bản đồ thu đƣợc từ thực nghiệm của các hệ số k, τ đƣợc sử dụng Động cơ làm nóng hoàn toàn (1,8 lít, 4 xy-lanh, 16 lít)
Hình 3.8 đã tuân thủ các nguyên tắc bảo toàn, trong khi các công thức khác có thể áp dụng cho hai hoặc nhiều thành phần riêng biệt với hằng số thời gian khác nhau để mô tả các phản ứng nhanh và chậm Ngoài ra, các mô hình cũng xem xét ảnh hưởng của dòng khí nạp Lưu ý rằng mô hình trong hình 3.6 không bao giờ xảy ra 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, với tốc độ là một hàm biến đổi không thể phân bổ ngẫu nhiên Mô-men xoắn có thể được điều chỉnh theo ý muốn, miễn là lượng hỗn hợp trong xy-lanh và thành phần của nó có thể thay đổi Giá trị trung bình của mô-men động cơ là một hàm phi tuyến tính phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm khối lượng nhiên liệu trong xy-lanh và tỷ lệ của nó.
26 không khí / nhiên liệu, tốc độ động cơ, thời điểm đánh lửa hoặc thời gian phun, tỉ lệ EGR, v.v
Để xác định chính xác mô-men động cơ, cần thực hiện mô phỏng nhiệt động lực học Tuy nhiên, phương pháp này có thể quá chặt chẽ cho mục đích kiểm soát Do đó, cần tìm một phương pháp tiếp cận thay thế để đo hoặc tính toán mô-men xoắn động cơ trong mỗi chu kỳ sinh công.
Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian tính toán, giải pháp này không khả thi Một cách tiếp cận hiệu quả hơn là áp dụng kiến thức về các biến số ảnh hưởng và chia nhỏ mô hình thành những vấn đề đơn giản, dễ hiểu.
Trước khi tiếp cận để có cái nhìn chi tiết về phương pháp tiếp cận này thì phải tìm hiểu hai định nghĩa đƣợc giới thiệu sau đây
Mô-men động cơ chủ yếu phụ thuộc vào kích thước và thể tích công tác của động cơ, do đó có thể được biểu diễn qua công thức liên quan đến áp suất hiệu dụng trung bình.
Và áp suất hiệu dụng trung bình của nhiên liệu
là nhiệt trị thấp của nhiên liệu
Những biến còn lại đã đƣợc định nghĩa ở phần trên Khi đó, khối lƣợng nhiên liệu
Áp suất hiệu dụng trung bình trong mỗi chu trình cháy liên quan đến lưu lượng nhiên liệu trung bình, thể hiện áp lực tác động lên piston trong quá trình sinh công Đối với động cơ có hiệu suất nhỏ hơn 1, áp suất hiệu dụng trung bình của nhiên liệu cần thiết để đạt được lượng nhiên liệu cháy trên mỗi chu kỳ động cơ là rất quan trọng, nhằm đảm bảo sự chuyển đổi hoàn toàn năng lượng nhiệt của nhiên liệu thành năng lượng cơ học.
Và hiệu suất của động cơ đƣợc viết nhƣ sau
Với định nghĩa này, có thể đƣợc viết lại nhƣ sau
Và hiệu suất đƣợc tính xấp xỉ nhƣ sau
Cách tính xấp xỉ theo Willans
Một cách đơn giản để tính toán mô-men xoắn là sử dụng áp suất hiệu dụng, được xác định bằng cách lấy hiệu giữa áp suất hiệu dụng trung bình của nhiên liệu nhân với hiệu suất và áp suất hiệu dụng trung bình bị tổn thất.
Hình 3.9 Mô hình về hiệu suất động cơ của Affine Willans
Hệ số hiệu suất ŋ e phản ánh các đặc tính nhiệt động lực học của động cơ, cho thấy mức độ lệch so với việc chuyển đổi hoàn toàn năng lượng từ quá trình cháy nhiên liệu sang công cơ học Nó bao gồm áp suất đã bị tổn thất, bao gồm cả các tổn thất do ma sát và trao đổi khí.
Công thức (3.36) không chỉ đơn giản mà còn giúp phân biệt rõ ràng giữa công sinh ra trong động cơ (nhiệt động lực học) và các tổn thất bên ngoài như trao đổi khí và ma sát Sự phân biệt này tạo điều kiện thuận lợi cho việc mô hình hóa ảnh hưởng của từng phần trong động cơ, như đã được giới thiệu trong hình 3.8.
3.4.2 Tính toán tổn thất do ma sát và trao đổi khí
Tổng tổn thất của động cơ phát sinh từ ma sát bên trong khi động cơ hoạt động và quá trình trao đổi khí Dựa trên những yếu tố này, công thức tính toán tổn thất được hình thành.
Áp suất trung bình trong mỗi chu kỳ là yếu tố quan trọng liên quan đến sự thay đổi lượng khí tại cửa nạp và cửa xả Khi động cơ được trang bị tăng áp, trong trường hợp nhiên liệu không được phun vào và bướm ga đã đóng hoàn toàn cho động cơ SI, các giá trị áp suất sẽ được ước tính một cách chính xác.
Hút của động cơ xăng theo tự nhiên cho thấy áp suất xả thấp hơn nhiều so với tổn thất trao đổi khí Điều này có thể đạt được khi giả định hiệu suất thể tích của động cơ là không đổi.
+ Với là áp suất trung bình do ma sát trong động cơ sinh ra và đƣợc tính toán dựa trên phương trình thực nghiệm dưới đây
S là số chu kỳ của động cơ, B (m) là đường kính xy-lanh Hằng số đại diện cho tỷ số tăng tốc độ tối đa mà động cơ được thiết kế để hoạt động ở tốc độ thấp nhất.
Các giá trị thực nghiệm cho các thông số đƣợc đƣa ra trong Bảng 3.1
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 (nhiệt động lực học) đƣợc tách ra thành các thành phần của nó nhƣ sau:
Hiệu suất theo tốc độ động cơ,
MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH TRÊN SIMULINK
Mô phỏng hệ thống bướm ga và không khí nạp vào động cơ
Hệ thống nạp của động cơ, được mô phỏng trong hình 4.2, cho thấy quá trình tính toán và mô phỏng lượng không khí đi qua bướm ga Mô hình này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
39 tính toán đƣa ra lƣợng không khí nạp vào trong động cơ Và đó là mục tiêu chính của hệ thống khí nạp này
Trong hệ thống nạp (Intake System), có một khối phụ quan trọng là Exhaust Gas Recirculation, mô phỏng lượng khí xả của động cơ để tái nạp vào xy-lanh Hệ thống này tính toán và cung cấp lượng khí xả phù hợp để tái sử dụng, giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường Khi xác định lượng không khí nạp vào động cơ, cần tính đến khí xả được tái nạp, do đó, lượng không khí vào động cơ được xác định bằng hiệu giữa lưu lượng không khí trong đường ống nạp và lưu lượng khí xả tái nạp.
Trong hệ thống nạp khí, giá trị được sử dụng để tính toán bao gồm góc mở bướm ga và tốc độ đầu ra của động cơ, nhằm liên tục điều chỉnh lưu lượng khí vào động cơ Các biến tốc độ và bướm ga là phi tuyến tính và thay đổi liên tục trong quá trình mô phỏng bằng Simulink để phù hợp với tốc độ đầu vào đã cho Việc tính toán và mô phỏng chi tiết từng hệ thống trong động cơ sẽ được trình bày cụ thể trong các phần tiếp theo.
4.2.1 Mô phỏng lưu lượng không khí đi qua bướm ga (Air mass flow Throttle) Ở hình 4.3 này các các khối mô phỏng Simulink chủ yếu tính toán và để đƣa ra được giá trị lưu lượng không khí đi qua bướm ga, lưu lượng khí nạp này được tính toán dựa vào công thức (3.2)
Hình 4.3: Khối Simulink mô phỏng lưu lượng không khí đi qua bướm ga
Để tính toán lưu lượng khí nạp qua bướm ga, bước đầu tiên là xác định góc mở bướm ga, được điều khiển bởi bộ điều khiển PID nhằm đạt được tốc độ mong muốn của động cơ Khi có góc mở bướm ga, ta có thể tính toán diện tích mở của bướm ga theo công thức (3.1).
Khi xác định giá trị góc mở bướm ga, nó bị giới hạn bởi khối Saturation, với góc mở bướm ga được quy định trong khoảng từ đến và chuyển đổi sang giá trị rad để đảm bảo tính toán chính xác.
Hình 4.4 Tỉ lệ áp suất đường ống nạp và áp suất khí trời ảnh hưởng đến hệ thống nạp
Trong khối The flow function, một khối Switch được sử dụng để xác định điều kiện tính toán lưu lượng khí nạp qua bướm ga Điều kiện này dựa trên tỷ lệ giữa áp suất trên và áp suất đường ống nạp, với yêu cầu áp suất trên lớn hơn 0,5 Giá trị áp suất đường ống nạp được mô phỏng và tính toán trong phần khối mô phỏng lưu lượng không khí vào động cơ Kết quả là lưu lượng không khí qua bướm ga và giá trị lưu lượng khí nạp vào động cơ được xác định trong phần tiếp theo.
4.2.2 Mô phỏng lưu lượng không khí trong đường ống nạp để đưa vào động cơ (Air mass flow intake Manifold) Ở hình 4.3 có thể hiện áp suất đường ống nạp đi vào khối Air mass flow Throttle để tính toán được lưu lượng không khí đi qua bướm ga nhưng ở khối mô phỏng đó không thể hiện việc tính toán đưa ra giá trị áp suất đường ống nạp, hình 4.5 thể hiện rõ việc tính toán và đưa ra được áp suất đường ống nạp dựa vào công thức (3.6) Ở đây giá trị áp suất đường ống nạp là ở dạng vi phân để lấy giá trị thực của đường áp suất này cần phải dẫn giá trị áp suất đi qua khối tích phân, khối này có sẵn trong phần mô phỏng Simulink Sau khi tính toán được giá trị áp suất sẽ được xuất ra và đưa lại vào khối mô phỏng lưu lượng không khí đi qua bướm ga để tính toán Quá trình này được thực hiện liên tục trong quá trình mô phỏng
Hình 4.5 Khối mô phỏng lưu lượng không khí trong đường ống nạp
Phần mô phỏng trong khối này cung cấp thông tin về lưu lượng không khí nạp vào xy-lanh và áp suất đường ống nạp vào động cơ Ảnh hưởng của lưu lượng khí nạp đến hiệu suất thể tích được phân tích dựa trên tốc độ và áp suất đường ống nạp, với các công thức liên quan được trình bày trong chương trước là công thức (3.8) và (3.9).
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ trình bày đồ thị giá trị áp suất đường ống nạp tương ứng với tốc độ đƣa ra của động cơ, và sẽ mô tả chi tiết đồ thị này trong phần kết quả của mô phỏng.
4.2.3 Mô phỏng lƣợng khí xả để đƣa vào cháy lại trong xy-lanh
Mô phỏng hệ thống không khí của động cơ rất quan trọng, đặc biệt là giá trị của lưu lượng khí xả tuần hoàn trở lại động cơ Công thức để xác định giá trị khí xả được thể hiện qua công thức (3.14).
Khối mô phỏng lưu lượng khí xả của động cơ được trình bày trong Hình 4.6, với hai giá trị đầu vào, trong đó một giá trị đã được xác định trước Biến 'o' trong Simulink đại diện cho tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết, có giá trị xấp xỉ 14.7, được coi là tỷ lệ lý tưởng Hình 4.6 là cơ sở để tính toán lượng khí xả nạp lại cho động cơ, và phần lưu lượng khí thải để nạp lại cũng được mô phỏng trong Hình 4.7.
Để tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí thải độc hại, tất cả các động cơ hiện nay đều cần một hệ thống hồi lưu khí xả Việc tái sử dụng khí xả giúp tăng nhiệt độ trong ống nạp, từ đó cải thiện quá trình bốc hơi nhiên liệu trước khi đưa vào buồng đốt Lượng khí thải được nạp lại vào động cơ phụ thuộc vào từng loại động cơ và tốc độ, đảm bảo sự phù hợp cho hiệu suất hoạt động.
Hình 4.7 Mô phỏng phần lưu lượng khí xả nạp lại cho động cơ
Trong mô phỏng, khối Switch được sử dụng để xác định điều kiện nạp lại khí thải vào động cơ Khi tốc độ động cơ vượt quá 2000 vòng/phút, giá trị khí thải nạp lại sẽ là 0, vì lúc này người lái cần tăng tốc hoặc leo dốc, và việc nạp khí thải sẽ không đáp ứng được nhu cầu Ngược lại, khi tốc độ dưới 2000 vòng/phút, khí thải sẽ được nạp lại vào động cơ, cho thấy tầm quan trọng của tốc độ động cơ trong khối này.
Một phần nhỏ của lưu lượng khí thải sẽ được nạp lại vào động cơ Khối lượng không khí vào động cơ được tính bằng hiệu giữa lưu lượng khí nạp và lưu lượng khí thải nạp lại Từ đó, ta có thể tính toán lưu lượng nhiên liệu cần nạp vào động cơ dựa trên sự chênh lệch này.
Mô phỏng Mômen xoắn động cơ
Hình 4.10 Mô phỏng quá trình sinh ra mô-men xoắn của động cơ
Khối mô phỏng tính toán mô-men xoắn động cơ được xác định theo công thức (3.30) trong chương 3 Bước đầu tiên là xác định áp suất hiệu dụng trung bình của phanh bằng phương pháp xấp xỉ Willans, với áp suất hiệu dụng trung bình của nhiên liệu được tính theo công thức (3.31) Các giá trị hiệu suất của động cơ được thể hiện trong khối mô phỏng Thermodynamic Efficiencies, như minh họa trong hình 4.10 Để tính toán, cần cung cấp hỗn hợp lưu lượng nhiên liệu, không khí nạp vào động cơ, tốc độ đầu ra của động cơ và tỉ lệ không khí/nhiên liệu, từ đó đưa ra giá trị mô-men xoắn động cơ.
Khi xảy ra cháy trong động cơ, dao động sẽ dẫn đến mất mát áp suất Hình 4.10 mô phỏng sự tổn thất này, thể hiện ở khối Gas-Exchange and Friction Losses Trong động cơ, năng lượng chủ yếu bị tổn thất do quá trình trao đổi khí và ma sát trong quá trình hoạt động.
4.4.1 Mô phỏng tổn thất năng lƣợng trong động cơ
Hình 4.11 Mô phỏng giá trị áp suất mất mát của động cơ
Hình 4.11 minh họa rõ ràng cách tính toán mô phỏng áp suất hao tổn Phương pháp giá trị trung bình cho thấy ảnh hưởng đến mô-men xoắn động cơ, bao gồm mất mát áp suất trong quá trình trao đổi khí và áp suất hao tổn do ma sát Hai công thức (3.37) và (3.39) đã đề cập đến những yếu tố này.
Việc tính toán năng lượng mất mát trong quá trình trao đổi khí dựa vào lưu lượng không khí và nhiên liệu nạp vào xy-lanh Tổn thất năng lượng do ma sát chủ yếu liên quan đến tốc độ động cơ, do đó, trong khối mô phỏng, tốc độ động cơ được sử dụng để tính toán tổn thất năng lượng này Cả hai giá trị tổn thất năng lượng sẽ được trừ đi trước khi tính toán mô-men xoắn.
4.4.2 Mô phỏng hiệu suất trong động cơ
Hình 4.12 Mô phỏng tính toán hiệu suất động cơ
Trong chương 3, hình 4.12 minh họa mô phỏng tính toán hiệu suất ảnh hưởng đến động cơ, với kết quả các biến được xuất ra trong Workspace của Matlab Hiệu suất được tính toán dựa vào tỉ lệ không khí/nhiên liệu thông qua khối Switch, điều này cho phép thay đổi công thức tính toán tùy thuộc vào điều kiện cụ thể, như thể hiện trong công thức (3.41) Tỉ lệ không khí/nhiên liệu biến đổi theo tốc độ động cơ, do đó hiệu suất cũng phụ thuộc vào yếu tố này Bên cạnh đó, hiệu suất còn chịu ảnh hưởng bởi tốc độ động cơ, tỉ số nén và góc đánh lửa sớm, được thể hiện trong các công thức (3.43) và (3.44) Hơn nữa, hiệu suất khí xả động cơ cũng có tác động đáng kể, vì vậy tại mỗi tốc độ, hiệu suất này ảnh hưởng lớn đến động cơ Đường tốc độ đầu ra của động cơ được nạp và mô phỏng hiệu suất khí thải tuần hoàn vào động cơ, như thể hiện trong công thức (3.45).
Mô phỏng tốc độ của động cơ
Ở khối này sẽ mô phỏng động lực học của động cơ và đƣa ra giá trị vận tốc của
50 động cơ khối mô phỏng này đƣợc tính toán dựa trên công thức (3.46)
Hình 4.13 Mô phỏng động lực học của động cơ
Giá trị tốc độ được tính toán dưới dạng vi phân và cần được tích phân qua khối Integrator, như thể hiện trong Hình 4.13 Tốc độ đầu ra của động cơ không chỉ phụ thuộc vào mô-men sinh ra mà còn bị ảnh hưởng một phần từ mô-men tải Tuy nhiên, trong bài viết này, vấn đề tải động cơ không được chú trọng, mà chỉ tập trung vào mô phỏng tải như trong Hình 4.14.
Mô phỏng mô-men tải động cơ cho thấy khối Load B đại diện cho tải ban đầu khi động cơ hoạt động, trong khi Load O thể hiện tải phát sinh trong quá trình hoạt động của động cơ Load O chủ yếu được sử dụng để minh họa quá trình điều khiển của động cơ, và phần này sẽ được trình bày trong kết quả mô phỏng.
Bộ điều khiển PID
A Proportional Integral Derivative (PID) controller is a general feedback control mechanism that effectively manages systems by adjusting output based on proportional, integral, and derivative components.
Bộ điều khiển PID là loại bộ điều khiển phản hồi phổ biến nhất, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp.
Bộ điều khiển PID xác định sai số bằng cách so sánh giá trị đo được với giá trị mong muốn Để giảm thiểu sai số tối đa, bộ điều khiển điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Tuy nhiên, để đạt hiệu quả tối ưu, các thông số PID cần được điều chỉnh phù hợp với đặc tính riêng của hệ thống.
Hình 4.15 Sơ đồ hệ thống điều khiển PID
Bộ điều khiển PID sử dụng ba thông số chính: tỉ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D), để điều chỉnh quá trình Giá trị tỉ lệ P xác định tác động của sai số hiện tại, trong khi giá trị tích phân I đánh giá tổng các sai số trước đó, và giá trị vi phân D dự đoán sai số tương lai dựa trên tốc độ biến đổi hiện tại Tổng hợp ba tác động này giúp điều chỉnh các thành phần như vị trí của van điều khiển, từ đó làm rõ mối quan hệ thời gian giữa các sai số.
Bằng cách điều chỉnh ba hằng số trong thuật toán của bộ điều khiển PID, chúng ta có thể tùy chỉnh bộ điều khiển cho các thiết kế đặc thù Đáp ứng của bộ điều khiển được thể hiện qua độ nhạy sai số, cho thấy giá trị mà bộ điều khiển đạt được.
Giá trị dao động và điểm đặt của hệ thống là 52 Cần lưu ý rằng, mặc dù giải thuật PID được sử dụng phổ biến trong điều khiển, nhưng nó không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống.
Một số ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy thuộc vào hệ thống, đạt được điều này bằng cách thiết lập độ lợi của các đầu ra không mong muốn về 0 Bộ điều khiển PID có thể được phân loại thành bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu thiếu các tác động tương ứng Bộ điều khiển PI rất phổ biến nhờ vào khả năng đáp ứng nhạy với các nhiễu đo lường, tuy nhiên, nếu thiếu giá trị tích phân, hệ thống có thể không đạt được giá trị mong muốn.
4.6.2 Các khâu thành phần trong bộ điều khiển PID
Sơ đồ điều khiển PID được xác định bởi ba khâu hiệu chỉnh chính, bao gồm tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) Tổng hợp của ba khâu này tạo ra biến điều khiển (MV), giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển.
Trong đó : , , và là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID, được xác định như dưới đây
Khâu tỉ lệ, hay còn gọi là độ lợi, ảnh hưởng đến giá trị đầu ra theo tỷ lệ với sai số hiện tại Để điều chỉnh đáp ứng tỉ lệ, sai số này có thể được nhân với một hằng số Kp, được biết đến như độ lợi tỉ lệ.
Khâu tỉ lệ đƣợc cho bởi:
: thừa số tỉ lệ của đầu ra
: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh
: sai số = Giá trị đầu vào - Giá trị đầu ra t: thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)
Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn mang lại sự thay đổi đáng kể ở đầu ra với sai số đầu vào nhỏ, tuy nhiên nếu độ lợi quá cao, hệ thống sẽ trở nên không ổn định Ngược lại, độ lợi nhỏ dẫn đến phản ứng đầu ra kém nhạy và chậm chạp do sai số đầu vào lớn Khi độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể không đủ mạnh để đối phó với các nhiễu trong hệ thống.
Hình 4.16 Sự thay đổi giá trị ảnh hưởng đên hệ thống điều khiển PID
Hình 4.16 cho thấy sự thay đổi của độ lợi tỉ lệ với các giá trị 0.5, 1, 2, trong khi độ lợi tích phân và độ lợi vi phân được giữ cố định ở mức 1 Độ lợi tỉ lệ lớn giúp đáp ứng nhanh hơn, nhưng cũng làm tăng sai số và yêu cầu bù khâu tỉ lệ lớn hơn Nếu độ lợi tỉ lệ quá cao, nó có thể gây ra sự mất ổn định và dao động trong quá trình điều khiển.
Phân phối của khâu tích phân, hay còn gọi là reset, tỷ lệ thuận với biên độ sai số và thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời (tích phân sai số) cho phép chúng ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh Sai số tích lũy sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả các tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân, K i.
Thừa số tích phân đƣợc cho bởi:
: Thừa số tích phân của đầu ra
: Độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh
: Sai số = Giá trị đầu vào - Giá trị đầu ra t: Thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)
: Một biến tích phân trung gian
Khâu tích phân, khi kết hợp với khâu tỉ lệ, có khả năng tăng tốc độ chuyển động của quá trình đến điểm đặt và giảm thiểu sai số ổn định theo tỉ lệ phụ thuộc vào bộ điều khiển Tuy nhiên, do khâu tích phân phản ánh sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể gây ra hiện tượng giá trị hiện tại vượt quá giá trị đặt, dẫn đến độ lệch qua điểm đặt và tạo ra sai số theo các hướng khác nhau Việc điều chỉnh độ lợi tích phân và độ ổn định của bộ điều khiển là cần thiết để hiểu rõ hơn về các đặc điểm này.
Hình4.17 Sự thay đổi giá trị ảnh hưởng đến hệ thống điều khiển PID
Hình ảnh minh họa sự biến đổi của độ lợi tích phân tại các giá trị 0.5, 1 và 2, trong khi độ lợi tỉ lệ thay đổi Độ lợi vi phân được duy trì ổn định với giá trị hằng số là 1.
Độ lợi tích phân càng lớn sẽ giúp giảm sai số ổn định nhanh chóng, nhưng đồng thời cũng làm tăng độ vọt lố Bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong quá trình điều khiển đều cần phải được triệt tiêu bằng sai số dương trước khi hệ thống đạt trạng thái ổn định.
Kết quả của việc mô phỏng động cơ bằng Simulink
4.7.1 Đồ thị tốc độ và bướm ga của động cơ sau khi được mô phỏng
Khi cho động cơ hoạt động hoạt động ở tốc độ 2000 vòng/ phút:
Đồ thị tốc độ của động cơ khi chạy ở 2000 vòng/phút, thể hiện trong Hình 4.22, minh họa sự thay đổi của tốc độ và mô-men tải theo thời gian Trục hoành biểu thị thời gian mô phỏng, trong khi trục tung bên trái hiển thị tốc độ động cơ tính bằng vòng/phút, với đường nét đứt màu lục đại diện cho tốc độ mong muốn và đường màu lam thể hiện tốc độ mô phỏng thực tế Trục tung bên phải thể hiện mô-men tải của động cơ (N.m), được biểu diễn bằng đường màu đỏ.
Người điều khiển mong muốn duy trì tốc độ ổn định cho động cơ ở mức 2000 vòng/phút, như thể hiện trong đồ thị Đồ thị cũng cho thấy tải trọng của động cơ trong quá trình hoạt động Trong 2 giây đầu, động cơ khởi động và tốc độ bắt đầu tăng lên.
Tại tốc độ 700 vòng/phút, động cơ ở chế độ cầm chừng với tải khoảng 25 N.m Khi tải giảm xuống 20 N.m theo quy định của khối Load B, khối điều khiển động cơ sẽ tăng tốc độ yêu cầu lên 2000 vòng/phút.
Khi yêu cầu tốc độ tăng lên, động cơ cũng tăng tốc độ theo, qua bộ điều khiển PID để so sánh tốc độ mong muốn và thực tế Hai đường tốc độ thực tế có độ trễ khoảng 1,5 giây so với tốc độ mong muốn Sau khoảng thời gian này, tốc độ thực tế của động cơ gần như trùng với tốc độ yêu cầu Từ giây thứ 4 trở đi, tốc độ của động cơ duy trì ổn định gần với giá trị mong đợi.
Động cơ hoạt động ổn định ở tốc độ 2000 vòng/phút nhờ vào khối điều khiển PID, giúp duy trì tốc độ thực tế gần với yêu cầu Mặc dù có sự sai số nhỏ giữa tốc độ thực tế và tốc độ yêu cầu khi tăng tốc đột ngột, nhưng sai số này không đáng kể so với các phép tính đã thực hiện, như thể hiện trong hình 4.23.
Hình 4.23 Đồ thị thể hiện dao động tốc độ khi động cơ hoạt động ở tốc độ 2000 vòng/phút
Sự dao động ở đây không lớn, chỉ khoảng 7 vòng/phút, so với tốc độ 2000 vòng/phút Với biên độ dao động nhỏ như vậy, có thể xem như không có sự dao động cơ khi tốc độ tăng nhanh lên 2000 vòng/phút.
Theo hình 4.23, tốc độ 2000 vòng/phút được duy trì trong khoảng 10 giây sau khi động cơ khởi động, và sau thời gian này, bộ PID điều khiển không còn sai số, dù là nhỏ nhất Để phù hợp với tốc độ hiện tại của động cơ, độ mở bướm ga cũng tăng lên, như thể hiện trong hình 4.24.
Hình 4.24 Đồ thị góc mở bướm ga khi động cơ hoạt động ở 2000vòng/phút
Khi tốc độ tăng lên, bướm ga cũng theo đó tăng nhanh chóng để đáp ứng yêu cầu tốc độ, với động cơ tăng từ 8 đến 35 độ trong khoảng 1,5 giây Khi gần đạt tốc độ mong muốn, bướm ga giảm xuống khoảng 24 độ để giữ cho động cơ không vượt quá mức yêu cầu Ở giây thứ 10, bướm ga đã ổn định ở góc mở này, giúp duy trì tốc độ ổn định.
Hệ thống PID điều khiển bướm ga thường gặp dao động cao so với góc mở thực tế Để đáp ứng nhanh chóng yêu cầu về tốc độ, góc mở bướm ga cần được tăng nhanh và cao hơn mức độ mở cần thiết, điều này dẫn đến việc dao động lớn là chấp nhận được để đảm bảo hoạt động ổn định.
Khi cho động cơ hoạt động hoạt động ở tốc độ 2000 vòng/phút và tăng thêm tải cho động cơ:
Khi động cơ hoạt động ở tốc độ 2000 vòng/phút, việc tăng tải sẽ làm thay đổi tốc độ của động cơ, như thể hiện trong hình 4.25 Đồ thị trong hình cho thấy sự thay đổi mô-men tải động cơ tại giây thứ 10 của quá trình mô phỏng.
Mô-men tải đã tăng từ 20 lên 25 N.m, dẫn đến sự thay đổi trong tốc độ động cơ trong suốt thời gian mô phỏng Hình 4.25 cho thấy tốc độ tại điểm tăng tải đã giảm, nhưng đến khoảng giây thứ 11, tốc độ đã tăng trở lại và duy trì ở mức 2000 vòng/phút sau giây thứ 12.
Bộ điều khiển PID đã cho thấy khả năng đáp ứng nhanh chóng khi động cơ hoạt động ở 2000 vòng/phút và chịu tải, giúp duy trì tốc độ mong muốn bất chấp sự biến động do tải Sau một khoảng thời gian ngắn, động cơ có thể ổn định lại tốc độ yêu cầu Mức độ dao động của tốc độ động cơ phụ thuộc vào lượng tải mà động cơ đang phải gánh.
Khi tăng tải cho động cơ, tốc độ của nó giảm xuống hơn 60 vòng/phút, như thể hiện trong hình 4.26 Sau đó, hệ thống PID điều khiển giúp động cơ duy trì tốc độ ở mức 2000 vòng/phút Tốc độ thực tế tăng lên và vượt qua giá trị yêu cầu một cách rất nhỏ trước khi trở về đúng mức yêu cầu Cuối cùng, sau khi dao động tốc độ do tăng tải, động cơ ổn định ở 2000 vòng/phút mà không còn dao động nào nữa vào giây thứ 14.
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
Khi động cơ phải chịu tải tăng, nó sẽ dao động nhưng vẫn duy trì tốc độ yêu cầu mà không giảm, nhờ vào sự điều chỉnh giá trị góc mở bướm ga Sự thay đổi này đảm bảo động cơ luôn hoạt động ở tốc độ mong muốn, như thể hiện trong hình 4.27.
Khi duy trì góc mở bướm ga để đạt tốc độ yêu cầu, việc tăng tải sẽ làm thay đổi góc mở bướm ga Để đáp ứng với sự tăng tải, bướm ga sẽ được điều khiển để tăng giá trị góc mở, đồng nghĩa với việc tốc độ cũng sẽ tăng lên để phù hợp với yêu cầu.