Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển hệ thống phun nhiên liệu CommonRail(CR) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel

MỞ ĐẦU
i Lý do chọn đề tài
Biodiesel là nguồn năng lượng tái tạo, không độc và dễ phân hủy. Khi sử dụng
biodiesel do có sự thay đổi về thuộc tính của nhiên liệu nên cần có sự điều chỉnh
đối với quy luật cung cấp nhiên liệu nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng biodiesel.
Với động cơ diesel sử dụng hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) kiểu CR, bộ
điều khiển ECU có nhiệm vụ nhận thông tin từ các cảm biến, tính toán các thông số
điều khiển (áp suất phun, số lần và thời điểm phun, áp suất khí tăng áp, tuần hoàn
khí thải…) và điều khiển HTPNL cho phù hợp với chế độ vận hành (tải và tốc độ)
của động cơ. ECU bao gồm hai phần chính: thiết bị-mạch điện tử (phần cứng) và
chương trình điều khiển (phần mềm). Phần mềm là các chương trình và thuật toán
điều khiển do các hãng sản xuất động cơ phát triển (bí mật công nghệ), phần mềm
được thiết kế phù hợp với từng loại động cơ và loại nhiên liệu sử dụng. Vì vậy, khi
chuyển sang sử dụng biodiesel thì cần thiết kế lại chương trình điều khiển để động
cơ có thể duy trì được các chỉ tiêu về năng lượng, tính kinh tế và giảm mức phát
thải.
Nhằm mục đích nghiên cứu làm chủ công nghệ điều khiển động cơ diesel CR,
góp phần nâng cao năng lực làm chủ và phát triển công nghệ thiết kế, lập chương
trình điều khiển ECU dùng cho động cơ diesel kiểu CR và góp phần thúc đẩy việc
sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học, giảm phụ thuộc nhiên liệu khoáng, giảm ô
nhiễm môi trường. Do vậy, NCS lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu điều khiển hệ thống
phun nhiên liệu CommonRail(CR) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel”
ii Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án
Mục tiêu: Luận án (LA) có mục tiêu là nghiên cứu làm chủ công nghệ điều
khiển động cơ diesel CR và thiết kế thành công chương trình điều khiển HTPNL
kiểu CR khi sử dụng biodiesel có tỷ lệ là 20% (B20) đảm bảo giữ nguyên mô men
và công suất động cơ so với khi dùng ECU nguyên thủy (ECU-NT) sử dụng diesel,
cải thiện về đặc tính kỹ thuật và phát thải so với khi dùng ECU-NT sử dụng
biodiesel B20.
Nội dung của LA bao gồm: Xây dựng mô hình động cơ sử dụng biodiesel B20
và diesel đảm bảo tin cậy; Thiết kế mô hình điều khiển HTPNL phù hợp với các

chế độ làm việc khác nhau của động cơ để động cơ khi sử dụng ECU mới (ECUNew) đảm bảo giữ được mô men, công suất và giới hạn khói đen giống như khi
động cơ sử dụng ECU-NT; Thiết kế bộ điều khiển vòng kín điều khiển áp suất rail
và tốc độ không tải để động cơ khi dùng ECU-New hoạt động ổn định ở chế độ
chuyển tiếp; Thử nghiệm đối chứng trên băng thử động cơ nhằm đánh giá mức độ
cải thiện về đặc tính kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng ECU-NT và
ECU-New.
iii Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Động cơ nghiên cứu của LA là động cơ diesel D4CB 2.5TCI-A. Nhiên liệu sử
dụng trong luận án này là diesel dầu mỏ và biodiesel B20 (với B100 được sản xuất
từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thành dầu ăn).

1


Phạm vi nghiên cứu của LA giới hạn trong phòng thí nghiệm với các chế độ
ổn định của động cơ từ 1000 đến 3500 vòng/phút, chế độ khởi động, chế độ không
tải, chế độ tăng tốc. Phần cứng điều khiển sử dụng bộ ECU trắng của hãng
Woodward Motohawk có trang bị thêm bộ điều khiển vòi phun CR.
iv Phƣơng pháp nghiên cứu
LA sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu tổng quan, lý
thuyết, mô phỏng và thực nghiệm.
v Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
LA đã đưa ra phương pháp thiết kế chương trình điều khiển HTPNL động cơ
CR sử dụng nhiên liệu B20 dựa trên MHMP, làm tiền đề cho các nghiên cứu tiếp
theo về thiết kế chương trình điều khiển động cơ đốt trong.
Kết quả của LA góp phần nâng cao năng lực làm chủ và phát triển công nghệ
thiết kế, lập chương trình điều khiển ECU; góp phần thúc đẩy việc sản xuất và sử
dụng biodiesel, giảm phụ thuộc nhiên liệu khoáng, giảm ô nhiễm môi trường.
vi Điểm mới của luận án
Luận án đã xây dựng được mô hình mô phỏng động cơ diesel trang bị hệ thống

nhiên liệu common rail làm việc theo thời gian thực sử dụng hai loại nhiên liệu
diesel và biodiesel B20. Mô hình đã được xác nhận tính đúng đắn qua bộ thông số
xác định từ thực nghiệm.
Thiết kế thành công chương trình điều khiển cho động cơ diesel Hyundai
D4CB 2.5TCI-A trang bị hệ thống nhiên liệu common rail sử dụng nhiên liệu
biodiesel B20 nhằm giữ nguyên mô men và công suất động cơ so với khi động cơ
sử dụng nhiên liệu diesel. Kết quả thử nghiệm cho thấy động cơ làm việc bình
thường ở tất cả các chế độ: ổn định, khởi động, không tải và tăng tốc
vii Bố cục luận án
Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần chính sau: Mở đầu; 5
Chương; Kết luận chung và hướng phát triển.
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel
1.1.1 Khái quát chung
Trong số các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ đang sử dụng hiện nay nhiên
liệu sinh học (NLSH) đang là xu thế phát triển tất yếu. NLSH được định nghĩa là
nhiên liệu nhận được từ sinh khối, được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ
động, thực vật, [1].
1.1.2 Khái niệm về biodiesel
Biodiesel được định nghĩa là một dạng nhiên liệu dùng để thay thế diesel, có
nguồn gốc từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Biodiesel là nguồn năng lượng tái tạo,
không độc và dễ phân hủy. Sử dụng biodiesel sẽ giúp đa dạng hóa nguồn nhiên
liệu.
1.1.3 So sánh tính chất của biodiesel và diesel khoáng
Biodiesel có tỷ trọng, độ nhớt, sức căng bề mặt ngoài, trị số Xê tan cao hơn
diesel truyền thống nên ảnh hưởng tới quá trình hình thành hỗn hợp và cháy. Nhìn

2

chung, khi sử dụng biodiesel sẽ làm giảm mức phát thải CO, HC, PM nhưng có sự
gia tăng về mức phát thải NOx, [6].
1.1.4 Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel
Chia thành 3 nguồn chính, trong đó nguồn nguyên liệu thế hệ thứ nhất bao
gồm dầu thực vật ăn được (dầu hướng dương, dầu lạc, dầu dừa, dầu thầu dầu, dầu
cọ, dầu đậu nành, dầu hạt bông…), mỡ động vật (mỡ cá, mỡ bò, mỡ lợn…). Nguồn
nguyên liệu thế hệ thứ 2 là các dạng phế thải như mỡ động vật và axit béo phế thải.
Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ 3 bao gồm các loại tảo và dầu jatropha.
1.1.5 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel
Mỹ là nước sản xuất và tiêu thụ biodiesel lớn nhất thế giới, sau Mỹ là liên
minh Châu Âu. Khu vực Châu Á có lượng sản xuất và tiêu thụ ít hơn.
Chính phủ Việt Nam đã quyết tâm phát triển nền công nghiệp nhiên liệu sinh
học thông qua việc triển khai Đề án phát triển Nhiên liệu sinh học đến năm 2015,
tầm nhìn đến năm 2020, [18]. Ngày 22/11/2012, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết
định số 53/2012/QĐ-TTg về việc ban hành “Lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên
liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống”, [17].
1.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng biodiesel cho động cơ diesel
1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới
Qua việc phân tích các công trình nghiên cứu nước ngoài về ứng dụng
biodiesel cho động cơ diesel cho thấy khi tăng tỷ lệ pha trộn biodiesel công suất
giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng, phát thải PM, HC và CO giảm trong khi phát
thải NOx tăng. Các tác giả [29, 30, 40, 46, 47] đã chỉ ra để tối ưu các thông số vận
hành và mức phát thải của động cơ cần phải thay đổi quy luật phun (giảm thời điểm
phun, tăng thời gian phun, tăng áp suất phun). Để giải quyết vấn đề này các công
trình nghiên cứu ở trên mới nghiên cứu thay đổi quy luật phun trên ECU của động
cơ thí nghiệm.
1.2.2 Các nghiên cứu trong nƣớc
Các tác giả đã chỉ ra rằng. Khi tăng tỷ lệ pha trộn biodiesel quá trình cháy trễ
được rút ngắn, do đó góc phun sớm giảm. Động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 và
B20 không có thay đổi lớn về tính năng kỹ thuật so với nhiên liệu B0 khi thay đổi

áp suất phun, tuy nhiên với nhiên liệu B30 thì cần giảm áp suất phun để đảm bảo
tối ưu về mặt kinh tế và kỹ thuật. Khi sử biodiesel thì thời điểm cháy do phun mồi
và phun chính đều diễn ra sớm hơn đồng thời thời gian cháy trễ cũng được rút
ngắn, điều này sẽ ảnh hưởng đến quá trình cháy của động cơ và tính năng phát thải
của động cơ. Khi tăng thời gian phun chính (cố định thời gian phun mồi) thì giá trị
áp suất cực đại tăng dần lên nhưng thời điểm áp suất đạt giá trị cực đại lại không
đổi.
1.2.3 Đánh giá chung
Để tối ưu các thông số vận hành và mức phát thải của động cơ diesel dùng
HTPNL kiểu CR khi chuyển sang sử dụng biodiesel cần phải thay đổi thời điểm
phun, thời gian phun, áp suất phun phù hợp với tỷ lệ biodiesel yêu cầu. Thông
thường để thực hiện việc này là rất khó khi sử dụng ECU nguyên bản của hãng sản

3


xuất, do công cụ để thực hiện việc truy cập vào ECU của từng hãng nhằm thay đổi
các thông số điều khiển điều chỉnh rất đắt, đồng thời chỉ có thể thay đổi điều chỉnh
số liệu trong các bảng của ECU mà không thể thay đổi được nội dung chương trình
điều khiển.
Từ những nhận định nêu trên kết hợp với việc phần cứng ECU đã được nhiều
hãng chế tạo ở dạng tiêu chuẩn gọi là ECU trắng (độ ổn định và độ bền cao) cũng
như cung cấp các công cụ lập trình tiện dụng khoa học, do đó, với các động cơ
diesel dùng HTPNL kiểu CR khi chuyển sang sử dụng biodiesel là hoàn toàn khả
thi. Vấn đề còn lại cần giải quyết là thiết kế chương trình điều khiển HTPNL kiểu
CR khi sử dụng nhiên liệu biodiesel. Đây chính là nhiệm vụ của NCS phải hoàn
thành khi tham gia thực hiện đề tài cấp Quốc gia của đề tài ĐT.08.14/NLSH, với
nội dung chính cần thực hiện đồng thời cũng là của luận án NCS: thiết kế chương
trình điều khiển HTPNL CR khi sử dụng nhiên liệu biodiesel B20. Khi thực hiện
nội dung này ngoài việc đạt được mục tiêu thiết kế chương trình điều khiển cho

động cơ sử dụng nhiên liệu B20 thì mục tiêu quan trọng hơn là giải mã thành công
công nghệ điều khiển của động cơ diesel điều khiển điện tử sử dụng HTPNL CR.
1.3 Tổng quan về thiết kế điều khiển động cơ diesel
Theo Olivier Grondin [61] việc thiết kế chương trình điều khiển ECU của
động cơ thường sử dụng 2 phương pháp: (1) chạy tối ưu xác định các thông số điều
khiển vòng hở và vòng kín theo các tiêu chí đặt trước với động cơ đặt trên bệ thử;
(2) xây dựng MHMP của động cơ nghiên cứu làm việc theo thời gian thực, từ đó
xây dựng chương trình điều khiển trên mô hình này.
Hình 1.10 trình bày cơ sở thiết kế chương trình điều khiển trên MHMP động
cơ: (1) Xây dựng mô hình động học và động lực học của động cơ theo thời gian
thực; (2) thiết kế chương trình điều khiển trực tiếp trên MHMP động cơ, chương
trình điều khiển ECU sau khi mô phỏng được nạp vào ECU trắng tiêu chuẩn để
điều khiển động cơ thực (sử dụng hệ thống thiết bị và phần mềm chuyên dụng để
lập trình ECU); (3) hiệu chỉnh lại các các bộ tham số của hệ thống điều khiển đối
với động cơ thật trên băng thử. Phương pháp này có ưu điểm là không cần thiết kế
phần cứng mà sử dụng phần cứng sẵn có, thời gian
chạy động cơ trên bệ thử ngắn, giảm chi phí thiết kế
và thử nghiệm.
Qua phân tích ở trên cho thấy, phương pháp
thiết kế CTĐK dựa trên MHMP động cơ làm việc
theo thời gian thực sẽ giảm chi phí và thời gian thực
hiện luận án. Bên cạnh đó, đề tài ĐT.08.14/NLSH
được trang bị ECU trắng tiêu chuẩn và trình biên
dịch của hãng Woodward Motohawk, đây là bộ điều
khiển cho phép lập trình bằng ngôn ngữ
Hình 1.10 Cơ sở thiết kế
Matlab/Simulink, rất thuận tiện cho việc thiết kế, nạp
chương trình điều khiển
trên MHMP động cơ
và hiệu chỉnh tối ưu CTĐK mới được xây dựng trên

(SIL), [61]
MHMP động cơ làm việc theo thời gian thực.

4


1.3.1 Tổng quan về mô hình mô phỏng động cơ diesel
Thường chia ra hai phương pháp, thứ nhất là mô hình trung bình và thứ hai là
mô hình theo góc quay trục khuỷu. Mô hình trung bình là mô hình nghiên cứu đơn
giản nhất, trong đó coi động cơ là một chuỗi các bộ phận ghép nối với nhau, trong
đó đặc tính của mỗi bộ phận được xác định bằng thực nghiệm. Khi xây dựng mô
hình này tác giả đưa vào hàm truyền để đơn giản quá trình tính.
Theo Rolf Isermann [68] sử dụng Matlab Simulink để xây dựng MHMP động
cơ diesel kiểu CR làm việc theo thời gian thực, nghiên cứu chỉ ra cần phải xây dựng
các mô hình thành phần: mô hình động học đường nạp – thải, mô hình TB – MN,
mô hình HTPNL kiểu CR, mô hình cháy, mô hình động lực học của động cơ, mô
hình ma sát. Sơ đồ khối mô hình động cơ theo góc quay trục khuỷu được thể hiện
trên hình 1.13. Theo phương pháp này mô hình cháy mô phỏng theo góc quay trục
khuỷu, cho phép xét tới ảnh hưởng của quy luật phun nhiên liệu đồng thời đánh giá
được dao động mô men của từng xylanh ảnh hưởng lên tốc độ động cơ do đó
MHMP giống với động cơ thực và có độ chính xác cao hơn so với mô hình động cơ
trung bình.

Hình 1.13 Sơ đồ khối mô hình động cơ theo góc quay trục khuỷu

1.3.2 Tổng quan về mô hình điều khiển động cơ diesel
Với động cơ dùng HTPNL sử dụng bơm dãy điện tử ECU điều khiển lượng
nhiên liệu phun vào động cơ thông qua điều khiển vị trí thanh răng, [37]. Với động
cơ dùng HTPNL sử dụng bơm cao áp (BCA) phân phối piston hướng kính, ECU
điều khiển lượng phun và thời điểm phun, [37]. Trong HTPNL kiểu CR áp suất

phun được điều khiển bởi BCA, van SCV (van điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp vào
BCA) và van RPCV (van điều khiển áp suất rail), thời điểm phun và lượng phun
quyết định bởi thời gian của xung cấp cho cuộn dây vòi phun. Điều này cho thấy áp
suất phun, thời điểm phun và lượng phun hoàn toàn độc lập nhau và không phụ
thuộc chế độ làm việc của động cơ, [37]. Nhờ đó cho phép phun mồi, phun chính

5


và phun sau mà không làm thay đổi áp suất và lượng phun định trước, giúp cho
động cơ nổ êm hơn và giảm nồng độ khí thải. Lượng nhiên liệu phun được quyết
định bởi thời gian phun và áp suất phun. Do đó chương trình điều khiển HTPNL rất
phức tạp.
Nhìn chung, việc thiết kế, chế tạo ECU nói chung, ECU dùng cho động cơ
diesel nói riêng vẫn còn khá mới mẻ tại Việt Nam. Do đặc điểm công nghệ tạo hỗn
hợp và cháy nên việc thiết kế, lập chương trình điều khiển cho động cơ diesel dùng
HTPNL kiểu CR phức tạp hơn khá nhiều khi so với động cơ phun xăng.
1.4 Hƣớng tiếp cận của luận án
Để tối ưu các thông số vận hành và mức phát thải của động cơ diesel dùng
HTPNL kiểu CR khi sử dụng biodiesel cần phải thiết kế chương trình điều khiển
động cơ; Chương trình điều khiển động cơ sử dụng HTPNL kiểu CR rất phức tạp
gồm nhiều thông số điều khiển (số lần phun, thời gian phun, thời điểm phun, lượng
phun, áp suất phun, tốc độ không
tải, tăng áp VGT, tuần hoàn EGR).
Sơ đồ khối được trình bày trên
Hình 1.18. Trong khuôn khổ của
luận án mới chỉ thiết kế điều
khiển HTPNL kiểu CR khi sử
dụng biodiesel B20. Do giới hạn
kinh phí cũng như thời gian thực

hiện nên chưa thiết kế chương
trình điều khiển ECU khi sử dụng
Hình 1.20 Sơ đồ khối điều khiển động cơ
biodiesel có tỷ lệ pha trộn lớn
sử dụng HTPNL kiểu CR
(>20%). Khi đã làm chủ công
nghệ thiết kế, lập chương trình
điều khiển HTPNL kiểu CR, việc chuyển sang nghiên cứu sử dụng với biodiesel có
tỷ lệ pha trộn lớn là hoàn toàn khả thi.
1.5 Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của luận án được thể hiện trên Hình 1.21
1.6 Kết luận Chƣơng 1
Khi tăng tỷ lệ pha trộn biodiesel → Ne↓, ge↑, phát thải PM, HC và CO↓, NOx↑;
Để tối ưu các thông số vận hành và mức phát thải cần phải thay đổi QLCCNL (số
lần phun, SOI, ET, minj, pphun). Với động cơ diesel sử dụng HTPNL kiểu CR thì việc
điều chỉnh này trở nên rất phức tạp, ECU đảm nhiệm việc điều khiển HTPNL (qua
các thông số như: áp suất phun, lượng phun, số lần và thời điểm phun), cho phù
hợp với chế độ vận hành của động cơ.
Hiện nay, ECU (phần cứng) đã được nhiều hãng chế tạo ở dạng ECU trắng
tiêu chuẩn. Tuy nhiên, chương trình và thuật toán điều khiển trong ECU lại là công
việc rất phức tạp, có khối lượng lớn và là bí quyết công nghệ của các hãng sản xuất
động cơ. Do vậy động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng biodiesel cần phải thiết kế
điều khiển hệ thống phun nhiên liệu CR phù hợp với chế độ làm việc của động cơ.

6


Trong LA này NCS lựa chọn phương pháp mô phỏng trực tiếp trên đối tượng bằng
phần mềm Matlab Simulink để xây dựng mô hình động cơ diesel sử dụng biodiesel
làm việc theo thời gian thực, từ mô hình động cơ thiết kế mô hình điều khiển

HTPNL mới phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ đảm bảo tiêu chí giữ
nguyên mô men động cơ khi sử dụng ECU nguyên bản dùng diesel.

Xây dựng mô hình bộ điều
khiển vòng hở: Dự đoán các
thông số không đo được,
tính toán các thông số:
Lượng phun, áp suất phun,
thời điểm phun

Thực nghiệm xác định các
thông số đầu vào cho mô hình

Đánh giá và hiệu chỉnh
mô hình điều khiển trên
mô hình động cơ

+
+

Xây dựng mô hình động học
các hệ thống chính của động cơ
(Mô hình đường ống nạp;
tuabin tăng áp – đường thải;
bơm cao áp – vòi phun; cháy;
động học của động cơ…)

Xây dựng mô hình bộ điều
khiển vòng kín: Xây dựng
phương trình động học hệ

thống phun CR; hệ thống
tua bin tăng áp. Lựa chọn bộ
điều khiển

Thực nghiệm đánh giá
bộ điều khiển trên băng
thử động cơ

Hình 1.21 Trình tự thiết kế ECU khi xây dựng MHMP động cơ theo thời gian thực

CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ
DIESEL SỬ DỤNG HỆ THỐNG PHUN KIỂU COMMONRAIL (CR) LÀM
VIỆC THEO THỜI GIAN THỰC
2.1 Đặt vấn đề
Mô hình động cơ
diesel thường sử dụng mô
hình điền đầy thải sạch
(Filling and Emptying
model). Quá trình khảo sát
nhiệt động của động cơ dựa
vào mô hình hệ thống hở
và dòng không ổn định
(Hình 2.1), khi đó có các
phương trình cân bằng khối
lượng và năng lượng.
MHĐC dùng HTPNL kiểu
CR, tăng áp tua bin khí thải
kiểu VGT được giới thiệu
Hình 2.2 Mô hình động cơ diesel dùng HTPNL kiểu
trên Hình 2.2.

CR, tăng áp kiểu VGT, [68].
2.2 Mô hình động học hệ
thống phun nhiên liệu kiểu CR

7


HTPNL kiểu CR dùng trên động cơ D4CB 2.5 TCI-A gồm các khối sau (Hình
2.3), [6, 68]: Khối cấp nhiên liệu diesel thấp áp (bao gồm thùng dầu, bơm cấp nhiên
liệu, lọc dầu, ống dẫn dầu và đường dầu hồi); Khối nhiên liệu cao áp (bao gồm bơm
cao áp (BCA), ống Rail, các đường ống cao áp, van an toàn, vòi phun); Khối điều
khiển (gồm các cảm biến, van SCV, van RPCV, ECU, EDU và van cao áp vòi
phun).
Để điều khiển áp suất nhiên liệu
trong ống tích áp (pr), cần mô phỏng
chính xác động lực học của từng phần tử
trong HTPNL.
2.2.1 Bơm cao áp
Theo phương trình (2.7) áp suất
trong BCA được xác định bằng:
.
k f ( p p ) dVp ( )
pp  
(
 qu  q pr )
Vp ( )
dt
2.2.2 Van điều chỉnh lƣợng nhiên
liệuSơcấp
vào BCA

(van SCV)
Hình 2.3
đồ nguyên
lý HTPNL
kiểu
.

pV  

k f ( pv )
Vv

CR dùng BCA kiểu CP1-H, [6, 68].

.[sgn( p p  pv ).C pv .Apv . p p  pv . 2  sgn( pv  pr ).Cvr .Avr . pv  pr . 2



Áp suất nhiên liệu ở van SCV được xác định theo phương trình (2.13)
2.2.3 Đƣờng ống Rail
Áp suất nhiên liệu ở ống Rail được xác định bởi phương trình (2.14)
.

pr  

k f ( pr )
Vr

(q pr  qri  q pcv )

(2.14)

trong đó:
+ qpr là lượng nhiên liệu từ BCA tới ống Rail
+ qPCV là lượng nhiên liệu từ ống Rail tới van RPCV, được xác định bởi
phương trình

qPCV  sgn( pr  pt ).Cdreg . Amax . pt  p p . 2 .U 2

(2.15)



+ qri là lượng nhiên liệu từ ống Rail tới vòi phun, xác định theo phương trình
(2.16)
4

qri   sgn( pr  pi ,k ).Cdi . Adi . pr  pi ,k . 2
i 1



(2.16)

2.2.4 Vòi phun
Áp suất phun tại mỗi vòi phun được xác định bởi phương trình (2.17)
.

pi ,k  

k f ( pi ,k )
Vi ,k

.[qri  sgn( pi ,k  pcyl ,k ). Ai ,k . pi ,k  pcyl .k . 2 .ET ,k ]



8


2.3 Mô hình cháy
2.3.1 Cơ sở lựa chọn mô hình cháy
MHC một và hai vùng thường được xây dựng dựa trên cơ sở thực nghiệm như
sơ đồ khối trình bày trên
Hình 2.7. Mô hình biểu diễn
tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh
sẽ được áp dụng cho các giai
đoạn cơ bản của quá trình
cháy trong động cơ diesel
dùng HTPNL kiểu CR, bao
gồm: quá trình cháy do phun
mồi; quá trình cháy do phun
chính và quá trình cháy
khuếch tán.
Hình 2.7 Phương pháp xây dựng MHC không
2.3.2 Mô hình cháy
chiều một vùng và hai vùng, [39].
Phương trình Wiebe
(phương trình 2.18)
mi 1


   SOCi  
xbi  1  exp  ai 
 

 i  

(2.18)

Từ phương trình 2.18 cho thấy để xác định được phần nhiên liệu đã cháy ở
mỗi giai đoạn cháy cần phải xác định các tham số: ai; mi; φSOCi; Δφi và i. Cơ sở xác
định các tham số của phương trình Wiebe như sau:
+ Cơ sở xác định số hàm
Bảng 2.5 Tham số mô hình mi
Wiebe: i = z + 1 (với z là số lần
phun, gồm phun mồi, phun chính,
phun sau). + Cơ sở xác định tham
số ai: ai là thông số phản ánh hiệu
suất cháy trong từng giai đoạn
cháy. ai = 5 thì hiệu suất cháy
bằng 99,3%, [33, 39], chọn ai
bằng 5 cho tất cả các giai đoạn
cháy.
+) Cơ sở xác định tham số mi: mi cho biết quy luật tỏa nhiệt của mỗi giai đoạn
cháy.
+) Cơ sở xác định tham số φSOCi và Δφi: theo các nghiên cứu [35, 39, 80], hai
tham số φSOCi và Δφi không phụ thuộc vào các tham số ai, mi và i. Cách xác định
φSOCi và Δφi sẽ được trình bày cụ thể trong Chương 3 của luận án.
Hàm Wiebe có thể được dùng ở hai dạng khác nhau.
mi

mi 1
  

dxb,i ai (mi  1)    SOC ,i 
SOC ,i 


.exp

a


 
i
d
i  i 
  i  

9


mi 1

   SOCi  
ai (mi  1)     SOC i 
 minj.x fi .Q H .

 .exp  ai 
 
d

  i 

   

dQ f ,i

2.4 Mô hình động học tuabin tăng áp và đƣờng nạp, thải
2.4.1 Tốc độ của rô to cụm TB-MN
2.4.2 Tuabin
2.4.3 Máy nén
2.4.4 Lƣu lƣợng khí nạp
2.4.5 Lƣu lƣợng khí thải
2.5 Mô hình tổn thất cơ khí trên động cơ
6

M m ( )  z. M i ( )
i 1

4π

Mm =

1
. M m ( ).d
4.π 0

2.6 Mô hình truyền nhiệt
2.7 Xác định áp suất xylanh
dQ f
dm in

dm ex

dV dQ w

.p cyl .
-h in .
+h ex .
dp cyl
dt
 -1
dt dt
dt
dt
dt

=

1

 -1
2.8 Mô hình động học động cơ

.V

M cyl ,i ( )  Ti ( ).R   Pkt ,i ( )  Pj ,i ( )  .R.sin .(1 

M eng ( )  M c  I eng .

.cos 
)

1   2 .sin 2 

d
dt

2.7 Mô hình truyền nhiệt
2.9 Tính toán mô men và công suất động cơ
2.10 Kết luận Chƣơng 2
Để có thể hoàn thiện được mô hình động cơ cần phải thực nghiệm xác định các
tham số sau: Ở mô hình động học tuabin tăng áp và đường nạp thải cần phải xác
định được thể tích đường nạp, thải; quy luật phối khí; hệ số lưu lượng của dòng khí
đi qua xupap nạp, thải; xây dựng các MAP thực nghiệm: MAP lưu lượng khí tăng
áp, MAP áp suất khí tăng áp, MAP lưu lượng khí thải qua tuabin, MAP áp suất khí
thải sau tuabin, MAP hiệu suất của tuabin và MAP tốc độ TB – MN; Ở mô hình
động học HTPNL kiểu CR cần phải xác định được các thông số kỹ thuật của BCA,
đường ống cao áp, ống rail, vòi phun, van SCV, van RPCV và van điện từ trên vòi
phun; Với mô hình cháy cần phải xác định các tham số của phương trình Wiebe là
φSOCi; Δφi và xfi để nhập vào mô hình cháy làm cơ sở tính toán tốc độ tỏa nhiệt

10


và biến thiên áp suất trong xylanh; Với mô hình mô men ma sát cần xác định các hệ
số của các phương trình mô men ma sát.
CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ HYUNDAI D4CB 2.5 TCI-A
SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL LÀM VIỆC THEO THỜI GIAN
THỰC
3.1 Đặt vấn đề
Để xây dựng MHĐC làm việc theo thời gian thực và đánh giá độ tin cậy của
mô hình động cơ, ngoài cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ đã trình bày

trong Chương 2 thì cần thiết phải thực hiện thí nghiệm để xác định các tham số đầu
vào cho mô hình .
3.2 Chế độ thực nghiệm xác định các tham số đầu vào cho mô hình
3.2.1 Đối tƣợng nghiên cứu
Động cơ diesel D4CB 2.5TCI-A. Nhiên liệu sử dụng là diesel dầu mỏ và
biodiesel B20 (được sản xuất từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ→dầu ăn)
3.2.2 Trang thiết bị và chế độ thực nghiệm
3.2.2.1 Trang thiết bị thử nghiệm
Động cơ được thử nghiệm trên bệ thử động lực học cao của phòng thí nghiệm
Động cơ, Viện Cơ khí Động lực/Đại học Bách khoa Hà Nội
3.2.2.2 Chế độ thử nghiệm
Động cơ lắp ECU-NT sử dụng với 2 loại nhiên liệu B0 và B20 tốc độ của trục
khuỷu từ 1000 đến 3500 vg/ph với bước nhảy là 500 vg/ph. Tiến hành xây dựng
đường đặc tính ngoài (100% tải) để xác định giá trị Me max. Lấy giá trị Me max nhân
với các hệ số 0,75; 0,5; 0,25 tương ứng với 75%; 50%; 25% để xác định đặc tính bộ
phận.
3.3 Kết quả thực nghiệm
Kết quả thực nghiệm xác định các thông số đầu vào cho mô hình động cơ sử
dụng diesel và biodiesel bao gồm: (1) xác định các tham số đầu vào cho mô hình
HTPNL kiểu CR; (2) xác định các tham số đầu vào cho mô hình TB-MN; (3) xác
định các tham số đầu vào cho mô hình cháy; (4) xác định các tham số đầu vào cho
mô hình ma sát; xác định các tham số đầu vào cho mô hình đường nạp/thải.
3.3.1 Xác định các tham số đầu vào của mô hình HTPNL kiểu CR
QLCCNL tại các chế độ tải và tốc độ khác nhau được trình bày chi tiết trong
Bảng 3.4 và Hình 3.4.

Hình 3.4 Quy luật thay đổi số lần phun theo tốc độ động cơ

11

3.3.2 Xác định các tham số của mô hình tuabin – máy nén

Hình 3.6 Quan hệ áp suất khí tăng áp, áp suất khí thải theo tốc độ và mômen của động cơ

Hình 3.7 Map lưu lượng khí nạp, tốc độ tuabin theo tốc độ và mômen của động cơ

3.3.3 Áp suất xylanh
Kết quả đo áp suất trong xylanh động cơ diesel 2.5 TCI-A khi sử dụng B0 và
B20 ở chế độ tải 100% trong dải tốc độ từ 1000 vg/ph đến 3500 vg/ph với bước
nhảy 500 vg/ph được giới thiệu trên Hình 3.11 đến Hình 3.16. Các giá trị áp suất
đỉnh trong xylanh tại các chế độ thử nghiệm khác (25%; 50%; 75% tải) được tổng
hợp trong Bảng 3.5.

Hình 3.13 Diễn biến áp suất tại tốc độ 1000 và 2000 vg/ph ở chế độ 100% tải

3.3.4 Xác định hệ số của mô hình mô men ma sát

12


Giá trị của các thông số này được
trình bày trong Bảng 3.6.
3.3.5 Quy luật phối khí
Quy luật phối khí của xupap nạp và
thải được xác định bằng thực nghiệm
3.3.6 Lƣu lƣợng khí qua xupap nạp và
thải
Lưu lượng khí qua xupap nạp/thải
được xác định trên thiết bị đo lưu lượng và

tổn thất dòng khí, tại PTN động cơ đốt
Hình 3.16 Mối quan hệ giữa lưu
trong - Viện Cơ khí động lực - Đại học
lượng khí và độ nâng xupap
Bách khoa Hà Nội.
3.4 Xử lý số liệu
3.4.1 Xác định tốc độ tỏa nhiệt
Tốc độ tỏa nhiệt được xác định theo phương trình 3.1, [58, 76, 80].
dQhr
1
dp

dV
(3.1)

.V .

.p.
d
  1 d    1 d

Hình 3.18 Kết quả tính toán diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh
tại tốc độ 1000 và 2000 vg/ph ở chế độ 100% tải

3.4.2 Xác định thời điểm cháy, khoảng thời gian cháy và phần nhiên liệu đã
cháy

Hình 3.20 Sơ đồ thuật toán tối ưu xác định các tham số φSOCi, Δφi và xfi

13

3.4.3 Xác định hệ số lƣu lƣợng qua xupap nạp và thải

Cf 

4.G meas
 .Dv2 . 2.p / 

3.5 Xây dựng và đánh giá mô hình
3.5.1 Xây dựng mô hình động cơ
Thông số đầu vào của mô hình là vị trí bàn đạp ga và tốc độ động cơ yêu cầu.
Thông số đầu ra của mô hình là mô men có ích, tốc độ động cơ, áp suất xylanh, tốc
độ tỏa nhiệt...

Hình 3.22 Mô hình động cơ sử dụng diesel và biodiesel làm việc theo thời gian thực

3.5.2 Đánh giá độ tin cậy của mô hình động cơ
3.5.2.1 Về tốc độ tỏa nhiệt

Hình 3.23 Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm tại chế độ
tốc độ 1000 (vg/ph) và tải 100% tải

14


3.5.2.2 Về áp suất xylanh

Hình 3.26 So sánh áp suất xylanh giữa mô phỏng và thực nghiệm
tại chế độ tốc độ 1000 (vg/ph) và tải 100% tải

3.5.2.3 Về mô men và công suất động cơ
Kết quả cho thấy, khi sử dụng diesel sai số lớn nhất về mô men giữa mô hình
và thực nghiệm tại các chế độ tải 100%, 75%, 50% và 25% lần lượt là 6,85%;
4,40%; 4,31% và 5,87%. Khi sử dụng biodiesel B20 sai số lớn nhất về mô men
giữa mô hình và thực nghiệm tại các chế độ tải 100%, 75%, 50% và 25% lần lượt là
3,0%; 4,41%; 3,4% và 3,98%.
3.6 Kết luận Chƣơng 3
- Đã xác định được bộ số liệu thực nghiệm làm thông số đầu vào để xây dựng
mô hình động cơ làm việc theo thời gian thực.
- Đã xây dựng được mô hình động cơ sử dụng diesel và biodiesel làm việc
theo thời gian thực đảm bảo: độ chính xác và độ tin cậy cần thiết cho quá trình điều
khiển
+ Tốc độ tỏa nhiệt tính toán từ mô hình tương đương với động cơ thực. Khi
động cơ sử dụng diesel sai số trung bình về tốc độ tỏa nhiệt giữa mô phỏng và thực
nghiệm tại tốc độ 1000, 2000 và 3000 vg/ph ở chế độ toàn tải lần lượt là 1,12%,
1,11% và 1,15%; Khi động cơ sử dụng biodiesel B20 sai số trung bình tốc độ tỏa
nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm tại tốc độ 1000, 2000 và 3000 vg/ph ở chế độ
toàn tải lần lượt là 1,34%, 1,8% và 1,75%.
+ Áp suất xylanh tính toán từ mô hình tương đương với động cơ thực. Khi
động cơ sử dụng diesel sai số trung bình về áp suất xylanh giữa mô phỏng và thực
nghiệm tại tốc độ 1000, 2000 và 3000 vg/ph ở chế độ toàn tải lần lượt là 6,25%,
1,35% và 2,71%. Khi động cơ sử dụng biodiesel B20 sai số trung bình về áp suất
xylanh giữa mô phỏng và thực nghiệm tại tốc độ 1000, 2000 và 3000 vg/ph ở chế
độ toàn tải lần lượt là 2,38%, 2,45% và 1,01%.
+ Mô men và công suất tính toán từ mô hìnhtương đương với động cơ thực.
Khi động cơ sử dụng diesel sai số lớn nhất về mô men giữa mô hình và thực
nghiệm tại các chế độ tải 100%, 75%, 50% và 25% lần lượt là 6,85%; 4,40%;
4,31% và 5,87%. Khi động cơ sử dụng biodiesel B20 sai số lớn nhất về mô men

15


giữa mô hình và thực nghiệm tại các chế độ tải 100%, 75%, 50% và 25% lần lượt là
3,0%; 4,41%; 3,4% và 3,98%.
CHƢƠNG 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ HYUNDAI
D4CB 2.5TCI-A SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL
4.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển
Để xây dựng mô hình điều
T
khiển động cơ cần: (1) thiết kế
T
U
chương trình điều khiển HTPNL
p
Điều khiển
(thời điểm phun, lượng phun và áp
áp suất Rail
n
U
(Prail)
suất phun); (2) thiết kế bộ điều
m
khiển áp suất rail; (3) thiết kế bộ
T
PWG
điều khiển tốc độ không tải. Để
T
p
tính toán, điều khiển được

p
Tính toán
QLCCNL (số lần phun, thời điểm
lượng phun
m
SOI
n
nhiên liệu
phun, thời gian phun, áp suất phun,
SOI
yêu cầu
T
T
Tính toán
lượng phun) thì chương trình điều
SOI
T
quy luật
T
ET
khiển cần bao gồm 3 khối sau: (1)
phun nhiên
p
u
ET
liệu
Khối tính toán lượng nhiên liệu
n
ET
T

yêu cầu; (2) Khối điều khiển áp
suất rail; (3) Khối tính toán quy
luật phun nhiên liệu. Sơ đồ điều
Hình 4.1 Sơ đồ điều khiển quá trình phun
khiển quá trình phun nhiên liệu
nhiên liệu, [67].
được thể hiện trên Hình 4.1
4.2 Thiết kế các bộ điều khiển
vòng hở
4.2.1 Tính toán lƣợng phun nhiên liệu
4.2.1.1 Tính toán lượng nhiên liệu phun khi khởi động
Lượng nhiên liệu phun khi khởi động phụ thuộc vào nhiệt độ và tốc độ động
cơ: minj_start = f(Twater, ne)
4.2.1.2 Tính toán lượng nhiên liệu
Luong phun (mm3/ct)
100
không tải yêu cầu
65
90
Tốc độ không tải yêu cầu phụ
55
80
thuộc vào nhiều thông số: nhiệt độ
45
70
35
động cơ, tốc độ động cơ, điện áp ác
75
70
60

quy và tốc độ của xe, tín hiệu bật tắt
60
25
50
50
điều hòa và được xác định như sau,
15
40
40
[67].
30
30
5
nidle_demand = f(Twater, ne, uacquy,
20
20
10
vvehicle, A/C).
10
4.2.1.3 Tính toán lượng nhiên liệu
0
1000
1500
2000
2500
3000
3500
yêu cầu
Toc do dong co (vg/ph)
water

nl

SCV

rail
e

RPCV

inj_demand
kn

water

rail_demand

rail
e

nl

inj_demand
water

nl

kn

rail

acqu y

e

pilot2
main

pilot1

pilot2
main

vi tri chan ga (%)

kn

pilot1

Hình 4.9 MAP lượng phun theo tốc độ và vị
trí ga khi sử dụng B20

16


Lượng nhiên liệu yêu cầu (minj_demand), được tính toán theo hàm sau, [67]:
minj _ demand

minj _idle

 minj _ PWG


minj _ start

nÕu Start =0 vµ PWG  5%
nÕu Start =0 vµ PWG  5%
nÕu Start =1

4.2.2 Tính toán quy luật phun
Mô hình điều khiển quá trình phun của động cơ 2.5 TCI-A khi sử dụng
biodiesel được trình bày trên Hình
4.10. Trong đó các thông số đầu
vào là: minj_demand là lượng nhiên
liệu phun yêu cầu, (mm3); ne là
tốc độ động cơ (vg/ph); uacquy là
điện áp ắc quy, (mV); prail là áp
suất Rail yêu cầu, (MPa); ne là tốc
độ động cơ, (vg/ph). Các thông số
đầu ra là: SOIpilot là thời điểm
phun mồi, (độ GQTK); SOImain là
thời điểm phun chính, (độ
GQTK); ETpilot là thời gian phun
mồi, (s); ETmain là thời gian phun
chính, (s); minj_pilot là lượng phun
mồi, (mm3); minj_main là lượng
phun chính, (mm3);
4.2.2.1. Phun mồi
Hình 4.10 Mô hình điều khiển quá trình phun
của động cơ 2.5 TCI-A khi sử dụng biodiesel
Phun mồi là một trong những
ưu điểm của HTPNL kiểu CR

nhằm giảm phát thải NOx, giảm rung động, giảm tiếng ồn cháy của động cơ diesel.
Tuy nhiên, đây là bí quyết công nghệ của các hãng chế tạo động cơ, các kết quả
nghiên cứu ít được công bố chi tiết. Để tối ưu các thông số khí thải, rung động, ồn
theo tỷ lệ pha trộn biodiesel cần phải tiến hành rất nhiều thí nghiệm, khối lượng
công việc rất lớn do vậy trong khuôn khổ luận án chưa xét tới ảnh hưởng của
biodiesel B20 tới phun mồi, các MAP điều khiển phun mồi (số lần phun mồi, thời
điểm phun mồi, thời gian phun mồi, lượng phun mồi) dựa vào ECU nguyên bản
khi chạy nhiên liệu diesel.
4.2.2.2. Phun chính
Việc tính toán quá trình phun chính bao gồm: Tính toán thời điểm phun chính;
Tính toán lượng nhiên liệu phun chính; Tính toán thời gian phun chính. Sơ đồ điều
khiển phun chính được trình bày trên Hình 4.15.

17


Hình 4.15 Sơ đồ điều khiển phun chính

- Tính toán lượng nhiên liệu phun chính:
minj_main = minj_demand - minj_pilot
- Thời điểm phun chính phụ thuộc vào tốc độ và lượng nhiên liệu yêu cầu.
Mối quan hệ giữa thời điểm phun chính với lượng nhiên liệu yêu cầu và tốc độ
động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 được thể hiện trên Hình 4.17

Hình 4.17 MAP thời điểm phun chính của động cơ 2.5TCI-A khi sử dụng B0

4.3 Thiết kế các bộ điều khiển vòng kín
4.3.1 Bộ điều khiển PID
Cấu trúc bộ điều khiển PID (Hình 4.18) gồm 3 thành phần: khâu khuếch đại
(P), khâu tích phân (I), và khâu vi phân (D). Khi sử dụng thuật toán PID, nhất thiết

phải lựa chọn chế độ làm việc P, PI hay PID và sau đó đặt các tham số cho các chế
độ đã chọn.

Hình 4.8 Điều khiển với bộ điều khiển PID

4.3.2 Bộ điều khiển áp suất rail

18


Để điều chỉnh áp suất rail cần tính toán theo 3 khối sau: Tính toán giá trị áp
suất rail yêu cầu; Điều chỉnh áp
p
suất rail; Kiểm tra áp suất rail.
U
n
Mô hình tính toán áp suất rail của
T
Điều chỉnh
HTPNL kiểu CR được trình bày
áp suất Rail
T
U
(Prail)
trên Hình 4.19.
p
trong đó:Tín hiệu đầu vào:
T
prail là áp suất Rail thực tế,
(MPa); ne là tốc độ động cơ, m

p
(vg/ph); Tnl là nhiệt độ nhiên
n
p
Tính toán áp
liệu, (K); Twater là nhiệt độ nước
T
suất Rail
T
yêu cầu
p
T
làm mát, (K); Tkn là nhiệt độ khí
T
Kiểm tra áp
p
suất
Rail
nạp, (K); minj_demand là lượng
T
n
nhiên liệu yêu cầu, (mm3/ct). Tín
T
hiệu đầu ra: USCV là độ mở van
SCV, (%);URSCV là độ mở van
RSCV, (%); prail_test là tín hiệu kiểm tra cảm biến áp suất nhiên liệu
4.3.3 Bộ điều khiển tốc độ không tải
Lỗi không tải (e) được xác định bằng sai số giữa số vòng quay không tải thực
và số vòng quay không tải yêu cầu. Để hiệu chỉnh số vòng quay không tải, cần hiệu
chỉnh các thông số idle_kp; idle_ki; idle_kd, với sơ đồ điều khiển vòng kín được

thể hiện trên Hình 4.28.
rail

SCV

e

water

nl

RPCV

rail_demand

kn

inj_demand

e

nl

kn

water

rail_test

rail_demand

water

nl

rail_test

rail
e

kn

Hình 4.28 Sơ đồ điều khiển vòng kín số vòng quay không tải của động cơ

4.4 Kết luận Chƣơng 4
Luận án đã thiết kế được chương trình điều khiển cho ECU động cơ Hyundai
D4CB 2.5TCI-A sử dụng nhiên liệu B20 trên phần mềm Matlab/Simulink. Chương
trình điều khiển đã thể hiện hầu hết các hàm điều khiển của ECU nguyên bản bao
gồm: hàm điều khiển lượng nhiên liệu (lượng nhiên liệu khởi động, lượng nhiên
liệu không tải, lượng nhiên liệu yêu cầu); hàm điều khiển số lần phun, thời điểm
phun và thời gian phun theo các chế độ làm việc của động cơ; chương trình điều
khiển vòng kín áp suất rail và tốc độ không tải.

19


Luận án đã xây dựng được các MAP phục vụ Chương trình điều khiển cho
ECU-New_B20, hiệu chỉnh các thông điều khiển của ECU-New. Chương trình điều
khiển ECU sau khi mô phỏng đã được nạp vào ECU trắng và hiệu chỉnh lại các
thông số ngoài mô phỏng như lượng nhiên liệu phun ở các chế độ làm việc theo
nhiệt độ động cơ, một số hệ số điều khiển vòng kín (không tải, áp suất Rail).

CHƢƠNG 5 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
5.1 Mục đích thử nghiệm
Mục đích nghiên cứu thử nghiệm ở chương này là nhằm đánh giá mức độ cải
thiện về đặc tính kỹ thuật và mức phát thải của động cơ 2.5 TCI-A khi sử dụng
ECU mới dùng nhiên liệu biodiesel B20, so sánh đối chứng trên cùng một động cơ
với ECU nguyên thủy (ECU-NT) sử dụng B20
5.2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu thực nghiệm
5.2.1 Đối tƣợng nghiên cứu thực nghiệm
Động cơ 2.5 TCI-A và nhiên liệu sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm như
đã được trình bày trong phần đối tượng nghiên cứu ở Chương 3.
5.2.2 Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm
Thử nghiệm được thực hiện trên băng thử động cơ với các chế độ ổn định cũng
như chuyển tiếp trong toàn bộ vùng làm việc của động cơ.
5.2.3 Điều kiện nghiên cứu thực nghiệm
5.3 Quy trình và trang thiết bị thực nghiệm
5.3.1 Trang thiết bị thực nghiệm
Luận án tiến hành thực nghiệm đánh giá các tham số điều khiển của bộ điều
khiển áp suất CR được tiến hành trên băng thử bơm cao áp NT3000. Luận án tiến
hành thực nghiệm đánh giá về đặc tính kỹ thuật và mức phát thải của động cơ khi
sử dụng ECU-New với ECU-NT trên băng thử động cơ. Luận án tiến hành thực
nghiệm đánh giá bộ điều khiển ở chế độ tăng tốc được tiến hành trên bệ thử con lăn
5.3.2 Quy trình thử nghiệm
- Quy trình thử nghiệm để đánh giá bộ điều khiển áp suất rail
- Quy trình thử nghiệm để hiệu chỉnh, đánh giá mức độ cải thiện mức phát thải
của động cơ khi sử dụng ECU-New với ECU-NT ở chế độ không tải; động cơ đặt
trên băng thử với sơ đồ bố trí trang thiết bị được trình bày trên Hình 5.2.
- Quy trình thử nghiệm để đánh giá mức độ cải thiện về đặc tính kỹ thuật và
mức phát thải của động cơ khi sử dụng ECU-New với ECU-NT ở chế độ ổn định;
động cơ đặt trên băng thử với sơ đồ bố trí trang thiết bị được trình bày trên Hình
5.2.

- Quy trình thử nghiệm để đánh bộ điều khiển ở chế độ tăng tốc:
5.4 Kết quả thử nghiệm
5.4.1 Đánh giá bộ điều khiển áp suất rail

20


Hình 5.15 Độ trễ prail_thực so với prail-yêu cầu khi thay đổi prail-yêu cầu từ 35 (MPa) lên
40 (MPa)

5.4.2 Tại chế độ không tải
Số vòng quay không tải thực đã hiệu chỉnh (tốc độ không tải yêu cầu 800 là vg/ph)
5.4.3 Tại chế độ toàn tải
5.4.3.1 Đánh giá mức độ cải thiện về momen và tiêu thụ nhiên liệu của ECU-New

Hình 5.18 Đặc tính ngoài của động cơ và phát thải khi sử dụng ECU-NT và ECU-New

5.4.4 Tại chế độ tải bộ phận

Hình 5.22 So sánh phát thải CO, HC khi sử dụng ECU-NT và ECU-New tại tốc độ 2500
(vg/ph) và 3500 (vg/ph)

21


Hình 5.24 So sánh phát thải Nox, Smoke khi sử dụng ECU-NT và ECU-New tại tốc độ 2500
(vg/ph) và 3500 (vg/ph)

5.4.5 Tại chế độ tăng tốc
Vận tốc xe lớn nhất khi sử dụng ECU-NT_B20 nhỏ hơn vận tốc xe lớn nhất

khi sử dụng ECU-New_B20. Thời gian tăng tốc của xe từ 0 đến 100 km/h: Nhìn
chung, khi lắp ECU-New thời gian tăng tốc của xe giảm nhẹ khi so sánh với ECUNT.

Hình 5.26 Quan hệ giữa tốc độ động cơ và vị trí chân ga khi tăng tốc

5.5 Kết luận Chƣơng 5
Từ các kết quả thực nghiệm có thể rút ra một số kết luận như sau:
- Tại chế độ toàn tải: Động cơ khi sử dụng ECU-New có mô men lớn hơn, suất
tiêu hao nhiên liệu thấp hơn so với động cơ khi sử dụng ECU-NT với nhiên liệu
B20. Khi sử dụng ECU-New mức phát thải CO, NOx giảm trung bình lần lượt là
4,03% và 1,46% so với động cơ khi sử dụng ECU-NT với nhiên liệu B20; phát thải
HC, PM tăng trung bình lần lượt là 14,05% và 8,04%; so với khi sử dụng ECU-NT
với nhiên liệu B20. Tuy nhiên, khi so sánh với động cơ sử dụng ECU-NT chạy
nhiên liệu B0 mức phát thải HC, PM ở chế độ toàn tải giảm 7,58% và 4,58%
- Tại chế độ bộ phận: Tại tốc độ 2500 (vg/ph), động cơ khi sử dụng ECU-New
có ge giảm 1,9%, phát thải CO giảm 13,6%, phát thải HC giảm 13%, phát thải NOx

22


tăng 37,5% và phát thải PM giảm 11% so với động cơ khi sử dụng ECU-NT. Tại
tốc độ 3500 (vg/ph), động cơ khi sử dụng ECU-New có ge giảm 1,5%, phát thải
CO giảm 5,7%, phát thải HC giảm 18%, phát thải NOx tăng 26,6% và phát thải PM
giảm 8,3% so với động cơ khi sử dụng ECU-NT.
- Tại chế độ không tải, động cơ khi sử dụng ECU-New phát thải CO giảm
14,34%, phát thải HC giảm 19,2%, phát thải NOx tăng 70,54% và phát thải PM
không thay đổi so với động cơ khi sử dụng ECU-NT với nhiên liệu B20.
- Bộ điều khiển áp suất rail làm việc ổn định. Độ trễ áp suất rail với áp suất
yêu cầu ở các chế độ chuyển tiếp với độ trễ lớn nhất khoảng 0,3s.
- Khi sử dụng ECU-New_B20 vận tốc xe lớn nhất lớn hơn khi sử dụng ECUNew_B20. Khi xe lắp ECU-New thời gian tăng tốc của xe giảm nhẹ khi so sánh với

ECU-NT.
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
Kết luận chung:
Luận án đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu và đã đưa ra được cơ sở khoa học,
phương pháp thiết kế chương trình điều khiển HTPNL động cơ CR sử dụng
biodiesel B20 dựa trên mô hình mô phỏng. Luận án đã đạt được các kết quả cụ thể
như sau:
- Đã xây dựng được mô hình mô phỏng động cơ diesel trang bị hệ thống nhiên
liệu common rail làm việc theo thời gian thực sử dụng hai loại nhiên liệu diesel và
biodiesel. Tính đúng đắn của mô hình đã được kiểm chứng qua bộ thông số xác
định từ thực nghiệm.
- Đã đưa ra được phương pháp thiết kế chương trình điều khiển hệ thống cung
cấp nhiên liệu kiểu common rail sử dụng nhiên liệu biodiesel B20 phù hợp với các
chế độ làm việc của động cơ.
- Đã thiết kế thành công chương trình điều khiển cho động cơ diesel Hyundai
D4CB 2.5TCI-A trang bị hệ thống nhiên liệu common rail sử dụng nhiên liệu
biodiesel B20 nhằm giữ nguyên mô men và công suất động cơ so với khi động cơ
sử dụng nhiên liệu diesel. Kết quả thử nghiệm cho thấy động cơ làm việc bình
thường ở các chế độ: ổn định, khởi động, không tải và tăng tốc.
- Đã thiết kế bộ điều khiển áp suất rail làm việc ổn định.
- Đã thiết kế bộ điều khiển không tải khi sử dụng B20 với sai số giữa tốc độ
không tải thực với tốc độ không tải yêu cầu < 80 vg/ph.
- Kết quả của luận án góp phần nâng cao năng lực làm chủ và phát triển công
nghệ thiết kế chương trình điều khiển ECU
- Kết quả của luận án là cơ sở tham khảo tốt cho các nghiên cứu về thiết kế
điều khiển động cơ sử dụng HTPNL kiểu CR khi sử dụng biodiesel, góp phần vào
việc hiện thực hóa chiến lược sản xuất và sử dụng nhiên liệu biodiesel tại Việt
Nam.

23

Hƣớng phát triển:
Phạm vi nghiên cứu của luận án mới chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm
nhằm đưa nghiên cứu này ứng dụng vào thực tiễn, cần thiết phải bổ sung các
nghiên cứu sau:
- Nghiên cứu thiết kế chương trình điều khiển tích hợp (CR, tuần hoàn khí thải
EGR, tăng áp VGT).
- Nghiên cứu thiết kế chương trình điều khiển ECU khi sử dụng biodiesel có tỷ
lệ pha trộn lớn (>20%)
- Nghiên cứu hoàn thiện các chức năng của ECU (chức năng chẩn đoán theo
chuẩn OBD-II, khả năng giao tiếp với các ECU khác của xe).
- Thử nghiệm bền động cơ và thử nghiệm hiện trường để đánh giá khả năng
làm việc của động cơ khi sử dụng ECU-New_B20 trong thời gian dài và trong môi
trường thực tế.

24