ĐIÈU KHIỂN CẤP NHIÊN LIỆU VÀ KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH CHÁY Ở ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ DIESEL

KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn

Công ty TNHH Hệ Sinh Học
62


KHAI THÁC
HỆ ĐỘNG LỰC


CHƯƠNG III:
CƠ SỞ KHAI THÁC

ĐIÈU KHIỂN CẤP NHIÊN LIỆU VÀ KIỂM
SOÁT QUÁ TRÌNH CHÁY Ở ĐỘNG CƠ
XĂNG VÀ DIESEL


63

CHƯƠNG III: ĐIỀU KHIỂN CẤP NHIÊN
LIỆU VÀ CHÁY Ở ĐỘNG CƠ
3.1 Cơ sở vận hành khai thác động cơ
3.1.1 Công suất chỉ thị, công suất có ích
Các quá trình hút, nén, nổ-giãn nở, xả của động cơ bốn kỳ
được tiến hành trong hai vòng quay trục khuỷu tương ứng với bốn
hành trình chuyển động lên xuống của piston trong xi lanh. Các quá
trình trao đổi khí, nén, nổ-giãn nở của động cơ hai kỳ thực hiện trong
một vòng quay trục khuỷu với đặc điểm khác biệt so với động cơ
bốn kỳ là không dành trọn vẹn hành trình chuyển động của piston
riêng cho từng quá trình. Hình 3.1 thể hiện rõ các quá trình động cơ

bốn kỳ với chu trình làm việc trải ra trên 720
0
góc quay trục khuỷu.
Hình 3.2 thể hiện các quá trình công tác của động cơ hai kỳ kiểu quét
vòng với chu trình làm việc trải trên 360
0
góc quay trục khuỷu. Thực
ra hiện nay, các động cơ hai kỳ lớn hầu như chuyển sang dùng kiểu
quét thẳng qua súp páp xả bố trí trên nắp máy như bản vẽ cấu trúc
trên hình 3.3 mô tả. Đồ thức pV hình 3.4 và 3.5 thể hiện chu trình
thực động cơ phần nào nói lên sự khác biệt giữa chu trình lý tưởng
và chu trình thực. Lý do có sự khác biệt đó là do chu trình thực thuộc
loại chu trình hở trong khi chu trình lý tưởng là chu trình kín sử dụng
môi chất lý tưởng với tỷ nhiệt không đổi trong các quá trình. Một
điểm khác biệt rõ nét nữa là ở chu trình lý tưởng chỉ có quá trình cấp
nhiệt từ nguồn nóng, nhả nhiệt cho nguồn lạnh chung chung nhưng ở
chu trình thực các quá trình đó được thay bằng sự cháy nhiên liệu và
trao đổi khí với bên ngoài. Với chu trình lý tưởng các quá trình nén,
giãn nở là đoạn nhiệt trong khi ở chu trình thực lại là quá trình đa
biến với sự thay đổi liên tục về hóa học, vật lý của môi chất trong xi
lanh.
Vì những lý do đó mà cách thức tính toán và khảo sát chu
trình thực sẽ khác biệt so với chu trình lý tưởng
Ngay ở các động cơ làm việc theo chu trình thực như động cơ
xăng và động cơ diesel cũng có sự khác nhau về điều khiển: động cơ
xăng đánh lửa cưỡng bức hỗn hợp nhiên liệu và không khí đã hòa
KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn

Công ty TNHH Hệ Sinh Học
64

trộn trước còn ở động cơ diesel thì nhiên liệu được phun buồng đốt
chứa không khí áp suất cao, nhiệt độ cao và tự cháy.


Hình 4.1 sơ đồ nguyên lý động cơ bốn kỳ


65



Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý động cơ diesel hai kỳ quét vòng.
KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn

Công ty TNHH Hệ Sinh Học
66

Ở động cơ diesel không tăng áp hoặc loại động cơ tăng áp cơ
giới do động cơ truyền động, khi động cơ làm việc theo đặc tính tốc
độ, lượng nhiên liệu và không khí cấp vào cho động cơ tỷ lệ với mô
men của động cơ. Khi động cơ diesel này làm việc theo đặc tính tải
(vòng quay không đổi), chỉ có lượng nhiên liệu tỷ lệ với mô men
động cơ, còn lượng không khí cấp vào động cơ gần như không đổi
theo thời gian.
Với động cơ diesel tăng áp turbine khí xả thì lượng nhiên liệu
và lượng không khí cấp vào cho động cơ đều quan hệ với mô men
động cơ. Tuy nhiên việc điều khiển động cơ chỉ quan hệ với lượng

Hình 3.3 Hình ảnh động cơ diesel hai kỳ cỡ lớn quét thẳng

67

nhiên liệu cấp nghĩa là nếu muốn tăng hay giảm mô men thì người ta
tăng hay giảm nhiên liệu cấp.
Ở động cơ xăng, lượng nhiên liệu cũng như không khí được
điều khiển đồng thời: khi nhiên liệu được phun vào khoang góp nạp,
hỗn hợp không khí – nhiên liệu đồng thể được hút vào các xi lanh.
Do đó, điều khiển động cơ nghĩa là điều khiển lượng cấp
nhiên liệu hoặc điều khiển đồng thời cấp nhiên liệu và lượng không
khí cấp vào động cơ.
Công cơ học tạo ra do cháy nhiên liệu có thể tính được thông
qua tích phân đồ thị pV. Công cơ học riêng (công ứng với một đơn
vị thể tích) có được bằng cách chia công cho thể tích công tác V
S
;
3.1
Ở đây
V
S
= M .(V
1
-V
2
) thể tích giãn nở các xi lanh
M số xi lanh
W
i
công riêng chị thị

Công cơ học nói trên ứng với mỗi chu trình còn gọi là công
chu trình phụ thuộc vào diện tích chu trình như trên hình 3.4 thể hiện
dành cho động cơ 4 kỳ và hình 3.4 thể hiện dành cho động cơ 2 kỳ.

Hình 3.4 Chu trình động cơ bốn kỳ
KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn

Công ty TNHH Hệ Sinh Học
68

Giá trị w
i
có thể được quyết định bằng cách đo áp suất trong
xi lanh ở mỗi quá trình. Công chỉ thị riêng tính bằng J/cm
3
sẽ tương
đương với áp suất trung bình là
_
p
=10 bar ( =10
6
Pa). Khi thao tác
với động cơ bốn kỳ, việc đo phải tiến hành cho hai vòng quay
(720
0
gqtk) còn với động cơ hai kỳ thì chỉ tiến hành cho một vòng
quay (360
0
gqtk). Việc chuyển đổi mô men do cháy giãn nở thành mô
men quay động cơ theo góc quay trục khuỷu có thể được tiến hành từ

các phương trình chuyển động sau:
Chuyển vị tính từ điểm chết trên là

() ( ) ( )
1 cos 1 cossl r
α
β
α
=− +−

Theo hình 3.2 có quan hệ lượng giác
sin sinlr
β
α
=

2
2
2
cos 1 sin
r
l
β
α
=−
3.2
2
2
2
() 1 cos 1 1 sin

lr
sr
rl
αα α



=− +−−





3.3

Hình 3.5 Chu trình động cơ hai kỳ


69


Ghi chú hình 3.6: S- hành trình piston, r- bán kinh tay quay

α
- góc trục khuỷu l- thanh truyền
Ở điểm chết trên, chúng ta có 0
α
= ,
()
0s

α
= và tại
điểm chết dưới ta có
απ
= , () 2
s
r
α
= tương ứng. Vi phân
hành trình bậc nhất và bậc hai theo góc quay là vận tốc và gia tốc
piston:
2
2
2
sin cos
sin
1sin
ds r
r
dl
r
l
αα
α
α
α
=+
−








Và

Hình 3.6 Chuyển dịch piston- khuỷu trục
KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn

Công ty TNHH Hệ Sinh Học
70
()
2
22 4
2
2
3
2
2
2
2
cos sin sin
cos
1sin
rr
ds
ll
r
d

r
l
αα α
α
α
α
−+
=+
−











3.4
Vi phân theo góc quay trục khuỷu có thể chuyển thành vi
phân theo thời gian để có vận tốc và gia tốc piston như sau:
'
.' .
p
p
v
ds ds d ds ds
s

dt d dt d d
α
αω
ααα
== = = =

2 2
''
2 2
ds
d
ds ddsd ddsd d
as
dt dt d dt dt d dt dt
α
ααα
αα
== = = +





2
2'
2
.
p
p
a

ds ds
ww
dd
αα
= + 3.5
Ở đây,
p
ω
là vận tốc góc (rad/s).
Công chỉ thị đơn vị có thể được viết là

3.6
Mô men do cháy nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu được
xác định như sau:

()
()
0
1
()
M
j
Cjp
j
ds
TppA
d
αα
α
=

=−
∑
3.7


71

Hành trình thứ j trong các xi lanh khác nhau được dịch pha đi
()
4
() 1
j
ssj
N
π
αα

=−−


, j=1,…M 3.8
Mô men cháy trung bình là


_
i
C
p
P
T

ω
=
3.9
Ở đây, P
i
là công suất chỉ thị trung bình.
Công chỉ thị tổng cộng w
i
V
S
có thể được viết cho động cơ
bốn kỳ:

_
24
44
2
ii
iS C
p
P
PP
wV T
NN
π
ππ
ωπ
== ==

Tương tự, công chỉ thị tổng cho động cơ hai kỳ sẽ là

_
2
22
2
ii
iS C
p
P
P
P
wV T
NN
π
ππ
ωπ
== ==

Do vậy, công chỉ thị đơn vị sẽ là:

2
.
i
i
S
P
w
NV
=
cho động cơ bốn kỳ 3.10

.
i
i
S
P
w
NV
=
cho động cơ hai kỳ 3.10*
Ở đây
2
p
w
N
π
= là tốc độ động cơ.
Đối với động cơ thực, công suất có ích luôn nhỏ hơn công
suất chỉ thị một do tổn thất cơ giới.

eim
P
PP=−
KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn

Công ty TNHH Hệ Sinh Học
72
Ở đây, P
e
– công suất có ích; P

m
–tổn thất cơ giới, P
i
–công
suất chỉ thị.
Hiệu suất chỉ thị
i
η
và hiệu suất có ích
e
η
của động cơ:
4 kỳ:
'
.
11
2 2
iiS iS
i
ff f f ff
PwVN wV
mH m NH M mH M
η
== = 3.11
2 kỳ:
'
.
11

iiS iS

i
ff f f ff
PwVN wV
mH m NH M mH M
η
== =
3.11*
4kỳ:
'
.
11
2 2
eeS eS
e
ff f f ff
PwVN wV
mH m NH M mH M
η
== = 3.12
2 kỳ:
'
.
11

eeS eS
e
ff f f ff
PwVN wV
mH m NH M mH M
η

== = 3.12*
Ở đây
i
w -công chỉ thị riêng cho một đơn vị thể tích xi lanh [J/m
3
]
e
w -công có ích riêng cho một đơn vị thể tích xi lanh [J/m
3
]
P
i
– công suất chỉ thị [W]
P
e
– công suất có ích [W]
N – vòng quay động cơ [ vg/s]

f
m -lượng nhiên liẹu cấp cho mỗi xi lanh [kg]

'
f
m -Lưu lượng nhiên liệu cấp tính bằng [kg/s]
f
H
-nhiệt trị thấp của nhiên liệu [J/kg]
M – số xi lanh.
V
S

–thể tích công tác của tất cả các xi lanh [m
3
]
(V
S
/M – thể tích công tác của xi lanh.)


73

Bức tranh tổng quát về các quan hệ năng lượng thể hiện như
trên đã chỉ rõ khả năng điều khiển công suất và phần nào thể hiện
các yếu tố ảnh hưởng khai thác kinh tế động cơ. Nhưng để đi sâu tìm
hiểu bản chất quá trình biến đổi năng lượng do sự cháy nhiên liệu
trong xi lanh, chúng ta sẽ lần lượt xem xét các hệ thống chính ảnh
hưởng sự hình thành hỗn hợp trong động cơ, các yếu tố ảnh hưởng
tới sự cháy nhiên liệu trong xi lanh để làm cơ sở cho khai thác vận
hành hệ động lực.
3.1.2 Tỷ số không khí – nhiên liệu
Tỷ số không khí-nhiên liệu rất quan trọng đối với quá trình
cháy của động cơ đốt trong. Trong thực tế có một số yếu tố ảnh
hưởng đến lượng không khí m
a
đưa vào xi lanh: tiết lưu của dòng
không khí qua bướm ga, sức cản khí động và hiện tượng cộng hưởng
trong ống góp, sự quẩn của khí cháy từ xi lanh ra đường nạp, sức cản
đường nạp, khí sót từ chu trình trước còn sót lại và các yếu tố khác.
Lượng không khí phù hợp theo lý thuyết đưa vào thể tích V
S
trong

điều kiện áp suất bình thường p
0
=1.013 bar và khối lượng riêng
3
0
1.29 /kg m
ρ
= được thể hiện theo công thức:
,0ath S
mV
ρ
= .
Tỷ số giữa giá trị thực và lý thuyết được gọi là lượng cấp không khí
tương đối:

,
a
a
ath
m
m
λ
= 3.13
Tương tự, tỷ số lượng nhiên liệu thực m
f
với lượng nhiên liệu
lý thuyết m
f,th
được gọi là lượng cấp nhiên liệu tương đối:

,
f
f
f
th
m
m
λ
= 3.14
Lượng không khí lý thuyết m
a,th
là lượng không khí cần cung
cấp oxy để đốt cháy lượng nhiên liệu m
f,th
. Trong điều kiện bình
thường, tỷ lượng này đối với nhiên liệu nhẹ:
KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn

Công ty TNHH Hệ Sinh Học
74

,
,
ath
st
f
th
m
L
m

=
= 14.66 3.15
Tỷ số không khí - nhiên liệu được xác định:

a
f
λ
λ
λ
= 3.16
Nó có thể được mở rộng thành:

,
,
1
afth
a
f
ath st f
mm
m
mm L m
λ
== 3.17
Trong điều kiện cháy lý tưởng, tỷ số 1
λ
= .
Tỷ số không khí-nhiên liệu có ảnh hưởng đến công có ích w
e

và hiệu suất có ích
e
η
. Tỷ số không khí-nhiên liệu có thể chịu tác
động bởi hai cách khác nhau, theo sự thay đổi của
a
λ
hoặc của
f
λ

3.2 Điều khiển nhiên liệu ở động cơ xăng
3.2.1 Phát thải của động cơ đốt trong
Việc hình thành hỗn hợp có thể đạt được trong khoang ống
góp hoặc bằng cách phun nhiên liệu vào xi lanh. Với một thời gian
vừa đủ, hỗn hợp được phân bố đồng thể trong xi lanh có tỷ số không
khí-nhiên liệu trong khoảng 0.9<
λ
< 1.3. Đối với các hỗn hợp
“nghèo”
λ
>1.3, hình thức phun phân tầng phải tập trung vào một
khu vực buồng cháy.
Quá trình cháy khởi đầu bởi đánh lửa điện ở động cơ đánh
lửa cưỡng bức và bởi sự tự cháy ở động cơ điesel. Hình thành ngọn
lửa bị trễ theo như mô tả ở phần trên.
-Với hỗn hợp đồng nhất và tỷ số không khí-nhiên liệu tiêu
chuẩn: ngọn lửa có màu xanh đặc trưng. Hầu như không có muội
than tạo ra.
-Phun phân lớp, tỷ số không khí-nhiên liệu “nghèo”: ngọn lửa

có màu vàng đặc trưng. Muội than được tạo ra.


75

-Ngọn lửa khởi đầu cháy từ một vị trí.
Quá trình hình thành ngọn lửa phụ thuộc vào áp suất p, nhiệt
độ T, tỷ số nhiên liệu-không khí và năng lượng kích hoạt E của nhiên
liệu. Đối với
λ
<1 khí xả được tạo ra theo tỳ số nồng độ:

2
22
CO H O
CO H
nn
k
nn
= 3.20
Tỷ số này phụ thuộc nhiệt độ. Giá trị tiêu biểu k=3.6 khi
nhiệt độ T=1850
0
K.
Các phát thải gây ô nhiễm như CO, HC, NO
X
và monoxid
carbon CO.
λ
<1: phát Hydrocarbon HC và Carbon monoxide CO tăng

λ
=1: cháy kiểu hỗn hợp truyền thống. Còn rất ít phát thải
sau bộ biến đổi xúc tác ba đường.
λ
≈1.1: Phát thải NO
X
cao nhất do nhiệt độ cháy cực đại
tức thời đạt cao nhất
λ
> 1.1: Giảm nồng độ NO
X
và nhiệt độ cháy thấp hơn. Tăng
các phát thải HC khi có mất lửa ngẫu nhiên (cháy không ổn định).
λ
>1.5: hoạt động với hỗn hợp “nghèo”. Phát thải rất thấp,
yêu cầu bộ biến đổi xúc tác giảm NO
X
.
Sự tập trung oxy O
2
trong khí thải có thể được dùng để xác
định tỷ số không khí-nhiên liệu
λ
đối với trường hợp 1
λ
≥ có sử
dụng bộ cảm biến Lambda.
KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn

Công ty TNHH Hệ Sinh Học

76

3.2.2 Định lượng nhiên liệu
Tỷ số nhiên liệu-không khí là biến quan trọng điều chỉnh
lượng cấp nhiên liệu trên các cơ sở điều khiển khác nhau:
Hỗn hợp “giàu”
λ
<1: Công suất trên đơn vị thể tích cực đại
do lượng cấp nhiên liệu tương đối
f
λ
tăng lên. Trước 1970 cơ sở
này được sử dụng cho các tải động cơ cao. Ngày nay nó chỉ được sử
dụng khi khởi động động cơ ở trạng thái nguội lạnh. Đặc điểm của
nó là mức phát thải cao.
Hỗn hợp tiêu chuẩn
λ
=1: Công suất chấp nhận được. Tỷ số
này được yêu cầu dành cho khai thác các bộ biến đổi xúc tác three-
way. Tại tải cao, có sự phù hợp tốt giữa công suất phát ra và phát
thải khí xả.
Hỗn hợp tương đối “nghèo”
11.5
λ
<<
: Hiệu suất cao
do tăng lượng cấp khí tương đối
a
λ
, nhưng có phát thải NO

X
cao.
Phương pháp này được dùng cho tải bộ phận tới tận năm 1980.
Hỗn hợp “nghèo”
λ
>1.5 : Hiệu suất cao do
a
λ
tăng. Phát
thải NO
X
vẫn còn cao do vậy vẫn yêu cầu bộ biến đổi xúc tác giảm
NO
X
. Phương pháp này được sử dụng ở động cơ đốt hỗn hợp

Hình 3.17 Phát thải CO, HC, NO
X
, O
2
quan hệ với
λ



77

“nghèo” ở tải bộ phận và động cơ diesel. Ở loại này không bao giờ
đạt được công suất cực đại của động cơ.
Mô men tiêu chuẩn yêu cầu theo tác động của người điều

khiển hoặc là lượng cung cấp không khí tương đối qua góc quay
bướm ga của động cơ đánh lửa cưỡng bức hoặc lượng cấp nhiên liệu
tương đối
f
λ
ở động cơ diesel. Lượng nhiên liệu hỗn hợp với không
khí được điều chỉnh bởi hệ thống điều khiển nhiên liệu để có tỷ số
không khí – nhiên liệu
λ
định trước. Có hai hệ thống phun nhiên
liệu khác nhau
1. Phun nhiên liệu ống góp: Nhiên liệu được phun vào các
ống nạp riêng biệt trước cửa nạp. Có ít nhất một súp páp nạp cho mỗi
xi lanh. Có thể xảy ra các vấn đề ở chế độ chạy không tải là do sự
bay hơi không hoàn toàn vì tốc độ dòng khí lưu động vào xi lanh
thấp. Thêm vào nữa, sự phân bố lưu động khí vào các ống khác nhau
có thể thay đổi. Lượng phun nhiên liệu ít chính xác hơn khi ở chế độ
không tải do định thời các vòi phun phun điện tử: sai số do thời điểm
nâng hay hạ khác nhau có ảnh hưởng lớn hơn về lượng phun nhiên
liệu tại thời gian phun nhỏ. Ưu điểm của phun nhiên liệu vào khoang
góp là tạo phân bố đồng thể nhiên liệu trong xi lanh khi
λ
=1. Điều
này tạo ra sự cháy ngọn lửa màu xanh. Trong thực tế có một số hạn
chế đối với việc thiết kế các ống nạp. Sự trao đổi khí có thể được tối
ưu không làm ảnh hưởng lớn đến hệ thống phun nhiên liệu là do vị
trí của nó là ở súp páp nạp. Các ống nạp được thiết kế để tạo ra các
cộng hưởng sóng âm ở tốc độ thấp của động cơ. Điều này làm tăng
lượng cấp không khí tương đối
a

λ
và công có ích tương đối
e
w

không cần tăng áp động cơ. Các súp páp nạp được làm mát bởi nhiên
liệu bay hơi. Nhiệt độ khí giảm làm giảm “gõ” và cho phép tỷ số nén
cao hơn để tăng hiệu suất. Việc định thời phun được phân bố cách
quãng giữa các xi lanh theo quy luật phù hợp. Việc phun nhiên liệu
riêng biệt nhằm kết thúc phun nhiên liệu ngay trước khi súp páp
được mở ra để tránh ô nhiễm của muội than. Việc phun có thể được
điều chỉnh riêng và cung cấp nhiên liệu có thể được ngắt riêng từng
xi lanh giúp cho việc giới hạn tốc độ động cơ và tốc độ xe, phương
tiện.
KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn

Công ty TNHH Hệ Sinh Học
78
2. Phun nhiên liệu trong xi lanh: nhiên liệu được phun trực
tiếp vào các xi lanh. Mục đích là thiết lập hỗn hợp “giàu” đủ (ví dụ
hỗn hợp như tiêu chuẩn) trong một phần giới hạn của buồng cháy, ví
dụ như ở động cơ đánh lửa cưỡng bức là quanh nến điện tại thời
điểm đánh lửa. Lượng nhiên liệu, áp suất phun (tạo điều kiện phun
sương), góc chóp phun của đầu phun (độ rộng và độ phun xa) và thời
điểm phun được điều chỉnh ở mỗi chế độ hoạt động từng máy. Xoáy
cuộn được điều khiển bởi hình dạng hình học đặc biệt của đầu
piston.
Việc phun nhiều giai đoạn nhằm mục đích đốt cháy các hỗn
hợp không khí-nhiên liệu rất ‘loãng”. Bằng cách phun sớm, hỗn hợp
đồng nhất “loãng” được phát triển nhờ xoáy cuộn sẽ tràn qua buồng

cháy tới khi đánh lửa. Việc phun liên tiếp theo sau đó tạo ra hỗn hợp
phân bố theo lớp dày đặc, hỗn hợp này sẽ cháy nhanh chóng có ít sự
khác biệt giữa từng chu kỳ. Nếu lượng nhiên liệu phun phân lớp
giảm, nhiệt độ cực đại trong buồng cháy cũng giảm xuống. Sự cháy
có đặc điểm là hỗn hợp đồng thể “nghèo” được tạo ra trước sẽ cháy
sau đó. Vì hỗn hợp rất “nghèo”, thời gian cháy sẽ tương đối dài nên
sẽ hạn chế tốc độ cực đại cho phép của động cơ. Trong quá trình
cháy nhiên liệu phun phân lớp, muội than được tạo ra. Khi hỗn hợp
đồng thể cháy có ngọn lửa màu xanh thì điều này có thể được giảm
đi một cách hiệu quả.
Tổng lượng nhiên liệu phun phụ thuộc vào các tham số sau:
-lưu lượng không khí được hút tự nhiên theo thời gian
'
a
m
-áp suất khoang góp đường nạp ở động cơ đánh lửa cưỡng
bức
m
p
-góc nghiêng bướm ga và tốc độ mở của nó ở động cơ đánh
lửa cưỡng bức.
-tốc độ động cơ cơ N
-góc quay trục khuỷu
α
và tín hiệu điểm chết trên của xi
lanh làm chuẩn
-nhiệt độ động cơ T
e

-nhiệt độ môi trường T

a



79

-điện áp nguồn ắc quy (loại đánh lửa gián tiếp)
Các chức năng của điều khiển cấp nhiên liệu:
-Điều khiển lưu lượng phun nhiên liệu theo thời gian
'
f
m theo tốc độ hút không khí nạp theo thời gian
'
a
m tùy thuộc vào
tỷ số không khí-nhiên liệu
λ

-Phun nhiên liệu mật độ dầy đặc trong giai đoạn sấy nóng của
động cơ sau khi khởi động ở tình trạng nguội lạnh của động cơ đánh
lửa cưỡng bức.
-Lượng cấp không khí tương đối
a
λ
hoặc lượng cấp nhiên
liệu tương đối
f
λ
được tăng lên đối với động cơ lạnh do sự ma sát
cao hơn.

-Sự bù về động học khoang góp nạp ở động cơ đánh lửa
cưỡng bức.
-Sự bù động học màng nhiên liệu khi phun nhiên liệu vào
khoang góp nạp. Hiện tượng này cũng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ.
-Nhiên liệu ngắt khi xuống dốc. Điều này làm giảm tiêu thụ
nhiên liệu khoảng 5%.
-Lưu lượng không khí đo được được hiệu chỉnh lần cuối đối
với các thay đổi của nhiệt độ không khí môi trường T
a
và áp suất môi
trường p
0
.
-Điều khiển tốc độ không tải động cơ.
-Ngừng cấp nhiên liệu giới hạn tốc độ động cơ cực đại
-Điều khiển lambda của tỷ số không khí-nhiên liệu.
-Điều khiển tái tuần hoàn khí xả.
3.2.3 Phun nhiên liệu gián đoạn
Phun nhiên liệu gián đoạn đã trờ nên kinh tế hơn so với phun
nhiên liệu liên tục, do yêu các độ chính xác khác nhau được yêu cầu
trong các hệ thống đó. Công suất của động cơ thay đổi trong một
khoảng rộng. Tỷ số giữa công suất chạy nhỏ nhất P
min
và công suất
cực đại P
max
là 1:100
KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn

Công ty TNHH Hệ Sinh Học

80

max
min
100
P
P
=
3.21
Tốc độ động cơ thay đổi trong khoảng

max
min
100
N
N
=
3.22
Tại lúc động cơ hoạt động ở trạng thái tĩnh, lưu lượng phun
nhiên liệu theo thời gian
'
f
m tỷ lệ với công suất có ích P
e
của động
cơ (được diễn đạt ở phương trình 3.11). Xung động không khí trong
ống góp nạp được bỏ qua.
Giả định là với nhiên liệu cung cấp liên tục
'
f

m
, sai số tương
đối của giá trị đo nhiên liệu mạch hở tại tải nhỏ là

'
'
min
m
m
∆
3.23
Điều này sẽ gây nên sai số tuyệt đối liên quan lưu lượng
nhiên liệu cực đại
'' ' '
4
min min
''' '
max max min max min
3.10
mm mP m
mmmPm
−
∆∆∆
==<
3.24
Do đó, sai số tuyệt đối tại lúc chạy không tải thấp hơn sai số
tương đối 100 lần. Khi thiết kế hệ thống phun nhiên liệu nên dùng
sai số tuyệt đối. Nó yêu cầu phải cực kỳ chính xác và tất nhiên, giá
cả, chi phí sản xuất cao là tất nhiên.
Có thể tiến hành phun nhiên liệu vào xi lanh theo cách khác

như phun nhiên liệu không liên tục hay còn gọi là phun nhiên liệu
phân đoạn nhiều cấp phun. Hình thức phun nhiên liệu đó gắn liền với
kết cấu cam điều khiển cấp nhiên liệu có nhiều vấu cam hoặc có
nhiều bơm phun được điều khiển khác nhau ở loại truyền động cơ
giới. Gần đây, với động cơ hiện đại, việc phun không liên tục được
đảm nhiệm bởi bộ phun điện tử. Đối với mỗi chu kỳ cháy sẽ có một
KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn

Công ty TNHH Hệ Sinh Học
82

min
3%
m
m
∆
<
3.28
Sai số tuyệt đối liên quan tới nhiên liệu cực đại tính cho mỗi
vòng quay là

3
max
3.10
m
m
−
∆
<
3.29

nghĩa là lớn hơn 10 lần. Các hệ thống phun nhiên liệu gián
đoạn có thể được thực hiện với các yêu cầu độ chính xác thấp hơn so
với kiểu cấp nhiên liệu liên tục và do vậy chi phí sản xuất sẽ giảm
hơn.
3.2.4 Mô hình hóa hệ thống điều khiển động cơ xăng
Để bạn đọc dễ hình dung quá trình điều khiển động cơ xăng
và có điều kiện tự mình kiểm tra một vài đặc tính quan trọng ở của
hệ thống điều khiển động cơ xăng, chúng tôi xin giới thiệu mô phỏng
hệ thống cấp nhiên liệu cho phép chạy trên máy tính có cài đặt trên
MATLAB. Bạn đọc có thể tự mình điều chỉnh một số tham số trong
mô hình máy tính này để có kết quả mong muốn mà không cần dùng
mô hình thí nghiệm.
Ví dụ này thể hiện mô hình động cơ đánh lửa cưỡng bức 4 xi
lanh và trình bày các khả năng mô phỏng đối với mô hình động cơ
đốt trong điều khiển công suất trục khuỷu ra qua bướm ga. Người ta
sử dụng các nguyên lý vật lý được xác định cẩn trọng để thể hiện
một cách thích hợp với quan hệ thực nghiệm mô tả đặc tính động học
hệ thống tránh sự phô diễn phức tạp không cần thiết.
1. Phân tích và bản chất vật lý
Ví dụ này mô tả nguyên lý và chi tiết quanh việc tạo dựng
các mô hình động cơ bằng kỹ thuật mô hình hóa mô phỏng cốt lõi.
Bằng mô phỏng này, các mô hình hệ thống phụ điều khiển thể hiện
sự biến đổi hỗn hợp không khí nhiên liệu từ khoang nạp vào xi lanh
qua các thời kỳ tương ứng khi súp páp được mở từng mức nhỏ một.
Điều này xảy ra đồng thời với các quá trình liên tục của lưu động
nạp khí, sinh mô men quay và gia tốc. Các mô hình này có thể được
dùng như các mô phỏng động cơ độc lập. Chúng có thể được dùng


83

với mô hình hệ thống lớn hơn, như là mô phỏng xe tải và truyền
động lực xích trong phát triển hệ thống điều khiển xe địa hình.
Mô hình này dựa trên các kết quả đã đưa ra của Crossley và
Cook (1991). Nó mô tả mô phỏng của động cơ đốt trong đánh lửa
cưỡng bức 4 xi lanh tập trung vào các thành phần sau:
1) Bướm ga
2) Khoang nạp
3) Lưu lượng khối lượng
4) Thời kỳ nén
5) Tạo mô men và gia tốc
2. Bướm ga
Thành phần đầu tiên của mô hình là phần bướm ga. Tín hiệu
vào điều khiển là góc nghiêng của cánh lá hướng. Lưu lượng tại đó
mô hình đưa không khí vào khoang nạp có thể được biểu diễn như là
sản phẩm của hai phương trình – một là phương trình thực nghiệm
của góc quay của mỗi cánh hướng; và phương trình còn lại phản ánh
quan hệ áp suất khí quyển và khoang góp khí. Trong trượng hợp áp
suất khoang góp khí nhỏ hơn (độ chân không tăng lên), lưu lượng
qua phần bướm ga là loại khí lưu động có tốc độ gần với âm thanh
và chỉ phụ thuộc vào góc nghiêng tấm hướng. Mô hình đặc tính áp
suất thấp này dự liệu các điều kiện chọn lựa trong các phương trình
thành phần thấy ở phương trình 1:
Phương trình 1
() ( )
'
.
ai m
mf gP
θ

= = lưu lượng khối lượng (g/s)
()
23
2.81 0.05231. 0.10299. 0.00063.f
θθθθ
=− + −

()
1
m
gP = nếu / 2
mamb
PP<
()
2
2
mmambm
amb
gP PP P
P
=− nếu
amb m amb
PPP≤≤
()
2
2
mmambamb
m
gP PP P
P

=− nếu 2
amb m amb
PPP≤≤
KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn

Công ty TNHH Hệ Sinh Học
84
()
1
m
gP = nếu 2
mamb
PP≥
'
ai
m - lưu lượng khối lượng không khí vào khoang góp (g/s)
θ
- góc bướm ga (độ)
m
P - áp suất khoang gió (bar)
amb
P - áp suất môi trường khí quyển (bar)
3. Khoang nạp
Mô phỏng mô hình hóa khoang nạp qua phương trình vi phân
dành cho áp suất khoang góp khí. Độ chênh giữa lưu lượng khối
lượng vào và ra thể hiện tốc độ thay đổi của lượng không khí theo
thời gian. Lượng này, theo phương trình khí lý tưởng, tỷ lệ với vi
phân áp suất khoang góp theo thời gian (xem phương trình 2).
Phương trình 2
()

'''
maiao
m
RT
Pmm
V
=−

R- hằng số khí lý tưởng
T – nhiệt độ (K)
V
m
– thể tích khoang gió (m
3
)
'
ao
m -lưu lượng khối lượng của khí ra khỏi khoang góp (g/s)
'
ai
m -lưu lượng khối lượng của khí vào khoang góp (g/s)
'
m
P
-tốc độ thay đổi của áp suất khoang góp (bar/s)
4. Lưu lượng khối lượng khí nạp vào xi lanh
Lưu lượng khí nạp mô hình đưa vào xi lanh từ khoang góp
được mô tả theo phương trình 3 thuộc loại phương trình hình thành
từ thực nghiệm. Lưu lượng khối lượng này là hàm số của áp suất
khoang góp và tốc độ động cơ

Phương trình 3
'22
0.366 0.08979. . 0.0337. . 0.0001. .
ao m m m
mNPNPNP=− + − +
N-tốc độ góc động cơ (rad/s)
P
m
-áp suất khoang nạp (bar)


85

Để xác định tổng khí đưa vào các xi lanh, mô phỏng tích hợp
lưu lượng khối lượng khí từ khoang góp và các lượng khí khi nó ở
cuối mỗi hành trình nạp. Điều này xác định tổng lượng không khí thể
hiện ở từng xi lanh sau hành trình nạp và trước hành trình nén.
5. Hành trình nén
Ở động cơ 4 kỳ, 4 xi lanh, góc cháy lệch nhau 180
0
góc quay
trục khuỷu. Do đó sự phát hỏa từng xi lanh sẽ phân bố ở mỗi phần
góc quay trục khuỷu khác nhau. Trong mô hình này, sự cháy của khí
nạp sẽ diễn ra trễ 180
0
góc quay trục khuỷu so với thời điểm kết thúc
hành trình nạp và khoảng trễ đó là khoảng dự tính cho thời kỳ nén.
6. Hình thành mô men và gia tốc
Thành phần cuối cùng của mô phỏng mô tả mô men hình
thành ở động cơ. Quan hệ phụ thuộc thực nghiệm của tốc độ vào

lượng khí nạp, tỷ số hỗn hợp không khí/nhiên liệu, góc đánh lửa sớm
được sử dụng để tính mô men (xem phương trình 4).
Phương trình 4.
2
2
181.3 379.36. 21.91. 0.85. 0.26. 0.0028.
ea ii
AA
Tm
FF
αα
=− + + − + − +
 
 
 

22
0.027. 0.000107. 0.00048. . 2.55. . 0.05. ,
iiaia
NN Nmm
αα α
+− ++−
a
m - lượng không khí trong xi lanh dành cho sự cháy (g)
A
F
λ
= -tỷ số không khí /nhiên liệu;
i
α

- góc đánh lửa sớm (góc trước điểm chết trên)
T
e
-mô men động cơ tạo ra (Nm)
Tính gia tốc góc động cơ dùng phương trình 5
Phương trình 5
Quan hệ thay đổi tốc độ góc quay trục khuỷu phụ thuộc vào
mô men quay và mô men cản thể hiện trong phương trình này.
.
el
dN
I
TT
dt
=−
I-mô men quán tính quay của động cơ (kg.m
2
)


87

Có thể thay đổi một số tham số trong chương trình để điều
chỉnh thử nghiệm bằng cách mở các biểu tượng và thay các giá trị
cần thiết. Đáp ứng của hệ thống thể hiện trên hình 3.28.

9. Bướm ga/khoang gió

Trong mô hình, click kép chuột vào hệ thống phụ ‘bướm ga
& khoang gió’ để mở nó. Có hai hệ thống phụ-hệ thống phụ ‘bướm

ga’ và hệ thống phụ ‘khoang nạp’. Có thể Click chuột vào đối tượng
mở ‘bướm ga‘ và ‘khoang nạp’ để xem thành phần của chúng. Khi
Click vào từng đối tượng, thành phần phụ của chúng mở ra như ở
hình 3.30 cho thấy lưu lượng khí qua bướm ga quan hệ với góc
nghiêng bướm ga và áp suất. Hình 3.31 cho thấy quan hệ áp suất
Hình 3.28 Đáp ứng của tốc độ và độ mở bướm gió theo thời gian
Hình 3.29 Bướm ga và khoang nạp
KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn

Công ty TNHH Hệ Sinh Học
88
trong khoang với lưu lượng khí nạp. Vùng trong ống nạp hiện là
vùng áp suất chân không.


Các mô hình mô phỏng dành cho hệ thống phụ bướm ga và
khoang gió được thể hiện trên hình 3.29 tới 3.32. Bướm ga có đặc
tính phi tuyến và được mô hình hóa thành hệ thống phụ có ba tín
hiệu vào. Mô phỏng dùng các khối chức năng thực hiện các phương
trình 1. Những khối chức năng này là cách thích hợp mô tả phương
Vung chan khong khoang nap
2
Ap suat khoang nap,
Pm (bar)
1
mdot
vao xi lanh
(g/s)
1
s

p0 = 0.543 bar
0.41328
RT/Vm
f(u)
Day
2
N (rad/sec)
1
Tin hieu vao
mdot
(g/s)

Hình 3.31 Chân không khoang nạp

Hình 3.30 Lưu lư
ợ
n
g
khí
q
ua bướm
g
a
q
uan h
ệ
với
g
óc
v

à á
p
suấ
t