Thiết lập đặc tính động cơ avl 5402 255906
- 104 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
NGUYỄN ĐUY TIẾN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----***-----
NGUYỄN DUY TIẾN
THIẾT LẬP ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ AVL 5402
KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT
KHÓA: 2010B
HÀ NỘI – NĂM 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
l
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----***-----
NGUYỄN DUY TIẾN
THIẾT LẬP ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ AVL 5402
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TS. PHẠM MINH TUẤN
HÀ NỘI – NĂM 2012
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác!
Hà Nội, tháng 10 năm 2012
Tác giả
Nguyễn Duy Tiến
i
LỜI CẢM ƠN
Với tư cách là tác giả của bản luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến
GS.TS. Phạm Minh Tuấn, người đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về
chuyên môn để giúp tôi hoàn thành bản luận văn này.
Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô và các bạn đồng nghiệp
trong Bộ môn Động cơ đốt trong, Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Viện Cơ
khí Động lực, Viện Đào tạo Sau đại học đã giúp đỡ tạo điều kiện về thời gian và
cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người
đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong suốt thời gian vừa qua.
Tác giả
Nguyễn Duy Tiến
ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
AMK Phanh điện
CEBII Thiết bị phân tích khí thải
CmHn Hyđrô cacbon
CO Mônoxít cacbon
CR Common rail - Hệ thống nhiên liệu tích áp
DX6 Phần mềm quy hoạch thực nghiệm
ĐHBK Trường Đại học Bách khoa
ECU Electronic Control Unit - Bộ điều khiển điện tử
INCA Phần mềm liên kết với ECU mở
MAX Giá trị lớn nhất
MIMO Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra
MIN Giá trị nhỏ nhất
MTĐK Máy tính điều khiển
PUMA Phần mềm điều khiển băng thử
QHTG Quy hoạch trực giao
QHTN Quy hoạch thực nghiệm
THA 100 Thiết bị điều khiển tay ga (tải)
iii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Đặc tính điều chỉnh theo ..................................................................... 4
Hình 1.2. Đặc tính điều chỉnh s trong động cơ diesel.......................................... 4
Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu tích áp ........................................................... 7
Hình 1 6. Các bộ phận chính của hệ thống nhiên liệu tích áp................................ 8
Hình 1.7. Bơm cao áp hướng kính dùng trong hệ thống nhiên liệu tích áp ........... 8
Hình 1.8. Vòi phun điện từ dùng trong hệ thống nhiên liệu tích áp ...................... 9
Hình 1.9. Vòi phun thạnh anh .............................................................................. 10
Hình 2.1. Sơ đồ đối tượng nghiên cứu có và không có nhiễu ............................... 13
Hình 2.2. Miền khảo sát với hai yếu tố đầu vào .................................................. 16
Hình 2.3. Mô hình đối tượng công nghệ MIMO (nhiều vào, nhiều ra) ............... 25
Hình 2.4. Mô hình bài toán thực nghiệm ............................................................. 35
Hình 3.1. Tổng quan các trang thiết bị chính phòng thử động cơ một xylanh….40
Hình 3.2. Mặt cắt dọc động cơ ............................................................................. 42
Hình 3.3. Mặt cắt ngang động cơ. ........................................................................ 42
Hình 3.4. Cụm phanh điện AMK ......................................................................... 43
Hình 3.5. Bơm nhiên liệu Fuel balance 733S ...................................................... 44
Hình 3.6. Thiết bị đo độ khói khí thải Opacimeter .............................................. 44
Hình 3.7. THA100 và hộp tín hiệu....................................................................... 45
Hình 3.8. Thuật toán xây dựng đặc tính ngoài động cơ ....................................... 46
Hình 3.9. Màn hình giao diện chính của phần mềm ............................................ 47
Hình 3.10. Đặt tên và thứ nguyên của các yếu tố đầu vào ................................... 47
Hình 3.11. Khai báo các biến đầu ra .................................................................... 48
Hình 3.12. Lựa chọn thông số quy hoạch ............................................................ 48
Hình 3.13. Các điểm thí nghiệm .......................................................................... 49
Hình 4.1. Vùng làm việc của động cơ …………………………………………. 50
Hình 4.2. Giá trị mômen thể hiện theo các đường đồng mức tại tốc độ 3000
vòng/phút .............................................................................................................. 53
iv
Hình 4.3. Giá trị mômen thể hiện theo không gian ba chiều tại tốc độ 3000
vòng/phút .............................................................................................................. 53
Hình 4.4. Giá trị mômen thể hiện theo các đường đồng mức ở tốc độ 2800
vòng/phút .............................................................................................................. 55
Hình 4.5. Giá trị mômen thể hiện theo không gian ba chiều tại tốc độ 2800
vòng/phút .............................................................................................................. 56
Hình 4.6. Bộ thông số tối ưu ở đường đặc tính ngoài .......................................... 58
Hình 4.7. Giá trị Gnl thể hiện theo các đường đồng mức ở tốc độ 1000 vòng/phút
.............................................................................................................................. 60
Hình 4.8. Giá trị Gnl thể hiện theo không gian ba chiều ở tốc độ 1000 vòng/phút
.............................................................................................................................. 60
Hình 4 9. Giá trị Gnl thể hiện theo các đường đồng mức ở tốc độ 1200 vòng/phút
.............................................................................................................................. 62
Hình 4.10. Giá trị Gnl thể hiện theo không gian ba chiều ở tốc độ 1200 vòng/phút
.............................................................................................................................. 62
Hình 4.11. Bộ thông số tối ưu ở đường đặc tính không tải .................................. 64
Hình 4.12. Các điểm cơ sở ................................................................................... 66
Hình 4.13. Mô hình nội suy tuyến tính ................................................................ 68
Hình 4.14. Đồ thị góc phun sớm tối ưu theo tốc độ và tải trọng động cơ............ 69
Hình 4.15. Áp suất phun tối ưu theo tốc độ và tải trọng động cơ ........................ 70
Hình 4.16. Mô men tối ưu theo tốc độ và tải trọng động cơ ................................ 71
v
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Các mốc thời gian phát triển của hệ thống nhiên liệu Common Rail.... 5
Bảng 4.1. Các điểm thử nghiệm cần thực hiện .................................................... 51
Bảng 4.2. Các giá trị bj tại tốc độ 3000 vòng/phút ............................................... 52
Bảng 4.3. Các điểm thí nghiệm tại tốc độ 2800 vòng/phút.................................. 54
Bảng 4.4. Các giá trị bj tại tốc độ 3000 vòng/phút ............................................... 55
Bảng 4.5. Các giá trị bj ở các tốc độ khác nhau trên đường đặc tính ngoài ......... 56
Bảng 4.6. Các giá trị mô men lớn nhất ở đường đặc tính ngoài .......................... 57
Bảng 4.7. Các điểm thử nghiệm ........................................................................... 59
Bảng 4.8. Các giá trị bj tại tốc độ 1000 vòng/phút ............................................... 59
Bảng 4.9. Các điểm thử nghiệm ........................................................................... 61
Bảng 4.10. Các giá trị bj ở các tốc độ khác nhau trên đường đặc tính không tải . 63
Bảng 4.11. Các giá trị Gnlmin ở các tốc độ khác nhau trên đường đặc tính không
tải .......................................................................................................................... 63
Bảng 4.12. Góc phun sớm tối ưu tại các điểm cơ sở ........................................... 66
Bảng 4.13. Áp suất phun sớm tối ưu tại các điểm cơ sở ...................................... 67
Bảng 4.14. Mô men tối ưu tại các điểm cơ sở...................................................... 67
vi
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................. iii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .......................................................................... iv
MỤC LỤC ..................................................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... x
I. Lý do chọn đề tài .......................................................................................................... x
II. Các đề tài nghiên cứu liên quan ................................................................................. x
III. Mục đích của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................... xii
IV. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................ xii
V. Các nội dung chính trong luận văn.......................................................................... xii
CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ............... 1
1.1 Đặc tính tốc độ........................................................................................................... 2
1.1.1 Đặc tính ngoài ......................................................................................................... 2
1.1.2 Đặc tính bộ phận..................................................................................................... 3
1.2 Đặc tính tải ................................................................................................................. 3
1.3 Đặc tính điều chỉnh ................................................................................................... 3
1.3 Xây dựng đặc tính động cơ CR ................................................................................ 5
1.3.1 Tình hình ứng dụng hệ thống nhiên liệu nay tại Việt Nam và Trên thế giới ..... 5
1.3.2 Sơ đồ và nguyên lý làm việc ................................................................................. 7
1.3.3 Bơm cao áp ............................................................................................................. 8
1.2.4 Vòi phun ................................................................................................................. 9
CHƯƠNG II. CƠ SỞ QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG ............ 11
2.1 Quy hoạch thực nghiệm - bước phát triển của khoa học thực nghiệm ................ 11
2.2 Những khái niệm cơ bản của quy hoạch thực nghiệm.......................................... 12
2.2.1 Định nghĩa quy hoạch thực nghiệm .................................................................... 12
2.2.2 Đối tượng của quy hoạch thực nghiệm trong các ngành công nghệ................. 12
2.2.3 Các phương pháp quy hoạc thực nghiệm ........................................................... 14
2.2.4 Kế hoạch thực nghiệm ......................................................................................... 14
vii
2.2.5 Các mức yếu tố ..................................................................................................... 15
2.2.6 Giá trị mã hóa ....................................................................................................... 15
2.2.7 Ma trận kế hoạch thực nghiệm ............................................................................ 16
2.3 Các nguyên tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm ............................................. 16
2.3.1 Nguyên tắc không lấy toàn bộ trạng thái đầu vào .............................................. 16
2.3.2 Nguyên tắc phức tạp dần mô hình toán học ....................................................... 17
2.3.3 Nguyên tắc đối chứng với nhiễu ......................................................................... 17
2.4 Các bước quy hoạch thực nghiệm cực trị .............................................................. 18
2.4.1 Chọn thông số nghiên cứu ................................................................................... 18
2.4.2 Lập kế hoạch thực nghiệm................................................................................... 18
2.4.3 Tiến hành thí nghiệm nhận thông tin .................................................................. 18
2.4.4 Xây dựng và kiểm tra mô hình thực nghiệm ...................................................... 19
2.5 Tối ưu hoá ................................................................................................................ 19
2.5.1 Khái niệm.............................................................................................................. 19
2.5.2 Cách biểu diễn bài toán tối ưu ............................................................................. 19
2.5.3 Thành phần cơ bản của bài toán tối ưu ............................................................... 20
2.6 Phương pháp lựa chọn các yếu tố ảnh hưởng........................................................ 21
2.6.1 Lựa chọn các yếu tố đầu vào ............................................................................... 21
2.6.2 Phương pháp chuyên gia...................................................................................... 23
2.6.3 Thực nghiệm sàng lọc theo phương án bão hòa................................................. 23
2.6.4 Nhóm các yếu tố vào và chọn mục tiêu đánh giá............................................... 23
2.6.5 Ảnh hưởng của các tiên đề của phân tích hồi quy đến sự lựa chọn các yếu .... 24
tố độc lập ........................................................................................................................ 24
2.7 Các phương pháp quy hoạch thực nghiệm ............................................................ 24
2.7.1 Quy hoạch trực giao cấp I.................................................................................... 24
2.7.2 Thực nghiệm yếu tố từng phần TYP 2k-p ............................................................ 33
2.7.3 Quy hoạch trực giao cấp 2 ................................................................................... 35
2.8 Tối ưu hóa quy hoạch thực nghiệm........................................................................ 36
2.8.1 Tối ưu hóa theo phương pháp leo dốc ................................................................ 37
2.8.2 Phương pháp luân phiên từng biến giải bài toán tối ưu phỏng định ................. 38
viii
CHƯƠNG III. QUY TRÌNH XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG
CƠ................................................................................................................................... 40
3.1 Băng thử động cơ một xylanh ................................................................................ 40
3.2 Động cơ thử nghiệm AVL 5402 ............................................................................ 40
3.3 Các trang thiết bị của phòng thử............................................................................. 43
3.4 Thuật toán (Quy trình) xây dựng bộ số liệu và thiết lập đặc tính động cơ
AVL5402 ....................................................................................................................... 46
3.3 Phần mềm quy hoạch thực nghiệm DX6 ............................................................... 47
Phần mềm DX6 là một phần mềm QHTT được sử dụng rộng rãi trong các ngành
kỹ thuật. .......................................................................................................................... 47
4.1 Áp dụng quy hoạch thực nghiệm xác định bộ số liệu của động cơ AVL 5402 .. 50
4.1.1 Các bước thực hiện .............................................................................................. 50
4.1.2 Xây dựng đường đặc tính ngoài .......................................................................... 50
4.1.3 Xây dựng đường đặc tính không tải.................................................................... 58
4.2 Xây dựng đường đặc tính bộ phận ......................................................................... 64
4.2.1 Bộ thông số tối ưu tại các điểm cơ sở ................................................................. 66
4.2.2 Bộ thông số tối ưu sau khi đã nội suy tuyến tính ............................................... 68
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 72
KIẾN NGHỊ ................................................................................................................... 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 73
PHỤ LỤC I .................................................................................................................... 74
PHỤ LỤC II ................................................................................................................... 88
ix
MỞ ĐẦU
I. Lý do chọn đề tài
Đặc tính động cơ mô tả quan hệ giữa các thông số kinh tế, kỹ thuật tại từng chế
độ công tác của động cơ trong miền làm việc của nó. Đặc tính động cơ thể hiện
tình trạng của động cơ về mặt kinh tế, kỹ thuật.
Thiết lập đặc tính động cơ là một nhiệm vụ cơ bản trong quá trình nghiên cứu,
phát triển và cải tiến động cơ.
Xây dựng đặc tính động cơ thể hiện rõ trong Lý thuyết động cơ [1]. Tuy nhiên,
chỉ rõ đối với động cơ có hệ thống nhiên liệu kiểu cơ khí thông thường, khi lấy
đặc tính không thay đổi gì các thông số điều chỉnh của động cơ.
Động cơ diesel hiện nay ngày càng hiện đại với hệ thống nhiên liệu Common
Rail (CR) điều khiển điện tử, ngày càng phổ biến cho các loại động cơ từ cỡ lớn
(tĩnh tại, tàu thủy) đến cỡ trung (ô-tô) và cỡ nhỏ (máy kéo, máy nông nghiệp, gia
dụng…). Vấn đề lấy đặc tính động cơ diesel sử dụng hệ thống nhiên liệu CR
chưa được rõ ràng như làm thế nào để xây dựng và nạp bộ dữ liệu cho ECU trên
băng thử sau khi chế tạo và lắp ráp hoàn thiện động cơ. Trong quá trình đó, các
thông số điều chỉnh động cơ có thể thay đổi tùy thuộc vào muc đích cụ thể.
Hiện nay Việt Nam chưa sản xuất động cơ CR nhưng trong tương lai gần phải
sản xuất. Trước mắt phải bảo dưỡng, cải tiến, thay thế phụ tùng… cho những
động cơ CR hiện có. Vì vậy, việc nghiên cứu xây dựng đặc tính động cơ CR là
cần thiết.
Tại PTN Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường ĐHBK Hà Nội có
động cơ nghiên cứu một xy lanh AVL 5402 lắp trên băng thử một xilanh là động
cơ diesel CR. Động cơ và băng thử được trang bị các thiết bị phụ trợ có thể đáp
ứng đầy đủ yêu cầu nghiên cứu xây dựng bộ dữ liệu điều khiển để thiết lập đặc
tính động cơ như là một ví dụ điển hình về thiết lập đặc tính động cơ diesel CR.
II. Các đề tài nghiên cứu liên quan
- Thế giới:
Trên thế giới các hãng sản xuất động cơ đều có những công nghệ riêng (bí mật
công nghệ) để xây dựng các tham số điều chỉnh tối ưu cho động cơ với nhiều tiêu
x
chí khác nhau, các bộ dữ liệu điều khiển của từng loại động cơ được xây dựng
trên các băng thử hiện đại, tại các chế độ làm việc khác nhau. Bộ dữ liệu này sẽ
là bộ dữ liệu cơ sở để nạp vào bộ điều khiển điện tử ECU để điều khiển quá trình
làm việc của động cơ trong thực tế. Bộ dữ liệu này được bảo mật và chúng ta
không thay đổi được trong quá trình sử dụng.
Hãng AVL, cộng hòa Áo, đã phát triển và thương mại hóa phần mềm AVL-
CAMEO, phần mềm chuyên dụng để xây dựng bộ dữ liệu và lấy đặc tính tự động
trên băng thử động cơ, tuy nhiên hệ thống phần mềm này phải đi kèm với những
thiết bị chuyên dụng và giá cũng rất đắt.
- Việt Nam:
Tại Việt Nam cũng đã có một số công trình đã và đang nghiên cứu về vấn đề này
Trần Anh Trung [11] đã trình bày việc nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển ECU
(Electronic Control Unit) cũng như quy trình xây dựng bộ dữ liệu về lượng nhiên
liệu phun ở chế độ cơ bản phụ thuộc vào tốc độ và tải trọng của động cơ (độ chân
không ở họng khuyếch tán). Bộ số liệu được xây dựng trên băng thử theo phương
pháp dò nghiệm (điều chỉnh lượng nhiên liệu để đảm bảo luôn duy trì hệ số dư
lượng không khí λ ≈ 1).
Phạm Minh Tuấn và các cộng sự [9] đã tiến hành nghiên cứu thiết kế và chế tạo
hoàn chỉnh một hệ thống phun xăng xe máy. Bộ dữ liệu nạp cho ECU là thời gian
phun/chu trình (tỷ lệ với lượng nhiên liệu/chu trình) phụ thuộc vào tốc độ và tải
trọng (độ mở bướm ga) được xây dựng trên băng thử theo phương pháp dò (ứng
với mỗi giá trị tốc độ và tải trọng cố định, tiến hành điều chỉnh thời gian phun
sao cho đảm bảo được hệ số dư lượng không khí λ ≈ 1).
Khổng Văn Nguyên [10] đưa ra các nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các
thông số điều khiển trong hệ thống nhiên liệu tới các tính năng kinh tế kỹ thuật
của động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu CR, tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng
của các thông số áp suất phun và góc phun sớm tới các tính năng kinh tế kỹ thuật
của động cơ ở hai chế độ có và không có phun mồi. Tuy nhiên việc khảo sát chỉ
thực hiện ở một số đường đặc tính tốc độ như 25%, 50%, 75% và 100% tải, việc
khảo sát các thông số áp suất phun và góc phun sớm một cách rời rạc vừa làm
xi
tăng số lượng các thí nghiệm cần thực hiện trong khi đó các giá trị tối ưu mà tác
giả đưa ra có thể chỉ là giá trị tối ưu cục bộ (thiếu mối quan hệ tác động qua lại
giữa các yếu tố đầu vào).
III. Mục đích của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Mục đích: Áp dụng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm để xây dựng bộ tham số
điều chỉnh cho động cơ phụ thuộc chế độ làm việc để từ đó xây dựng quy trình
thiết lập các đặc tính của động cơ CR.
- Đối tượng: Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel AVL5402, sử dụng hệ
thống nhiên liệu CR của Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Trường ĐHBK Hà
Nội.
- Phạm vi nghiên cứu: trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ (do hạn chế về thời gian
và kinh phí thí nghiệm) chỉ giới hạn những đặc tính điều chỉnh pph, s và không
có phun mồi, phun sau.
IV. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học:
Lần đầu tiên ở Việt Nam áp dụng Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm thiết lập đặc
tính động cơ đốt trong có trang bị hệ thống điều khiển điện tử.
Ý nghĩa thực tiễn:
- Xây dựng được quy trình thiết lập đặc tính động cơ đốt trong điều khiển điện
tử.
- Đóng góp vào giảng dạy, nghiên cứu phát triển và cải tiến động cơ CR nói riêng
và động cơ điều khiển điện tử nói chung.
V. Các nội dung chính trong luận văn
- Tìm hiểu về lý thuyết quy hoạch thực nghiệm để từ đó xây dựng thí nghiệm để
lựa chọn các tham số tối ưu trong việc cung cấp nhiên liệu cho động cơ.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số điều khiển trong hệ thống nhiên liệu
điều khiển điện tử đến tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết trong việc tối ưu quy luật cung cấp nhiên liệu của hệ
thống nhiên liệu điều khiển điện tử động cơ diesel.
xii
- Nghiên cứu hệ thống nhiên liệu CR sử dụng trên động cơ nghiên cứu AVL
5402 tại Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường đại
học Bách khoa Hà Nội.
- Nghiên cứu thực nghiệm để xác định bộ các tham số điều khiển gct, pf, s tối ưu
ở các chế độ làm việc của động cơ.
xiii
CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Chế độ làm việc của động cơ được thể hiện bằng tổ hợp các thông số làm việc
của nó như công suất Ne hay mô men Me và tốc độ vòng quay n.
Trong miền làm việc của động cơ, tốc độ n thay đổi từ nmin ứng với giới hạn ổn
định của động cơ đến nmax ứng với giới hạn ứng suất cơ, ứng suất nhiệt và diễn
biến bình thường của chu trình công tác.
Tại mỗi vị trí n = const trong miền làm việc, công suất Ne của động cơ thay đổi
từ 0 (chế độ không tải) đến Nmax tại tốc độ vòng quay đó.
Chế độ làm việc được coi là ổn định khi các thông số làm việc như Me, n không
đổi trong thời gian khảo sát. Khi đó mô men của động cơ cân bằng với mô men
cản của máy công tác Me = Mc.
Chế độ làm việc có các thông số làm việc thay đổi trong thời gian khảo sát gọi là
chế độ làm việc không ổn định, ví dụ khi động cơ khởi động, tắt máy hay tăng
giảm tốc độ…
Quan hệ giữa các thông số làm việc của động cơ như Me, Ne, n, ge, Gnl… trong
miền làm việc gọi là đặc tính của động cơ.
Đặc tính của động cơ được xây dựng bằng thực nghiệm trên băng thử công suất
động cơ để có thể thay đổi dễ dàng chế độ làm việc của động cơ như tốc độ vòng
quay, vị trí cơ cấu điều khiển cung cấp nhiên liệu, nhiệt độ làm mát, nhiệt độ dầu
bôi trơn v.v...
Trên cơ sở đặc tính có thể đánh giá các chỉ tiêu của động cơ trong các điều kiện
sử dụng khác nhau.
Động cơ đốt trong có các loại đặc tính sau:
- Đặc tính tốc độ: với tốc độ vòng quay n là biến số.
- Đặc tính chân vịt: là đặc tính tốc độ khi động cơ dẫn động chân vịt tàu
thuỷ
- Đặc tính tải: với công suất động cơ Ne (hay pe) là biến số khi n = const
- Đặc tính tổng hợp: đặc tính của nhiều biến số
- Đặc tính điều chỉnh
1
- Đặc tính không tải
- Đặc tính điều tốc
Do giới hạn trong khuôn khổ một luận văn thạc sỹ, tác giả chỉ giới thiệu vắn tắt
về các đặc tính cơ bản của động cơ có liên quan đến nội dung chính của luận văn
1.1 Đặc tính tốc độ
Đặc tính tốc độ là đặc tính pe (Me) Ne, ge và Gnl phụ thuộc vào tốc độ vòng quay n
với những điều kiện nhất định về vị trí của cơ cấu điều khiển cung cấp nhiên liệu.
Có thể chia đặc tính tốc độ thành hai loại chính là đặc tính ngoài và đặc tính bộ
phận. Ngoài ra, động cơ diesel còn có một số đặc tính đặc thù.
1.1.1 Đặc tính ngoài
Đặc tính ngoài là đặc tính tốc độ ứng với vị trí cung cấp nhiên liệu cực đại (để
động cơ phát ra công suất lớn nhất). Đặc tính ngoài có các dạng sau.
a. Đặc tính ngoài tuyệt đối
Là đặc tính tốc độ với công suất có ích Ne luôn đạt giá trị giới hạn lớn nhất mà
động cơ có thể đạt được ứng với mỗi chế độ tốc độ n.
b. Đặc tính ngoài sử dụng
Đặc tính ngoài sử dụng là đặc tính tốc độ của động cơ trong điều kiện sử dụng
khi cơ cấu điều khiển nhiên liệu ở vị trí sao cho động cơ phát ra công suất định
mức Neđm ứng với tốc độ vòng quay định mức nđm. Trong quá trình lấy đặc tính,
cơ cấu điều khiển nhiên liệu luôn ở vị trí giới hạn lớn nhất.
Các thông số không nhất thiết phải đạt tối ưu tại mọi tốc độ vòng quay n như ở
đặc tính ngoài. Riêng với động cơ diesel, λ ≥ 1,3 ÷ 1,5 (tuỳ từng loại động cơ) để
bảo đảm không phát thải khói đen.
Vậy đặc tính ngoài sử dụng là đặc tính giới hạn các chế độ làm việc bình thường
trong thực tế sử dụng của động cơ, từ đây về sau ta gọi vắn tắt là đặc tính ngoài.
Đây là đặc tính quan trọng nhất của động cơ. Thông thường, như chế tạo động cơ
cho đặc tính ngoài trong các tài liệu kỹ thuật đi kèm theo động cơ ở dạng đồ thị
pe(Me), Ne và ge = f(n).
2
1.1.2 Đặc tính bộ phận
Đặc tính bộ phận là đặc tính tốc độ ứng với các vị trí trung gian của cơ cấu điều
khiển cung cấp nhiên liệu. Các điều kiện khác khi xác lập đặc tính cũng giống
như đối với đặc tính ngoài sử dụng. Như vậy sẽ có vô số đặc tính bộ phận.
1.2 Đặc tính tải
Đặc tính tải biểu thị mối quan hệ của ge, Gnl theo Ne, Me hay pe khi giữ tốc độ
vòng quay n bằng hằng số. Khi lấy đặc tính tải phải thay đổi cơ cấu điều chỉnh
cung cấp nhiên liệu để động cơ phát ra công suất khác nhau nhưng phải điều
chỉnh sức cản của băng thử để giữ tốc độ động cơ không đổi. Đặc tính tải cũng là
một đặc tính quan trọng của động cơ, đặc biệt là đối với những động cơ làm việc
với miền tốc độ vòng quay hẹp hoặc không đổi, ví dụ như máy phát điện.
1.3 Đặc tính điều chỉnh
Ở đây ta sẽ đánh giá sự phụ thuộc của các thông số làm việc như N e (hay Me, pe)
và ge (hay Gnl) theo các thông số điều chỉnh như hệ số dư lượng không khí , góc
phun sớm s, nhiệt độ làm mát tlm, nhiệt độ dầu bôi trơn, áp suất phun nhiên
liệu... Như vậy có nhiều thông số điều chỉnh ảnh hưởng đến chế độ làm việc của
động cơ, nhưng quan trọng nhất là đặc tính điều chỉnh động cơ theo và s, vì
đây là hai thông số ảnh hưởng rất lớn đến tính kinh tế và hiệu quả của động cơ.
a. Điều chỉnh theo
Đối với động cơ diesel, để đưa ra đặc tính quan hệ giữa Ne và ge theo hệ số dư
lượng không khí (hình 1.1) thì ta cần phải giữ tốc độ động cơ và các thông số
điều chỉnh khác như góc phun sớm, nhiệt độ làm mát, nhiệt độ dầu bôi trơn,...
không đổi ở các giá trị hợp lý. Để thay đổi ta cần thay đổi lượng nhiên liệu
cung cấp cho động cơ bằng cách thay đổi lượng nhiên liệu chu trình gct.
Các dữ liệu về Nemax và gemin thu được khi thí nghiệm lấy đặc tính điều chỉnh
trên động cơ mẫu. Khi thay đổi tốc độ động cơ ta sẽ được họ đặc tính điều chỉnh
, từ đó ta sẽ thiết kế và điều chỉnh hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ.
3
Hình 1.1. Đặc tính điều chỉnh theo
b. Điều chỉnh theo góc phun sớm s
Để xây dựng các quan hệ Ne, ge phụ thuộc vào góc phun sớm (hình 1.2) ta cũng
phải giữ tốc độ vòng quay n và tất cả các thông số điều chỉnh khác.
Khi giảm tải, gct giảm, tăng, thời gian phun giảm do đó quá trình cháy cũng
được rút ngắn. Vì vậy, phải giảm góc phun sớm s. Đây chính là nguyên tắc điều
chỉnh góc phun sớm theo tải trọng đối với động cơ đốt trong.
Hình 1.2. Đặc tính điều chỉnh s trong động cơ diesel
Khi tăng tốc độ vòng quay, thời gian của quá trình cháy bị rút ngắn, nhưng cường
độ xoáy lốc tăng và nhiên liệu tơi hơn. Do đó phải tăng góc phun sớm s. Đây
chính là nguyên tắc điều chỉnh điều chỉnh góc phun sớm theo tốc độ vòng quay
trong động cơ diesel.
4
1.3 Xây dựng đặc tính động cơ CR
1.3.1 Tình hình ứng dụng hệ thống nhiên liệu nay tại Việt Nam và Trên thế giới
1.3.1.1 Trên thế giới
Vào năm 1991, chỉ mới 15% các loại xe mới đăng ký trong phía tây Âu là xe diesel.
Hiện nay con số đã lên đến gần 40%. Sự gia tăng nhanh chóng này là do giá các loại
xe rẻ hơn và tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn. Ngày nay xe diesel là loại xe thông dụng
trên thế giới. Chúng được trang bị các loại động cơ hiện đại, công suất cao cùng với
hệ thống phun nhiên liệu hiệu quả. Điều đó giúp chúng càng trở nên thân thiện với
môi trường. Từ khi Bosch bán hệ thống Common Rail trên thị trường năm 1997,
nhiều nhà máy sản xuất ôtô lớn đã tiếp nhận hệ thống phun nhiên liệu cao áp vô
cùng hiệu quả này. Tính đến thời điểm này, số lượng mà hãng Bosh đã phân phối hệ
thống phun nhiên liệu Common Rail trên thị trường lên đến 10 triệu chiếc. Đây là
bằng chứng khẳng định rằng động cơ Diesel sử dụng hệ thống nhiên liệu Common
Rail là một loại động cơ hiệu quả, và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên thế
giới. Với yêu cầu ngày càng gắt gao về vấn đề môi trường, lượng nhiên liệu ngày
càng thiếu, hệ thống nhiên liệu Common Rail đáp ứng tốt vấn đề này chính vì vậy
các nước trên thế giới không thể không lưu tâm tới loại động cơ sử dụng hệ thống
nhiên liệu này.
Bảng 1.1. Các mốc thời gian phát triển của hệ thống nhiên liệu Common Rail
Thời Đặc điểm Áp suất phun Sản phẩm dùng
gian max đầu tiên
1997 Hệ thống CR đầu tiên trên thế giới 1,350 bar Alfa Romeo and
cho ôtô khách Mercedes-Benz
1999 Hệ thống CR cho xe tải 1400 bar Renault (RVI).
2001 Thế hệ thứ 2 của CR ra đời cho xe 1600bar Volvo and
khách tạo cho động cơ tiết kiệm BMW
hơn, sạch hơn, êm dịu hơn và mạnh
mẽ hơn.
5
NGUYỄN ĐUY TIẾN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----***-----
NGUYỄN DUY TIẾN
THIẾT LẬP ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ AVL 5402
KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT
KHÓA: 2010B
HÀ NỘI – NĂM 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
l
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----***-----
NGUYỄN DUY TIẾN
THIẾT LẬP ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ AVL 5402
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TS. PHẠM MINH TUẤN
HÀ NỘI – NĂM 2012
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác!
Hà Nội, tháng 10 năm 2012
Tác giả
Nguyễn Duy Tiến
i
LỜI CẢM ƠN
Với tư cách là tác giả của bản luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến
GS.TS. Phạm Minh Tuấn, người đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về
chuyên môn để giúp tôi hoàn thành bản luận văn này.
Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô và các bạn đồng nghiệp
trong Bộ môn Động cơ đốt trong, Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Viện Cơ
khí Động lực, Viện Đào tạo Sau đại học đã giúp đỡ tạo điều kiện về thời gian và
cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người
đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong suốt thời gian vừa qua.
Tác giả
Nguyễn Duy Tiến
ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
AMK Phanh điện
CEBII Thiết bị phân tích khí thải
CmHn Hyđrô cacbon
CO Mônoxít cacbon
CR Common rail - Hệ thống nhiên liệu tích áp
DX6 Phần mềm quy hoạch thực nghiệm
ĐHBK Trường Đại học Bách khoa
ECU Electronic Control Unit - Bộ điều khiển điện tử
INCA Phần mềm liên kết với ECU mở
MAX Giá trị lớn nhất
MIMO Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra
MIN Giá trị nhỏ nhất
MTĐK Máy tính điều khiển
PUMA Phần mềm điều khiển băng thử
QHTG Quy hoạch trực giao
QHTN Quy hoạch thực nghiệm
THA 100 Thiết bị điều khiển tay ga (tải)
iii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Đặc tính điều chỉnh theo ..................................................................... 4
Hình 1.2. Đặc tính điều chỉnh s trong động cơ diesel.......................................... 4
Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu tích áp ........................................................... 7
Hình 1 6. Các bộ phận chính của hệ thống nhiên liệu tích áp................................ 8
Hình 1.7. Bơm cao áp hướng kính dùng trong hệ thống nhiên liệu tích áp ........... 8
Hình 1.8. Vòi phun điện từ dùng trong hệ thống nhiên liệu tích áp ...................... 9
Hình 1.9. Vòi phun thạnh anh .............................................................................. 10
Hình 2.1. Sơ đồ đối tượng nghiên cứu có và không có nhiễu ............................... 13
Hình 2.2. Miền khảo sát với hai yếu tố đầu vào .................................................. 16
Hình 2.3. Mô hình đối tượng công nghệ MIMO (nhiều vào, nhiều ra) ............... 25
Hình 2.4. Mô hình bài toán thực nghiệm ............................................................. 35
Hình 3.1. Tổng quan các trang thiết bị chính phòng thử động cơ một xylanh….40
Hình 3.2. Mặt cắt dọc động cơ ............................................................................. 42
Hình 3.3. Mặt cắt ngang động cơ. ........................................................................ 42
Hình 3.4. Cụm phanh điện AMK ......................................................................... 43
Hình 3.5. Bơm nhiên liệu Fuel balance 733S ...................................................... 44
Hình 3.6. Thiết bị đo độ khói khí thải Opacimeter .............................................. 44
Hình 3.7. THA100 và hộp tín hiệu....................................................................... 45
Hình 3.8. Thuật toán xây dựng đặc tính ngoài động cơ ....................................... 46
Hình 3.9. Màn hình giao diện chính của phần mềm ............................................ 47
Hình 3.10. Đặt tên và thứ nguyên của các yếu tố đầu vào ................................... 47
Hình 3.11. Khai báo các biến đầu ra .................................................................... 48
Hình 3.12. Lựa chọn thông số quy hoạch ............................................................ 48
Hình 3.13. Các điểm thí nghiệm .......................................................................... 49
Hình 4.1. Vùng làm việc của động cơ …………………………………………. 50
Hình 4.2. Giá trị mômen thể hiện theo các đường đồng mức tại tốc độ 3000
vòng/phút .............................................................................................................. 53
iv
Hình 4.3. Giá trị mômen thể hiện theo không gian ba chiều tại tốc độ 3000
vòng/phút .............................................................................................................. 53
Hình 4.4. Giá trị mômen thể hiện theo các đường đồng mức ở tốc độ 2800
vòng/phút .............................................................................................................. 55
Hình 4.5. Giá trị mômen thể hiện theo không gian ba chiều tại tốc độ 2800
vòng/phút .............................................................................................................. 56
Hình 4.6. Bộ thông số tối ưu ở đường đặc tính ngoài .......................................... 58
Hình 4.7. Giá trị Gnl thể hiện theo các đường đồng mức ở tốc độ 1000 vòng/phút
.............................................................................................................................. 60
Hình 4.8. Giá trị Gnl thể hiện theo không gian ba chiều ở tốc độ 1000 vòng/phút
.............................................................................................................................. 60
Hình 4 9. Giá trị Gnl thể hiện theo các đường đồng mức ở tốc độ 1200 vòng/phút
.............................................................................................................................. 62
Hình 4.10. Giá trị Gnl thể hiện theo không gian ba chiều ở tốc độ 1200 vòng/phút
.............................................................................................................................. 62
Hình 4.11. Bộ thông số tối ưu ở đường đặc tính không tải .................................. 64
Hình 4.12. Các điểm cơ sở ................................................................................... 66
Hình 4.13. Mô hình nội suy tuyến tính ................................................................ 68
Hình 4.14. Đồ thị góc phun sớm tối ưu theo tốc độ và tải trọng động cơ............ 69
Hình 4.15. Áp suất phun tối ưu theo tốc độ và tải trọng động cơ ........................ 70
Hình 4.16. Mô men tối ưu theo tốc độ và tải trọng động cơ ................................ 71
v
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Các mốc thời gian phát triển của hệ thống nhiên liệu Common Rail.... 5
Bảng 4.1. Các điểm thử nghiệm cần thực hiện .................................................... 51
Bảng 4.2. Các giá trị bj tại tốc độ 3000 vòng/phút ............................................... 52
Bảng 4.3. Các điểm thí nghiệm tại tốc độ 2800 vòng/phút.................................. 54
Bảng 4.4. Các giá trị bj tại tốc độ 3000 vòng/phút ............................................... 55
Bảng 4.5. Các giá trị bj ở các tốc độ khác nhau trên đường đặc tính ngoài ......... 56
Bảng 4.6. Các giá trị mô men lớn nhất ở đường đặc tính ngoài .......................... 57
Bảng 4.7. Các điểm thử nghiệm ........................................................................... 59
Bảng 4.8. Các giá trị bj tại tốc độ 1000 vòng/phút ............................................... 59
Bảng 4.9. Các điểm thử nghiệm ........................................................................... 61
Bảng 4.10. Các giá trị bj ở các tốc độ khác nhau trên đường đặc tính không tải . 63
Bảng 4.11. Các giá trị Gnlmin ở các tốc độ khác nhau trên đường đặc tính không
tải .......................................................................................................................... 63
Bảng 4.12. Góc phun sớm tối ưu tại các điểm cơ sở ........................................... 66
Bảng 4.13. Áp suất phun sớm tối ưu tại các điểm cơ sở ...................................... 67
Bảng 4.14. Mô men tối ưu tại các điểm cơ sở...................................................... 67
vi
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................. iii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .......................................................................... iv
MỤC LỤC ..................................................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... x
I. Lý do chọn đề tài .......................................................................................................... x
II. Các đề tài nghiên cứu liên quan ................................................................................. x
III. Mục đích của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................... xii
IV. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................ xii
V. Các nội dung chính trong luận văn.......................................................................... xii
CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ............... 1
1.1 Đặc tính tốc độ........................................................................................................... 2
1.1.1 Đặc tính ngoài ......................................................................................................... 2
1.1.2 Đặc tính bộ phận..................................................................................................... 3
1.2 Đặc tính tải ................................................................................................................. 3
1.3 Đặc tính điều chỉnh ................................................................................................... 3
1.3 Xây dựng đặc tính động cơ CR ................................................................................ 5
1.3.1 Tình hình ứng dụng hệ thống nhiên liệu nay tại Việt Nam và Trên thế giới ..... 5
1.3.2 Sơ đồ và nguyên lý làm việc ................................................................................. 7
1.3.3 Bơm cao áp ............................................................................................................. 8
1.2.4 Vòi phun ................................................................................................................. 9
CHƯƠNG II. CƠ SỞ QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG ............ 11
2.1 Quy hoạch thực nghiệm - bước phát triển của khoa học thực nghiệm ................ 11
2.2 Những khái niệm cơ bản của quy hoạch thực nghiệm.......................................... 12
2.2.1 Định nghĩa quy hoạch thực nghiệm .................................................................... 12
2.2.2 Đối tượng của quy hoạch thực nghiệm trong các ngành công nghệ................. 12
2.2.3 Các phương pháp quy hoạc thực nghiệm ........................................................... 14
2.2.4 Kế hoạch thực nghiệm ......................................................................................... 14
vii
2.2.5 Các mức yếu tố ..................................................................................................... 15
2.2.6 Giá trị mã hóa ....................................................................................................... 15
2.2.7 Ma trận kế hoạch thực nghiệm ............................................................................ 16
2.3 Các nguyên tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm ............................................. 16
2.3.1 Nguyên tắc không lấy toàn bộ trạng thái đầu vào .............................................. 16
2.3.2 Nguyên tắc phức tạp dần mô hình toán học ....................................................... 17
2.3.3 Nguyên tắc đối chứng với nhiễu ......................................................................... 17
2.4 Các bước quy hoạch thực nghiệm cực trị .............................................................. 18
2.4.1 Chọn thông số nghiên cứu ................................................................................... 18
2.4.2 Lập kế hoạch thực nghiệm................................................................................... 18
2.4.3 Tiến hành thí nghiệm nhận thông tin .................................................................. 18
2.4.4 Xây dựng và kiểm tra mô hình thực nghiệm ...................................................... 19
2.5 Tối ưu hoá ................................................................................................................ 19
2.5.1 Khái niệm.............................................................................................................. 19
2.5.2 Cách biểu diễn bài toán tối ưu ............................................................................. 19
2.5.3 Thành phần cơ bản của bài toán tối ưu ............................................................... 20
2.6 Phương pháp lựa chọn các yếu tố ảnh hưởng........................................................ 21
2.6.1 Lựa chọn các yếu tố đầu vào ............................................................................... 21
2.6.2 Phương pháp chuyên gia...................................................................................... 23
2.6.3 Thực nghiệm sàng lọc theo phương án bão hòa................................................. 23
2.6.4 Nhóm các yếu tố vào và chọn mục tiêu đánh giá............................................... 23
2.6.5 Ảnh hưởng của các tiên đề của phân tích hồi quy đến sự lựa chọn các yếu .... 24
tố độc lập ........................................................................................................................ 24
2.7 Các phương pháp quy hoạch thực nghiệm ............................................................ 24
2.7.1 Quy hoạch trực giao cấp I.................................................................................... 24
2.7.2 Thực nghiệm yếu tố từng phần TYP 2k-p ............................................................ 33
2.7.3 Quy hoạch trực giao cấp 2 ................................................................................... 35
2.8 Tối ưu hóa quy hoạch thực nghiệm........................................................................ 36
2.8.1 Tối ưu hóa theo phương pháp leo dốc ................................................................ 37
2.8.2 Phương pháp luân phiên từng biến giải bài toán tối ưu phỏng định ................. 38
viii
CHƯƠNG III. QUY TRÌNH XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG
CƠ................................................................................................................................... 40
3.1 Băng thử động cơ một xylanh ................................................................................ 40
3.2 Động cơ thử nghiệm AVL 5402 ............................................................................ 40
3.3 Các trang thiết bị của phòng thử............................................................................. 43
3.4 Thuật toán (Quy trình) xây dựng bộ số liệu và thiết lập đặc tính động cơ
AVL5402 ....................................................................................................................... 46
3.3 Phần mềm quy hoạch thực nghiệm DX6 ............................................................... 47
Phần mềm DX6 là một phần mềm QHTT được sử dụng rộng rãi trong các ngành
kỹ thuật. .......................................................................................................................... 47
4.1 Áp dụng quy hoạch thực nghiệm xác định bộ số liệu của động cơ AVL 5402 .. 50
4.1.1 Các bước thực hiện .............................................................................................. 50
4.1.2 Xây dựng đường đặc tính ngoài .......................................................................... 50
4.1.3 Xây dựng đường đặc tính không tải.................................................................... 58
4.2 Xây dựng đường đặc tính bộ phận ......................................................................... 64
4.2.1 Bộ thông số tối ưu tại các điểm cơ sở ................................................................. 66
4.2.2 Bộ thông số tối ưu sau khi đã nội suy tuyến tính ............................................... 68
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 72
KIẾN NGHỊ ................................................................................................................... 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 73
PHỤ LỤC I .................................................................................................................... 74
PHỤ LỤC II ................................................................................................................... 88
ix
MỞ ĐẦU
I. Lý do chọn đề tài
Đặc tính động cơ mô tả quan hệ giữa các thông số kinh tế, kỹ thuật tại từng chế
độ công tác của động cơ trong miền làm việc của nó. Đặc tính động cơ thể hiện
tình trạng của động cơ về mặt kinh tế, kỹ thuật.
Thiết lập đặc tính động cơ là một nhiệm vụ cơ bản trong quá trình nghiên cứu,
phát triển và cải tiến động cơ.
Xây dựng đặc tính động cơ thể hiện rõ trong Lý thuyết động cơ [1]. Tuy nhiên,
chỉ rõ đối với động cơ có hệ thống nhiên liệu kiểu cơ khí thông thường, khi lấy
đặc tính không thay đổi gì các thông số điều chỉnh của động cơ.
Động cơ diesel hiện nay ngày càng hiện đại với hệ thống nhiên liệu Common
Rail (CR) điều khiển điện tử, ngày càng phổ biến cho các loại động cơ từ cỡ lớn
(tĩnh tại, tàu thủy) đến cỡ trung (ô-tô) và cỡ nhỏ (máy kéo, máy nông nghiệp, gia
dụng…). Vấn đề lấy đặc tính động cơ diesel sử dụng hệ thống nhiên liệu CR
chưa được rõ ràng như làm thế nào để xây dựng và nạp bộ dữ liệu cho ECU trên
băng thử sau khi chế tạo và lắp ráp hoàn thiện động cơ. Trong quá trình đó, các
thông số điều chỉnh động cơ có thể thay đổi tùy thuộc vào muc đích cụ thể.
Hiện nay Việt Nam chưa sản xuất động cơ CR nhưng trong tương lai gần phải
sản xuất. Trước mắt phải bảo dưỡng, cải tiến, thay thế phụ tùng… cho những
động cơ CR hiện có. Vì vậy, việc nghiên cứu xây dựng đặc tính động cơ CR là
cần thiết.
Tại PTN Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường ĐHBK Hà Nội có
động cơ nghiên cứu một xy lanh AVL 5402 lắp trên băng thử một xilanh là động
cơ diesel CR. Động cơ và băng thử được trang bị các thiết bị phụ trợ có thể đáp
ứng đầy đủ yêu cầu nghiên cứu xây dựng bộ dữ liệu điều khiển để thiết lập đặc
tính động cơ như là một ví dụ điển hình về thiết lập đặc tính động cơ diesel CR.
II. Các đề tài nghiên cứu liên quan
- Thế giới:
Trên thế giới các hãng sản xuất động cơ đều có những công nghệ riêng (bí mật
công nghệ) để xây dựng các tham số điều chỉnh tối ưu cho động cơ với nhiều tiêu
x
chí khác nhau, các bộ dữ liệu điều khiển của từng loại động cơ được xây dựng
trên các băng thử hiện đại, tại các chế độ làm việc khác nhau. Bộ dữ liệu này sẽ
là bộ dữ liệu cơ sở để nạp vào bộ điều khiển điện tử ECU để điều khiển quá trình
làm việc của động cơ trong thực tế. Bộ dữ liệu này được bảo mật và chúng ta
không thay đổi được trong quá trình sử dụng.
Hãng AVL, cộng hòa Áo, đã phát triển và thương mại hóa phần mềm AVL-
CAMEO, phần mềm chuyên dụng để xây dựng bộ dữ liệu và lấy đặc tính tự động
trên băng thử động cơ, tuy nhiên hệ thống phần mềm này phải đi kèm với những
thiết bị chuyên dụng và giá cũng rất đắt.
- Việt Nam:
Tại Việt Nam cũng đã có một số công trình đã và đang nghiên cứu về vấn đề này
Trần Anh Trung [11] đã trình bày việc nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển ECU
(Electronic Control Unit) cũng như quy trình xây dựng bộ dữ liệu về lượng nhiên
liệu phun ở chế độ cơ bản phụ thuộc vào tốc độ và tải trọng của động cơ (độ chân
không ở họng khuyếch tán). Bộ số liệu được xây dựng trên băng thử theo phương
pháp dò nghiệm (điều chỉnh lượng nhiên liệu để đảm bảo luôn duy trì hệ số dư
lượng không khí λ ≈ 1).
Phạm Minh Tuấn và các cộng sự [9] đã tiến hành nghiên cứu thiết kế và chế tạo
hoàn chỉnh một hệ thống phun xăng xe máy. Bộ dữ liệu nạp cho ECU là thời gian
phun/chu trình (tỷ lệ với lượng nhiên liệu/chu trình) phụ thuộc vào tốc độ và tải
trọng (độ mở bướm ga) được xây dựng trên băng thử theo phương pháp dò (ứng
với mỗi giá trị tốc độ và tải trọng cố định, tiến hành điều chỉnh thời gian phun
sao cho đảm bảo được hệ số dư lượng không khí λ ≈ 1).
Khổng Văn Nguyên [10] đưa ra các nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các
thông số điều khiển trong hệ thống nhiên liệu tới các tính năng kinh tế kỹ thuật
của động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu CR, tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng
của các thông số áp suất phun và góc phun sớm tới các tính năng kinh tế kỹ thuật
của động cơ ở hai chế độ có và không có phun mồi. Tuy nhiên việc khảo sát chỉ
thực hiện ở một số đường đặc tính tốc độ như 25%, 50%, 75% và 100% tải, việc
khảo sát các thông số áp suất phun và góc phun sớm một cách rời rạc vừa làm
xi
tăng số lượng các thí nghiệm cần thực hiện trong khi đó các giá trị tối ưu mà tác
giả đưa ra có thể chỉ là giá trị tối ưu cục bộ (thiếu mối quan hệ tác động qua lại
giữa các yếu tố đầu vào).
III. Mục đích của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Mục đích: Áp dụng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm để xây dựng bộ tham số
điều chỉnh cho động cơ phụ thuộc chế độ làm việc để từ đó xây dựng quy trình
thiết lập các đặc tính của động cơ CR.
- Đối tượng: Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel AVL5402, sử dụng hệ
thống nhiên liệu CR của Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Trường ĐHBK Hà
Nội.
- Phạm vi nghiên cứu: trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ (do hạn chế về thời gian
và kinh phí thí nghiệm) chỉ giới hạn những đặc tính điều chỉnh pph, s và không
có phun mồi, phun sau.
IV. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học:
Lần đầu tiên ở Việt Nam áp dụng Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm thiết lập đặc
tính động cơ đốt trong có trang bị hệ thống điều khiển điện tử.
Ý nghĩa thực tiễn:
- Xây dựng được quy trình thiết lập đặc tính động cơ đốt trong điều khiển điện
tử.
- Đóng góp vào giảng dạy, nghiên cứu phát triển và cải tiến động cơ CR nói riêng
và động cơ điều khiển điện tử nói chung.
V. Các nội dung chính trong luận văn
- Tìm hiểu về lý thuyết quy hoạch thực nghiệm để từ đó xây dựng thí nghiệm để
lựa chọn các tham số tối ưu trong việc cung cấp nhiên liệu cho động cơ.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số điều khiển trong hệ thống nhiên liệu
điều khiển điện tử đến tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết trong việc tối ưu quy luật cung cấp nhiên liệu của hệ
thống nhiên liệu điều khiển điện tử động cơ diesel.
xii
- Nghiên cứu hệ thống nhiên liệu CR sử dụng trên động cơ nghiên cứu AVL
5402 tại Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường đại
học Bách khoa Hà Nội.
- Nghiên cứu thực nghiệm để xác định bộ các tham số điều khiển gct, pf, s tối ưu
ở các chế độ làm việc của động cơ.
xiii
CHƯƠNG I. KHÁI QUÁT VỀ ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Chế độ làm việc của động cơ được thể hiện bằng tổ hợp các thông số làm việc
của nó như công suất Ne hay mô men Me và tốc độ vòng quay n.
Trong miền làm việc của động cơ, tốc độ n thay đổi từ nmin ứng với giới hạn ổn
định của động cơ đến nmax ứng với giới hạn ứng suất cơ, ứng suất nhiệt và diễn
biến bình thường của chu trình công tác.
Tại mỗi vị trí n = const trong miền làm việc, công suất Ne của động cơ thay đổi
từ 0 (chế độ không tải) đến Nmax tại tốc độ vòng quay đó.
Chế độ làm việc được coi là ổn định khi các thông số làm việc như Me, n không
đổi trong thời gian khảo sát. Khi đó mô men của động cơ cân bằng với mô men
cản của máy công tác Me = Mc.
Chế độ làm việc có các thông số làm việc thay đổi trong thời gian khảo sát gọi là
chế độ làm việc không ổn định, ví dụ khi động cơ khởi động, tắt máy hay tăng
giảm tốc độ…
Quan hệ giữa các thông số làm việc của động cơ như Me, Ne, n, ge, Gnl… trong
miền làm việc gọi là đặc tính của động cơ.
Đặc tính của động cơ được xây dựng bằng thực nghiệm trên băng thử công suất
động cơ để có thể thay đổi dễ dàng chế độ làm việc của động cơ như tốc độ vòng
quay, vị trí cơ cấu điều khiển cung cấp nhiên liệu, nhiệt độ làm mát, nhiệt độ dầu
bôi trơn v.v...
Trên cơ sở đặc tính có thể đánh giá các chỉ tiêu của động cơ trong các điều kiện
sử dụng khác nhau.
Động cơ đốt trong có các loại đặc tính sau:
- Đặc tính tốc độ: với tốc độ vòng quay n là biến số.
- Đặc tính chân vịt: là đặc tính tốc độ khi động cơ dẫn động chân vịt tàu
thuỷ
- Đặc tính tải: với công suất động cơ Ne (hay pe) là biến số khi n = const
- Đặc tính tổng hợp: đặc tính của nhiều biến số
- Đặc tính điều chỉnh
1
- Đặc tính không tải
- Đặc tính điều tốc
Do giới hạn trong khuôn khổ một luận văn thạc sỹ, tác giả chỉ giới thiệu vắn tắt
về các đặc tính cơ bản của động cơ có liên quan đến nội dung chính của luận văn
1.1 Đặc tính tốc độ
Đặc tính tốc độ là đặc tính pe (Me) Ne, ge và Gnl phụ thuộc vào tốc độ vòng quay n
với những điều kiện nhất định về vị trí của cơ cấu điều khiển cung cấp nhiên liệu.
Có thể chia đặc tính tốc độ thành hai loại chính là đặc tính ngoài và đặc tính bộ
phận. Ngoài ra, động cơ diesel còn có một số đặc tính đặc thù.
1.1.1 Đặc tính ngoài
Đặc tính ngoài là đặc tính tốc độ ứng với vị trí cung cấp nhiên liệu cực đại (để
động cơ phát ra công suất lớn nhất). Đặc tính ngoài có các dạng sau.
a. Đặc tính ngoài tuyệt đối
Là đặc tính tốc độ với công suất có ích Ne luôn đạt giá trị giới hạn lớn nhất mà
động cơ có thể đạt được ứng với mỗi chế độ tốc độ n.
b. Đặc tính ngoài sử dụng
Đặc tính ngoài sử dụng là đặc tính tốc độ của động cơ trong điều kiện sử dụng
khi cơ cấu điều khiển nhiên liệu ở vị trí sao cho động cơ phát ra công suất định
mức Neđm ứng với tốc độ vòng quay định mức nđm. Trong quá trình lấy đặc tính,
cơ cấu điều khiển nhiên liệu luôn ở vị trí giới hạn lớn nhất.
Các thông số không nhất thiết phải đạt tối ưu tại mọi tốc độ vòng quay n như ở
đặc tính ngoài. Riêng với động cơ diesel, λ ≥ 1,3 ÷ 1,5 (tuỳ từng loại động cơ) để
bảo đảm không phát thải khói đen.
Vậy đặc tính ngoài sử dụng là đặc tính giới hạn các chế độ làm việc bình thường
trong thực tế sử dụng của động cơ, từ đây về sau ta gọi vắn tắt là đặc tính ngoài.
Đây là đặc tính quan trọng nhất của động cơ. Thông thường, như chế tạo động cơ
cho đặc tính ngoài trong các tài liệu kỹ thuật đi kèm theo động cơ ở dạng đồ thị
pe(Me), Ne và ge = f(n).
2
1.1.2 Đặc tính bộ phận
Đặc tính bộ phận là đặc tính tốc độ ứng với các vị trí trung gian của cơ cấu điều
khiển cung cấp nhiên liệu. Các điều kiện khác khi xác lập đặc tính cũng giống
như đối với đặc tính ngoài sử dụng. Như vậy sẽ có vô số đặc tính bộ phận.
1.2 Đặc tính tải
Đặc tính tải biểu thị mối quan hệ của ge, Gnl theo Ne, Me hay pe khi giữ tốc độ
vòng quay n bằng hằng số. Khi lấy đặc tính tải phải thay đổi cơ cấu điều chỉnh
cung cấp nhiên liệu để động cơ phát ra công suất khác nhau nhưng phải điều
chỉnh sức cản của băng thử để giữ tốc độ động cơ không đổi. Đặc tính tải cũng là
một đặc tính quan trọng của động cơ, đặc biệt là đối với những động cơ làm việc
với miền tốc độ vòng quay hẹp hoặc không đổi, ví dụ như máy phát điện.
1.3 Đặc tính điều chỉnh
Ở đây ta sẽ đánh giá sự phụ thuộc của các thông số làm việc như N e (hay Me, pe)
và ge (hay Gnl) theo các thông số điều chỉnh như hệ số dư lượng không khí , góc
phun sớm s, nhiệt độ làm mát tlm, nhiệt độ dầu bôi trơn, áp suất phun nhiên
liệu... Như vậy có nhiều thông số điều chỉnh ảnh hưởng đến chế độ làm việc của
động cơ, nhưng quan trọng nhất là đặc tính điều chỉnh động cơ theo và s, vì
đây là hai thông số ảnh hưởng rất lớn đến tính kinh tế và hiệu quả của động cơ.
a. Điều chỉnh theo
Đối với động cơ diesel, để đưa ra đặc tính quan hệ giữa Ne và ge theo hệ số dư
lượng không khí (hình 1.1) thì ta cần phải giữ tốc độ động cơ và các thông số
điều chỉnh khác như góc phun sớm, nhiệt độ làm mát, nhiệt độ dầu bôi trơn,...
không đổi ở các giá trị hợp lý. Để thay đổi ta cần thay đổi lượng nhiên liệu
cung cấp cho động cơ bằng cách thay đổi lượng nhiên liệu chu trình gct.
Các dữ liệu về Nemax và gemin thu được khi thí nghiệm lấy đặc tính điều chỉnh
trên động cơ mẫu. Khi thay đổi tốc độ động cơ ta sẽ được họ đặc tính điều chỉnh
, từ đó ta sẽ thiết kế và điều chỉnh hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ.
3
Hình 1.1. Đặc tính điều chỉnh theo
b. Điều chỉnh theo góc phun sớm s
Để xây dựng các quan hệ Ne, ge phụ thuộc vào góc phun sớm (hình 1.2) ta cũng
phải giữ tốc độ vòng quay n và tất cả các thông số điều chỉnh khác.
Khi giảm tải, gct giảm, tăng, thời gian phun giảm do đó quá trình cháy cũng
được rút ngắn. Vì vậy, phải giảm góc phun sớm s. Đây chính là nguyên tắc điều
chỉnh góc phun sớm theo tải trọng đối với động cơ đốt trong.
Hình 1.2. Đặc tính điều chỉnh s trong động cơ diesel
Khi tăng tốc độ vòng quay, thời gian của quá trình cháy bị rút ngắn, nhưng cường
độ xoáy lốc tăng và nhiên liệu tơi hơn. Do đó phải tăng góc phun sớm s. Đây
chính là nguyên tắc điều chỉnh điều chỉnh góc phun sớm theo tốc độ vòng quay
trong động cơ diesel.
4
1.3 Xây dựng đặc tính động cơ CR
1.3.1 Tình hình ứng dụng hệ thống nhiên liệu nay tại Việt Nam và Trên thế giới
1.3.1.1 Trên thế giới
Vào năm 1991, chỉ mới 15% các loại xe mới đăng ký trong phía tây Âu là xe diesel.
Hiện nay con số đã lên đến gần 40%. Sự gia tăng nhanh chóng này là do giá các loại
xe rẻ hơn và tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn. Ngày nay xe diesel là loại xe thông dụng
trên thế giới. Chúng được trang bị các loại động cơ hiện đại, công suất cao cùng với
hệ thống phun nhiên liệu hiệu quả. Điều đó giúp chúng càng trở nên thân thiện với
môi trường. Từ khi Bosch bán hệ thống Common Rail trên thị trường năm 1997,
nhiều nhà máy sản xuất ôtô lớn đã tiếp nhận hệ thống phun nhiên liệu cao áp vô
cùng hiệu quả này. Tính đến thời điểm này, số lượng mà hãng Bosh đã phân phối hệ
thống phun nhiên liệu Common Rail trên thị trường lên đến 10 triệu chiếc. Đây là
bằng chứng khẳng định rằng động cơ Diesel sử dụng hệ thống nhiên liệu Common
Rail là một loại động cơ hiệu quả, và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên thế
giới. Với yêu cầu ngày càng gắt gao về vấn đề môi trường, lượng nhiên liệu ngày
càng thiếu, hệ thống nhiên liệu Common Rail đáp ứng tốt vấn đề này chính vì vậy
các nước trên thế giới không thể không lưu tâm tới loại động cơ sử dụng hệ thống
nhiên liệu này.
Bảng 1.1. Các mốc thời gian phát triển của hệ thống nhiên liệu Common Rail
Thời Đặc điểm Áp suất phun Sản phẩm dùng
gian max đầu tiên
1997 Hệ thống CR đầu tiên trên thế giới 1,350 bar Alfa Romeo and
cho ôtô khách Mercedes-Benz
1999 Hệ thống CR cho xe tải 1400 bar Renault (RVI).
2001 Thế hệ thứ 2 của CR ra đời cho xe 1600bar Volvo and
khách tạo cho động cơ tiết kiệm BMW
hơn, sạch hơn, êm dịu hơn và mạnh
mẽ hơn.
5