Miền làm việc của động cơ kéo máy cơng tác

iv Các nội dung chính trong đề tài

2.2. Mơ hình hệ thống nhiên liệu động cơ đốt trong

2.2.1. Miền làm việc của động cơ kéo máy cơng tác

2.2.1.1. Miền làm việc của động cơ kéo máy phát điện

Động cơ kéo máy phát điện địi hỏi nđcơ = const. Chức năng này do điều tốc (một chế độ) đảm nhận. Miền làm việc của động cơ-máy phát nằm trên đường AB, được thể hiện trên Hình 2.1. Tại A ứng với chế độ định mức Ne = Nđm và tại B ứng với chế độ khơng tải Ne = 0 [2].

Gnl-min tại vị trí khơng tải (điểm B), gemin tại đường đặc tính bộ phận của động cơ (đoạn AB), và Memax tại tốc độ định mức của động cơ (nđm).

2.2.1.2. Miền làm việc của động cơ kéo chân vịt tàu thủy

Đối với động cơ tàu thuỷ, khi động cơ dẫn động trực tiếp chân vịt, cơng cản của chân vịt thơng thường phụ thuộc bậc 3 vào tốc độ vịng quay như thể hiện trên Hình 2.2.

Nc = kn3 (2.9) Miền làm việc của động cơ-máy cơng tác nằm trên đường đặc tính cản thể hiện ở Hình 2.2. Các đường 1, 2 và 3 tương ứng với các vị trí khác nhau của cơ cấu điều khiển cung cấp nhiên liệu. Tốc độ động cơ thay đổi từ nmin đến nmax.

40 Đối với động cơ lắp với chân vịt cĩ bước cố định, muốn thay đổi đặc tính chân vịt của động cơ cần phối hợp đặc tính chân vịt với đặc tính ngồi và đặc tính bộ phận của động cơ [3].

Đối với động cơ lắp chân vịt biến bước, cho phép động cơ hoạt động theo đặc tính ngồi ở mọi số vịng quay [3], vì vậy bài tốn này chính là tối ưu hĩa hệ thống nhiên liệu ở đường đặc tính ngồi của động cơ, cĩ nghĩa là bài tốn xác định Memax tại đường đặc tính ngồi của động cơ.

2.2.1.3. Miền làm việc của động cơ trên các phương tiện cơ giới

Động cơ trên các phương tiện cơ giới như ơtơ, xe máy, máy kéo... cơng suất và tốc độ động cơ thay đổi trong một phạm vi rất rộng. Miền làm việc của cụm thiết bị, được thể hiện trên Hình 2.3 là diện tích giới hạn bởi đường cơng suất lớn nhất ứng với vị trí cực đại của cơ cấu điều khiển cung cấp nhiên liệu và các đường giới hạn nmin và nmax.

Sau khi nghiên cứu các miềm làm việc của các loại động cơ, nhận thấy rằng ĐCĐT sử dụng trên phương tiện cơ giới cĩ miền làm việc tổng quát so với ĐCĐT sử dụng trên máy phát điện và trên tàu thủy. Nên được chọn nghiên cứu lấy bộ dữ liệu chuẩn.

2.2.2. Mơ hình tối ưu tổng quát của hệ thống nhiên liệu động cơ diesel sử dụng trên phương tiện cơ giới

Từ miền làm việc của các loại động cơ, cĩ thể thấy mơ hình tối ưu của HTNL động cơ đốt trong sử dụng trên phương tiện cơ giới sẽ là mơ hình tổng quát và đặc trưng cho các mơ hình tối ưu hệ thống nhiên liệu của động cơ kéo máy phát điện và tàu thủy.

Động cơ diesel nĩi chung cũng như động cơ diesel sử dụng HTNL CR nĩi riêng mà

được sử dụng trên phương tiện cơ giới cĩ nhiều tham số điều chỉnh như áp suất phun (pf),

thời điểm phun (s), hệ số dư lượng khơng khí (l), nhiệt độ nước làm mát (Tlm), nhiệt độ dầu bơi trơn (Tbt), nhiệt độ khí nạp (Tkn). Việc điều chỉnh chính xác các tham số này sẽ nâng cao được tính năng kinh tế và kỹ thuật của động cơ.

Để chọn tìm ra được thơng số kinh tế và kỹ thuật tối ưu của động cơ, đầu tiên phải

Hình 2.2. Miền làm việc của động cơ

dẫn động trực tiếp chân vịt Nc 1 2 3 Ne, Nc n Ne

Hình 2.3. Miền làm việc của động cơ trên các phương tiện cơ giới [3]

max n e nmin N n

41

chọn các tham số của pf, s,Tlm, Tbt, Tkn trong khoảng làm việc của động cơ. Giả sử giá trị của các pf, s, Tlm, Tbt, Tkn trong phạm vi như sau:

Trong đĩ: [x1, x2]; [y1, y2]; [z1, z2]; [q1, q2]; [h1, h2] lần lượt là khoảng làm việc của pf,

s,Tlm, Tbt, Tkn.

Thơng số kinh tế kỹ thuật của động cơ được thể hiện qua đường đặc tính ngồi, đặc tính bộ phận và đặc tính khơng tải. Trong quá trình làm việc luơn mong muốn mơ men (Me) lớn nhất trên đường đặc tính ngồi, suất tiêu hao nhiên liệu (ge) nhỏ nhất trên đường đặc tính bộ phận và lượng tiêu hao nhiên liệu (Gnl) là nhỏ nhất trên đường đặc tính khơng

tải. Từ những yêu cầu trên, bài tốn tối ưu các tham số điều khiển pf, s, Tlm, Tbt, Tkn để đạt Memax, gemin và Gnlmin sẽ được đặt tính tốn. Trong nghiên cứu này sẽ sử dụng QHTN để tính tốn số lượng các lần thí nghiệm nhằm tìm ra hàm của Me, ge, Gnl tại mỗi vị trí khảo sát.

Bài tốn điều khiển tối ưu hệ thống nhiên liệu sẽ được khái quát trong ba dạng bài tốn sau đây:

- Bài tốn xác định Memax tại đường đặc tính ngồi:

Trong bài tốn này sẽ tìm các tham số điều khiển pf, s, Tlm, Tbt, Tkn tối ưu để đạt được mục tiêu Memax.

Mơ hình bài tốn tổng quát cĩ dạng:

Mei = a1ipfi+a2isi+a3iTlmi+a4iTbti+a5iTkni+ b1ipfi2+b2isi2+b3iTlmi2+b4iTbti2+b5iTkni2 Với các tham số điều khiển nằm trong miền khảo sát sau:

i là số điểm cần khảo tương ứng với các vị trí tốc độ khác nhau của động cơ ni = nđcơmax-in khi động cơ ở 100% tải.

Trong đĩ: [x1i, x2i]; [y1i, y2i]; [z1i, z2i]; [q1i, q2i]; [h1i, h2i] lần lượt là khoảng làm việc

của pfi, si, Tlmi, Tbti, Tkni ứng với tốc độ thứ i khi động cơ làm việc ở đường đặc tính ngồi. - Bài tốn xác định gemin tại đường đặc tính bộ phận:

42

Trong bài tốn này sẽ tìm các tham số điều khiển pf, s, Tlm, Tbt, Tkn tối ưu để đạt được

mục tiêu gemin tại các đường đặc tính bộ phận của động cơ. Mơ hình bài tốn tổng quát cĩ dạng:

geminij = a1ijpfij+a2ijsij+a3ijTlmij+a4ijTbtij+a5ijTknij+b1ijpfij2+b2ijsij2+b3ijTlmij2+b4ijTbtij2+b5ijTknij2 Với các tham số điều khiển nằm trong miền khảo sát sau:

i là số điểm cần khảo tương ứng với các vị trí tốc độ khác nhau của động cơ ni = nđcơmax-in.

J tương ứng với phần trăm mơ men, mơ men giảm tương ứng khi động cơ làm việc ở đường đặc tính bộ phận.

Trong đĩ: [x1ij, x2ij]; [y1ij, y2ij]; [z1ij, z2ij]; [q1ij, q2ij]; [h1ij, h2ij] lần lượt là khoảng làm

việc của pfij, sij, Tlmij, Tbtij, Tknij tương ứng với tốc độ thứ i và mơ men thứ j khi động cơ

làm việc ở đường đặc tính bộ phận.

- Bài tốn xác định Gnl min tại đường đặc tính khơng tải:

Trong bài tốn này sẽ tìm các tham số điều khiển pf, s, Tlm, Tbt, Tkn tối ưu để đạt được

mục tiêu Gnlmin tại các đường đặc tính bộ phận của động cơ. Mơ hình bài tốn tổng quát cĩ dạng:

Gnli = a1ipfi+a2isi+a3iTlmi+a4iTbti+a5iTkni+ b1ipfi2+b2isi2+b3iTlmi2+b4iTbti2+b5iTkni2 Với các tham số điều khiển nằm trong miền khảo sát sau:

i là số điểm cần khảo sát tương ứng với các vị trí tốc độ khác nhau của động cơ ni = nkhơngtải-max-in khi động cơ ở 0% vị trí tay ga.

Trong đĩ: [x1i, x2i]; [y1i, y2i]; [z1i, z2i]; [q1i, q2i]; [h1i, h2i] lần lượt là khoảng làm việc

của pfi, si, Tlmi, Tbti, Tkni tương ứng với tốc độ thứ i khi động cơ làm việc ở 0% vị trí tay

43

2.2.3. Các nội dung cần thực hiện khi xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho động cơ cơ

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu ở phần trên, nhận thấy rằng ĐCĐT sử dụng trên phương tiện cơ giới nĩi chung và trên ơ tơ nĩi riêng cĩ chế độ làm việc phổ biến hơn hẳn so với ĐCĐT sử dụng trên máy phát điện và trên tàu thủy. Trong đĩ các chế độ làm việc của động cơ được giới hạn bởi giải tốc độ thay đổi từ nmin đến nđm, và tương ứng tại mỗi nđc xác định thì tải động cơ thể hiện qua cơng suất Ne lại thay đổi từ 0 (khơng tải) đến cực đại (tồn tải). Mặt khác, tại mỗi chế độ làm việc của động cơ lại được xác định thơng qua tổ hợp các tham số điều chỉnh như gĩc đánh lửa sớm của động cơ xăng, gĩc phun sớm của động cơ diesel, lượng nhiên liệu cung cấp, áp suất phun, vv. Do đĩ, bộ tham số điều chỉnh cho ĐCĐT sử dụng trên ơ tơ sẽ là bộ tham số mà đảm bảo cho động cơ hoạt động trong tồn giải làm việc của nĩ cũng như đối với máy phát điện và tàu thủy. Như vậy việc xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho động cơ ơ tơ cĩ thể được coi là đặc trưng cho quá trình xây dựng bộ tham số điều chỉnh chuẩn cho ĐCĐT.

2.2.3.1. Chia lưới-phân vùng làm việc

Trong thực tế, khi ơ tơ hoạt động trên đường cao tốc hoặc trong thành phố phải liên tục thay đổi cả về tốc độ và tải để phù hợp với điều kiện sử dụng, do đĩ động cơ ơ tơ cũng cần phải thay đổi liên tục chế độ làm việc để luơn đảm bảo cân bằng giữa mơ men cĩ ích (Me) và mơ men cản (Mc), tuy nhiên sự thay đổi này phải luơn nằm trong giới hạn cho phép của động cơ mà được xác định trên cơ sở giới hạn ứng suất cơ, ứng suất nhiệt và diễn biến bình thường của chu trình cơng tác. Do đĩ, động cơ ơ tơ cần phải cĩ miền làm việc xác định thơng qua các tham số chính như tốc độ và tải của động cơ, trong đĩ giới hạn vùng làm việc được xác định với tốc độ động cơ từ nmin đến nđm và tải từ khơng tải đến tồn tải. Như vậy, trong quá trình xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho động cơ ơ tơ, tức là xác định bộ tham số điều chỉnh cho từng chế độ làm việc, thì trước tiên cần xác định các chế độ làm việc của động cơ ơ tơ trong miền làm việc cho phép bằng phương pháp chia lưới vùng làm việc thể hiện qua mapping chế độ làm việc. Do đặc điểm riêng của ĐCĐT “điểm làm việc cĩ hiệu quả nhất lại khơng phải là điểm làm việc cĩ tính kinh tế nhất”. Vì vậy để động cơ ơ tơ đảm bảo đáp ứng các yêu cầu trong sử dụng và khai thác thì vùng làm việc của động cơ phải được chia thành nhiều vùng [56]. Mỗi vùng làm việc sẽ đáp ứng các mục tiêu khác nhau. Ví dụ như: vùng làm việc đảm bảo cho động cơ làm việc đạt tính kinh tế tức là tiêu hao nhiên liệu thấp (gemin), hoặc vùng làm việc đảm bảo cho động cơ làm việc đạt hiệu quả cao tức là áp suất cĩ ích trung bình đạt cực đại (pemax), hoặc vùng làm việc đảm bảo đạt mức phát thải thấp nhất, hoặc vùng làm việc khơng tải phải êm dịu, vv. Trên cơ sở phân tích như trên, q trình chia lưới vùng làm việc của động cơ được thực hiện như sau:

- Xác định giới hạn tốc độ làm việc của động cơ, từ nmin đến nmax.

- Xác định đặc tính ngồi của động cơ để cĩ vùng làm việc từ khơng tải tới tồn tải. - Xác định độ lớn của các mắt lưới theo tốc độ và tải của động cơ.

44

- Xác định các vùng làm việc của động cơ, bao gồm: vùng làm việc cĩ pe-max; vùng làm việc cĩ ge-min; vùng làm việc cĩ phát thải thấp; vùng làm việc Gnlmin (khơng tải).

Hình 2.4 thể hiện các vùng làm việc của động cơ, được thực hiện trong quá trình phân vùng và chia lưới để chuẩn bị cho việc thực hiện quá trình tối ưu các tham số tại các chế độ làm việc của động cơ.

2.2.3.2. Tối ưu các tham số điều chỉnh tại mỗi mắt lưới

Trên cơ sở phạm vi sơ đồ chia lưới-phân vùng làm việc của động cơ như đã được xây dựng ở trên, số mắt lưới cần xác định tham số điều khiển là khá lớn [56, 62, 63]. Hơn nữa, để đảm bảo độ tin cậy và tính chính xác của kết quả khảo sát tại các vùng làm việc khác nhau, thơng thường sẽ phải tăng mật độ chia lưới tại các vùng làm việc cĩ mức độ ảnh hưởng của tham số điều khiển đến hàm mục tiêu khá cao. Như vậy sẽ dẫn đến số mắt lưới cần khảo sát càng tăng. Chính vì vậy việc lựa chọn phương pháp tối ưu các tham số điều chỉnh tại mỗi mắt lưới mà vẫn đảm bảo độ tin cậy và tính chính xác của kết quả cũng như giảm thiểu số lần thử nghiệm tại mỗi mắt lưới là rất cần thiết. Với kết quả phân tích và đánh giá trên mục 2.2.2, thì phương pháp QHTN cĩ thể được coi là phù hợp hơn cả vì đáp ứng cả 2 mục tiêu vừa giảm thiểu số lần thử nghiệm mà vẫn đảm bảo độ tin cậy và tính chính xác của kết quả nghiên cứu. Do vậy, trong nghiên cứu này phương pháp quy hoạch thực nghiệm được lựa chọn để xác định tham số điều khiển tại mỗi mắt lưới. Nội dung sẽ trình bày chi tiết kỹ ở chương 3.

2.2.3.3. Giảm thiểu số mắt lưới cần thử nghiệm

Với phương pháp QHTN đã được lựa chọn để xác định bộ dữ liệu điều khiển sẽ giảm khá nhiều số lần thử nghiệm khi thực hiện tại mỗi mắt lưới. Tuy nhiên như phân tích ở

Hình 2.4. Sơ đồ chia lưới-phân vùng làm việc của động cơ

Vùng 1, 2 và 3 động cơ làm việc Gnlmin; vùng 4,5 và 6 động cơ làm việc với ge-min; vùng 7,8 và 9 động cơ làm việc với pe-max.

45

trên, số mắt lưới phụ thuộc vào phạm vi hoạt động của động cơ theo tốc độ và tải cũng như mức độ ảnh hưởng của tham số điều khiển đến mục tiêu tại mỗi vùng làm việc của động cơ. Như vậy, số lượng thử nghiệm vẫn phụ thuộc vào số mắt lưới trên đồ thị lưới của động cơ khảo sát. Do đĩ để giảm số lần thử nghiệm khi xây dựng bộ dữ liệu cho động cơ thì việc giảm thiểu số mắt lưới cần thử nghiệm là cần thiết. Cùng với sự kết hợp phương pháp phân chia vùng làm việc của động cơ theo từng chủng loại động cơ, như động cơ xăng, động cơ diesel và phạm vi khai thác sẽ quyết định giảm số mắt lưới khơng cần phải khảo sát mà vẫn đảm bảo độ chính xác của bộ dữ liệu. Như vậy phương pháp phân chia vùng khảo sát để giảm số mắt lưới được thực hiện theo cơ sở chủng loại động cơ và phạm vi làm việc.

Trên thực tế vùng làm việc của động cơ được xác định cùng với đặc tính làm việc của máy cơng tác. Đối với động cơ ơtơ, vùng làm việc được xác định trên cơ sở đồ thị động lực học của ơ-tơ cụ thể theo các tay số... Nếu thực hiện như vậy thì bài tốn quá rộng ngồi phạm vi nghiên cứu của luận án. Vì vậy để thực hiện bài tốn này, nghiên cứu sinh đã giả thiết vùng làm việc của động cơ trên cơ sở phân tích dưới đây.

Đối với động cơ cỡ nhỏ các vùng làm việc thường được phân ra như sau:

- Tại vùng tốc độ thấp động cơ thường làm việc với chế độ tải trọng nhỏ, tức pe nhỏ. - Tại vùng tốc độ trung bình, đây là vùng làm việc phổ biến của động cơ và tải trọng thường ở mức trung bình, khi đĩ địi hỏi động cơ làm việc tiết kiệm nhiên liệu và phát thải ít.

- Tại vùng tốc độ cao, đây là vùng làm việc mà động cơ cần phát ra cơng suất lớn do đĩ thường làm việc ở mức độ tải trọng lớn, tức pe max.

Đối với động cơ cỡ lớn vùng làm việc thường hoạt động ở chế độ tải lớn tốc độ trung bình.

Trên cơ sở đĩ, cĩ thể thấy rằng vùng làm việc của động cơ được giới hạn giữa hai đường đậm như thể hiện trên Hình 2.5. Đối với vùng tải nhỏ sẽ tương ứng với tốc độ động cơ thấp cịn vùng tải lớn sẽ tương ứng với vùng tốc độ cao. Vị trí xuất phát, gĩc nghiêng của hai đường đậm và mật độ chia lưới được xác định theo chủng loại động cơ và phạm vi sử dụng. Do đĩ, để giảm số mắt lưới thử nghiệm cần phải thực hiện như sau:

- Số mắt lưới thử nghiệm

46 thẳng đậm sẽ được lấy nhiều hơn.

- Tại vùng ngồi giới hạn của 2 đường thẳng đậm, chỉ cần lấy số mắt lưới ít hơn. - Bộ tham số tại các điểm khơng phải thử nghiệm được xác định dựa trên bộ tham số tại các điểm được thử nghiệm ở gần điểm đĩ nhất theo phương pháp nội suy tuyến tính.

Như vậy, với phương pháp này số điểm thử nghiệm sẽ được giảm đi đáng kể.

2.2.3.4. Nội suy, ngoại suy dữ liệu khơng trùng mắt lưới