ỨNG DỤNG SIMULINKAPP DESIGNER TRONG MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN

TÓM TẮT
1.
-

Vấn đề nghiên cứu.
Hệ thống điều khiển động cơ 1 xy-lanh.
Phần mềm Matlab mảng Simulink.
Ứng dụng thiết kế giao diện.
Lý thuyết và ứng dụng mô phỏng trong điều khiển tốc độ theo công suất cần để
sạc cho ắc quy trên mơ hình xe Hybrid.
2. Các hướng tiếp cận
- Thơng qua sự phát triển của công nghệ điều khiển qua máy tính và ứng dụng
cơng nghệ đó trong học tập và nghiên cứu trong trường Đại học Sư phạm Kĩ
thuật TP.HCM.
- Dựa vào tài liệu tham khảo và khóa học trước cùng với sự hỗ trợ, hướng dẫn và
cung cấp tài liệu của thầy Huỳnh Quốc Việt.
3. Cách giải quyết vấn đề
- Nắm rõ nguyên lí vận hành động cơ đốt trong một xy-lanh.
- Xây dựng chương trình mơ phỏng dựa trên các thông số của động cơ và các
phương trình tương ứng.
- Tiến hành mơ phỏng theo từng hệ thống của động cơ một xy-lanh, sau đó kiểm
tra và điều chỉnh theo mơ hình thực tế.
- Kết nối các hệ thống của động cơ thành một hệ thống hoàn chỉnh.
- Kiểm tra, đánh giá kết quả mô phỏng so với lý thuyết và mơ hình thực tế.

1


MỤC LỤC

2

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
1. Các chữ viết tắt:
ĐCT: Điểm chết trên.
ĐCD: Điểm chết dưới.
ECU: Electronic Control Unit.
SI: Spark-Ignited..
MVM: Mean Value Model.
DEM: Discrete Event Model.
CCM: Cylinder by Cylinder Model.
MBT: Maximum Brake Torque.

RPM: Revolutions per minute.
2. Các ký hiệu:

� ̇ � : Lưu lượng khơng khí đi qua bướm ga (kg/s).
�̇ �: Lưu lượng khơng khí trong đường ống nạp đi vào động cơ (kg/s).
� � : Áp suất trong đường ống nạp (Pa).
�̇ fi : Lưu lượng nhiên liệu được phun bởi kim phun (kg/s).
�̇f : Lưu lượng nhiên liệu đưa vào động cơ (kg/s).
�̇ : Hỗn hợp lưu lượng khơng khí và nhiên liệu đưa vào trong xy-lanh (kg/s).
�̇ �: Lưu lượng khí xả tuần hồn nạp vào động cơ (kg/s).
� � : Mơ-men xoắn động cơ.
� � : Tốc độ góc động cơ (vịng/phút).
uφ: Lượng nhiên liệu cung cấp.
uξ: Thời gian phun nhiên liệu.
uζ: Thời gian đánh lửa.
yα: Cảm biến góc mở bướm ga.
yp: Cảm biến áp suất đường ống nạp.

yλ: Cảm biến tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu.
yω: Cảm tốc độ động cơ.

3


d là đường kính của cánh bướm ga (m).
� (�): góc mở bướm ga khi tài xế đạp bàn đạp ga (0).
A(α): diện tích mở cánh bướm ga khi mở ở góc α (� 2).
� �: áp suất khí quyển (Pa).
��: áp suất đường ống nạp (Pa).
� : hằng số khí lý tưởng.
�� : nhiệt độ khơng khí (0K).
��: hệ số nạp của bướm ga.
��: nhiệt độ trong đường ống nạp (0K).
� �(� � (� ), �� (� )) là hiệu suất thể tích.
�� : áp suất đường ống xả. (Pa)
��: thể tích cơng tác của động cơ (�3).
��: thể tích buồng cháy của động cơ (�3).
N: số vịng quay trên mỗi chu kỳ (N = 2 cho động cơ 4 thì, N = 1 đối với động
cơ 2 thì).
��: tốc độ đông cơ (rad/s).
�0, �1, �2: các thông số điều chỉnh.
�: tỉ lệ khơng khí / nhiên liệu động cơ.
�0: tỉ lệ khơng khí / nhiên liệu lý thuyết và được lấy giá trị xắp xỉ 14,7.
�, �: các hằng số phụ thuộc vào tốc độ và tải của động cơ
� � : nhiệt trị thấp của nhiên liệu.
�� (� ): mơ-men động cơ.
�� (� ): tải bên ngồi động cơ.

4


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

5


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

6


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1.

Lí do chọn đề tài
Ngày nay, nhu cầu sử dụng ô tô, xe máy cũng như các chính sách bảo vệ mơi
trường khiến cho các hãng xe chạy đua với thời gian để đưa ra chiếc xe đáp ứng nhu
cầu của người dùng và mơi trường. Bên cạnh đó, sự phát triển mạnh mẽ các ứng
dụng, phần mềm trong việc thiết kế và mô phỏng, chế tạo cũng như sản xuất một
chiếc ô tô hay xe máy. Trước khi sản xuất ra một sản phẩm mấu để thực hiện các
kiểm nghiệm trong thực tế, các nhà sản xuất đều phải phác thảo 3D trên máy tính
cũng như mơ phỏng tính tốn để hạn chế những sai sót cách tối ưu nhất trên sản
phẩm mẫu, qua đó giúp tiết kiệm tài chính và hạn chế những rủi ro khi thực nghiệm.
Và để có được những sản phẩm mẫu với độ chính xác cao, cần có những phần mềm
mơ phỏng có thể tính tốn tối ưu nhất như: ESP, AVL, LabView,… và Matlab - một
phần mềm chuyên dụng cho kĩ sư, là một trong những phần mềm mô phỏng phổ
biến nhất giúp đáp ứng được yêu cầu này. Trong đó, với sự hỗ trợ của cơng cụ
Simulink trong Matlab thì việc mơ phỏng q trình điều khiển động cơ được trở nên

dễ dàng hơn.
Và “Ứng dụng Simulink-App Designer trong mô phỏng điều khiển động cơ và
thiết kế giao diện” cũng chính là đề tài mà nhóm chúng em chọn để hồn tất
chương trình Đại học tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí
Minh.
1.2.

Đối tượng phạm vi nghiên cứu

Ở đề tài này, đối tượng nghiên cứu là một động cơ đốt trong được sử dụng trên
xe máy. Từ đó khoanh vùng những nội dung cần tìm hiểu và trình bày. Phạm vi của
đề tài này là mô phỏng điều khiển động cơ theo chu trình sạc bằng phần mềm
Matlab trên mơ hình xe E-REV (Extended – Range Electric Vehicle). Và đề tài chủ
yếu chú trọng vào điều khiển tốc độ động cơ để đáp ứng sạc cho H-Battery.
1.3.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Với đề tài này nội dung chính là việc tính tốn, mơ phỏng và điều khiển hoạt
động của động cơ với những bước cơ bản như:
•

Giới thiệu lý thuyết mơ phỏng động cơ.

•

Tính tốn các hệ thống chính trên động cơ.

•

Thiết kế mơ hình mơ phỏng động cơ bằng Simulink Matlab.

•

Phát triển hệ thống điều khiển động cơ.

7


1.4.

Phương pháp nghiên cứu

Để đề tài được hoàn thành chúng em đã kết hợp nhiều phương pháp nghiên
cứu, đặc biệt là phương pháp tham khảo tài liệu, thu nhập tài liệu từ Internet, thư
viện. Học hỏi kinh nghiệm từ giảng viên hướng dẫn, từ đó có cơ sở và tìm ra những
ý tưởng mới để hoàn thành đề cương cho đề tài.
1.5.

Kế hoạch thực hiện

-

Thu thập tài liệu: thư viện, Internet.

-

Phân tích và nghiên cứu tài liệu dựa trên yêu cầu của đề tài.

-

Tham khảo ý kiến thầy cô, bạn bè.

-

Chọn lọc và sắp xếp kiến thức.

-

Viết thuyết minh và soạn slide trình chiếu.

-

Hướng dẫn, chỉnh sửa của Giáo viên hướng dẫn.

-

Hoàn thiện đề tài.

-

Nộp đề tài.

8


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.1.

Giới thiệu động cơ đốt trong 1 xy-lanh

Trong các loại động cơ nhiệt, nhiệt lượng do nhiên liệu cháy tạo ra, được
chuyển hóa thành năng lượng có ích thì động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi
nhất với số lượng lớn nhất trọng mọi lĩnh vực: giao thông vận tải (đường bộ, đường
sắt, đường thủy, đường hàng khơng..), nơng nghiệp, lâm nghiệp, cơng nghiệp, quốc
phịng…
Trong động cơ đốt trong, các quá trình cháy nhiên liệu, và chuyển biến nhiệt
năng thành cơ năng được thực hiện bên trong động cơ.
Phân loại động cơ đốt trong:
Theo quy trình nhiệt động lực học:

• Động cơ Otto.
• Động cơ Diesel.
Theo cách thức hoạt động:

• Động cơ 4 kỳ.
• Động cơ 2 kỳ.
Tạo hỗn hợp bên ngồi: Nhiên liệu và khơng khí được hịa vào nhau ở ngồi
xy-lanh, sau đó được đưa vào xy-lanh thực hiện quá trình cháy. Đại diện cho loại
này là động cơ Otto có bộ chế hịa khí hay động cơ 2 kỳ. Nếu nhiệt độ động cơ quá
cao, thời điểm đánh lửa quá sớm hay vì tự bốc cháy hỗn hợp này có thể gây ra nổ
khơng kiểm sốt được làm giảm cơng suất và gây hư hại cho động cơ. Trong lúc
được nén lại, nhiên liệu phải bốc hơi một phần để có thể cháy rất nhanh ngay sau
khi đánh lửa, tạo tốc độ vòng quay cao.
Tạo hỗn hợp bên trong: Chỉ có khơng khí được đưa vào và nén lại trong xylanh, nhiên liệu được phun vào sau đó. Do khơng có nhiên liệu nên khơng xảy ra
hiện tượng tự cháy nên có thể tăng hiệu suất bằng cách tăng tỉ số nén. Sau khi được
phun vào,nhiên liệu cần một khoảng thời gian để bốc hơi vì thế mà tốc độ vịng
quay bị giới hạn.

•
•

•
•

Theo cách chuyển động của piston.
Theo phương pháp làm mát.
Theo phương pháp cháy.
Theo hình dánh động cơ và số xy-lanh.
…

9


Ở đề tài này, ta tập trung nghiên cứu trên động cơ xăng 4 kỳ 1 xy-lanh nên ta
bỏ qua các loại động cơ khác.
Nguyên lý làm việc của một động cơ xăng 4 kỳ:
Chu trình của động cơ xăng 4 kỳ được thực hiện như sau:
- Kỳ một – Nạp: đầu kỳ hút, piston còn nằm ở ĐCT. Lúc ấy trong thể tích
buồng cháy, chứa đầy khí sót (sản vật cháy) do chu trình trước để lại, áp suất khí sót
hơi cao so với áp suất khí trời. Khi trục khuỷu quay, thanh truyền làm cho piston
chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, cơ cấu phân phối khí mở thơng đường qua xupap nạp,
nối không gian bên trên piston với đường ống nạp. Cùng với mức tăng tốc độ của
piston, áp suất môi chất bên trong xy-lanh cũng trở nên nhỏ dần so với áp suất hỗn
hợp hịa khí ở đường ống nạp (làm chênh lệch áp suất giữa đường ống nạp và xylanh). Chênh lệch áp suất kể trên tạo nên quá trình nạp trong động cơ.
- Kỳ hai – Nén: piston chuyển từ ĐCD lên ĐCT, hịa khí bên trong xy-lanh bị
nén. Cuối kỳ một khi piston ở vị trí ĐCD áp suất hịa khí trong xy-lanh cịn nhỏ hơn
áp sauast đường ống nạp. Đầu kỳ hai, piston từ ĐCD đi lên một đoạn áp suất hịa
khí trong xy-lanh mới bằng áp suất đường ống nạp. Do đó để hồn thiện q trình
ạp người ta vẫn để xupap nạp tiếp tục mở (ở một góc cho phép). Việc đóng muộn
xupap nạp như trên để nạp thêm hịa khí vào xy-lanh là nhờ tác dụng chênh lệch áp
suất như đã nói trên. Sau khi đóng xupap nạp, chuyển động đi lên của piston sẽ làm

cho áp suất và nhiệt độ hịa khí trong xy-lanh tiếp tục tăng lên. Giá trị áp suất cuối
kỳ nén phụ thuộc vào tỉ số nén, độ kín khít của của khơng gian hịa khí…Việc cháy
và bốc cháy của hịa khí trong động cơ hình thành hịa khí bên ngồi hay bên trong
động cơ đều cần một thời gian nhất định, mặc dù rất ít. Muốn tận dụng tốt nhiệt
lượng do nhiên liệu được cháy tạo ra, thì điểm bắt đầu và điểm kết thúc quá trình
cháy cần nằm ở khu vực sát ĐCT. Do đó hịa khí sẽ được cháy trước khi piston tới
ĐCT. Như vậy trong kỳ hai, bên trong xy-lanh chủ yếu thực q trình nén hịa khí.
Ngồi ra ở đầu kỳ nén còn thực hiện việc nạp thêm và cuối kỳ nén thì bugi bắt đầu
đánh lửa cháy hịa khí.
- Kỳ ba – Cháy và giãn nở: được thực hiện khí piston đi từ ĐCT xuống ĐCD.
Đầu kì ba hịa khí nạp vào xy-lanh được bốc cháy do bugi đánh lửa. Do đo nhiệt
lượng lớn được sinh ra, khiến áp suất và nhiệt độ mơi chất tăng mạnh, mặc dỳ thể
tích xy-lanh đã tăng lên chút ít. Dưới tác dụng đẩy của lực do áp suất môi chất tạo
ra, piston tiếp tục được đẩy xuống thực hiện q trình giãn của mơi chất trong xylanh. Trong q trình giãn nở mơi chất đẩy piston sinh cơng, do đó kì này cịn được
gọi là hành trình cơng tác (sinh cơng).

10


- Kỳ bốn – Xả: trong kỳ này thực hiện q trình xả sạch khí thả ra khỏi xylanh.Piston dịch chuyển từ Đ CD lên Đ CT đẩy khí thải từ xy-lanh qua xupap thải
đang mở vào ống thải. Dó áp suất môi chất trong xy-lanh cuối kỳ cháy giãn nở còn
khá cao nên xupap thải bắt đầu mở ở cuối kỳ cháy khi piston còn cách ĐCD khoảng
40 – 60 độ theo góc quay trục khuỷu. nhờ đó giảm được lực cản chuyển động của
piston trong kỳ xả và cải thiện việc quét sạch khí thải ra khỏi xy-lanh động cơ.
2.2.

Một số định nghĩa về mô phỏng:
Đối tượng (Object): là tất cả những sự vật, sự kiện mà hoạt động của con
người có liên quan tới.
Hệ thống (System): là tập hợp các đối tượng (con người, máy móc), sự kiện

mà giữa chúng có những mối quan hệ nhất định.
Trạng thái của hệ thống (State of system): là tập hợp các tham số, biến số dùng
để mô tả hệ thống tại một thời điểm và trong điều kiện nhất định.
Mô hình (Model): là một sơ đồ phản ánh đối tượng, con người dùng sơ đồ đó
để nghiên cứu, thực nghiệm nhằm tìm ra quy luật hoạt động của đối tượng hay nói
cách khác mơ hình là đối tượng thay thế của đối tượng gốc để nghiên cứu về đối
tượng gốc.
Mô hình hóa (Modeling): là thay thế đối tượng gốc bằng một mơ hình nhằm
các thu nhận thơng tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến hành các thực
nghiệm trên mơ hình. Lý thuyết xây dựng mơ hình và nghiên cứu mơ hình để hiểu
biết về đối tượng gốc gọi lý thuyết mơ hình hóa. Nếu các q trình xảy ra trong mơ
hình đồng nhất (theo các chỉ tiêu định trước) với các quá trình xảy ra trong đối
tượng gốc thì người ta nói rằng mơ hình đồng nhất với đối tượng. Lúc này người ta
có thể tiến hành các thực nghiệm trên mơ hình để thu nhận thơng tin về đối tượng.
Mô phỏng (Simulation, Imitation): là phương pháp mô hình hóa dựa trên việc
xây dựng mơ hình số (Numerical model) và dùng phương pháp số (Numerical
method) để tìm các lời giải. Chính vì vậy máy tính số là cơng cụ hữu hiệu và duy
nhất để thực hiện việc mô phỏng hệ thống. Lý thuyết cũng như thực nghiệm đã
chứng minh rằng, chỉ có thể xây dựng được mơ hình gần đúng với đối tượng mà
thơi, vì trong q trình mơ hình hóa bao giờ cũng phải chấp nhận một số giả thiết
nhằm giảm bớt độ phức tạp của mô hình, để mơ hình có thể ứng dụng thuận tiện
trong thực tế. Mặc dù vậy, mơ hình hóa ln ln là một phương pháp hữu hiệu để
con người nghiên cứu đối tượng, nhận biết các quá trình, các quy luật tự nhiên. Đặc
biệt, ngày nay với sự trợ giúp đắc lực của khoa học kỹ thuật, nhất là khoa học máy
tính và cơng nghệ thơng tin, người ta đã phát triển các phương pháp mơ hình hóa

11


cho phép xây dựng các mơ hình ngày càng gần với đối tượng nghiên cứu, đồng thời

việc thu nhận, lựa chọn, xử lý các thơng tin về mơ hình rất thuận tiện, nhanh chóng
và chính xác. Chính vì vậy, mơ hình hóa là một phương pháp nghiên cứu khoa học
mà tất cả những người làm khoa học, đặc biệt là các kỹ sư đều phải nghiên cứu và
ứng dụng vào thực tiễn hoạt động của mình.
Mơ phỏng động cơ (Simulation Engine): là xây dựng, tính tốn một động cơ
đốt trong theo một mơ hình số với các số liệu cơ bản của một động cơ đốt trong đã
được cho trước. Và từng hệ thống chính của động cơ sẽ được mơ hình hóa và những
mơ hình hóa như thế sẽ có mối liên hệ với nhau tạo thành một mơ hình và mơ hình
này sẽ mơ phỏng một động cơ hồn chỉnh.
2.3.

Phương pháp mơ phỏng động cơ

Một cuộc ngun cứu về các phương pháp mơ phỏng mơ hình hóa động cơ
cho thấy có 4 phương pháp mơ hình hóa động cơ được sử dụng phổ biến để nghiên
cứu những hoạt động của động cơ đó là:

•
•
•
•

Mơ hình giá trị trung bình (Mean Value Model-MVM).
Mơ hình hoạt động gián đoạn (Discrete Event Model-DEM).
Mơ hình xy-lanh theo xy-lanh (Cylinder by Cylinder Model-CCM).
Mơ hình lai (Hybrid Model).

2.3.1. Mơ hình giá trị trung bình (MVM)
Là mơ hình đơn giản đại diện cho hệ thống nhằm giúp chúng ta tăng khả
năng

hiểu, giải thích, thay đổi, duy trì, dự đốn và khả năng điều khiển cách ứng xử của
một hệ thống cịn là một mơ hình tốn học có nguồn gốc từ các ngun lý cơ bản
như các phương trình bảo tồn khối lượng và năng lượng. Mặc dù MVM dựa trên
một số giả định đơn giản và thời gian trung bình trong thơng số động cơ đốt trong,
nó mơ phỏng động cơ với một xấp xỉ hợp lý và cung cấp một lượng thông tin thỏa
đáng các thông tin về vật lý của năng lượng chất lỏng truyền qua hệ thống động cơ.
MVM có thể dự đốn các biến số chính bên ngồi của động cơ như tốc độ trục
khuỷu và áp suất đường ống nạp, và các biến số quan trọng bên trong, chẳng hạn
như thể tích và hiệu suất nhiệt. Thơng thường, các phương trình vi phân được sử
dụng trong MVM sẽ dự đốn dịng chảy nhiên liệu, áp suất đường ống nạp, và tốc
độ trục khuỷu. Động lực học của động cơ được mơ hình hóa và vị trí điều chỉnh
được lấy làm đầu vào và tốc độ trục khuỷu được coi là đầu ra. Mơ hình bao gồm ba
thành phần chính: thân bướm ga, đường ống nạp và động cơ. Do tính đơn giản và

12


thời gian mô phỏng ngắn, MVM được sử dụng rộng rãi để phát triển kiểm sốt động
cơ.
2.3.2. Mơ hình động cơ gián đoạn (DEM)
Là mơ hình hoạt động của một hệ thống như là một dãy gián đoạn các sự
việc
trong thời gian. Mỗi sự việc xảy ra vào một thời điểm cụ thể trong thời gian và đánh
dấu sự thay đổi trạng thái trong hệ thống. Giữa các sự việc liên tiếp, hệ thống khơng
thay đổi thì được giả định sẽ xảy ra; Do đó các mơ phỏng có thể trực tiếp bỏ qua
trong thời gian từ một sự việc ban đầu tới sự việc tiếp theo. Điều này sẽ tương phản
với mơ hình liên tục mà trong đó mơ phỏng này sẽ liên tiếp 8 theo dõi động lực học
của hệ thống theo thời gian. Thay vì dựa vào các sự việc, thì đây là mơ phỏng dựa
trên hoạt động. Thời gian được chia thành các khoảng nhỏ và trạng thái hệ thống
được cập nhật trong các hoạt động xảy ra trong khoảng thời gian đó. Bởi vì các mô

phỏng sự việc gián đoạn không phải mô phỏng mỗi lần một khoảng, nên chúng
thường có thể chạy nhanh hơn nhiều so với mô phỏng liên tục tương ứng. Một
phương pháp gần đây là cách tiếp cận ba giai đoạn để mô phỏng sự việc gián đoạn.
Trong cách tiếp cận này, giai đoạn đầu tiên là chuyển sang sự việc thời gian tiếp
theo. Giai đoạn thứ hai là thực hiện tất cả các sự việc mà khơng có điều kiện nào
xảy ra tại thời điểm đó (được gọi là Sự kiện B). Giai đoạn thứ ba là thực hiện tất cả
các sự việc có điều kiện xảy ra vào thời điểm đó (được gọi là Sự kiện C).
Phương pháp tiếp cận ba giai đoạn này là sàng lọc từ phương pháp dựa trên
sự kiện, trong đó các sự kiện này đồng thời được sắp xếp để sử dụng hiệu quả nhất
các nguồn máy tính. Phương pháp tiếp cận ba giai đoạn được sử dụng bởi một số
phần mềm mô phỏng thương mại, nhưng từ quan điểm của người dùng, các chi tiết
cụ thể của phương pháp mô phỏng cơ bản thường bị ẩn.
2.3.3. Mơ hình xy-lanh theo xy-lanh
Trong mơ hình này, các lực tác động lên piston của mỗi xy-lanh được mô
phỏng trên cơ sở các định luật vật lý. Đầu vào cho các mơ hình này là các lực tác
động vào các tổ hợp trên trục khuỷu và đầu ra là tốc độ trục khuỷu. Các lực tác
động vào các tổ hợp trên trục khuỷu được ước tính bằng áp lực được thiết lập bên
trong xy-lanh do sự cháy hỗn hợp nhiên liệu khơng khí. Mơ hình xy-lanh theo xylanh cịn là một mơ hình tốn học có nguồn gốc từ các nguyên lý cơ bản như bảo
toàn các phương trình khối lượng và năng lượng. CCM có thể dự đốn các biến số
chính bên ngồi của động cơ như tốc độ trục khuỷu và áp lực lên ống phân phối, và
các biến đổi quan trọng bên trong, chẳng hạn như thể tích và hiệu suất nhiệt.

13


Mơ hình bao gồm ba thành phần chính: mơ hình bướm ga, mơ hình hệ thống
xả, và mơ hình trục khuỷu- thanh truyền. Điều chỉnh các thông số cho phép mơ hình
được sử dụng cho các động cơ mới có liên quan. Tầm quan trọng của nghiên cứu
này là để dự đốn các thơng số hoạt động của động cơ như công việc được chỉ định,
công suất phanh và mô-men xoắn để cung cấp với dữ liệu tỷ lệ không khí nhiên liệu

và chi tiết kỹ thuật về hình học.
Phương pháp đã được lựa chọn cho dự án này là sử dụng mơ phỏng để dự
đốn các thơng số hiệu suất của động cơ. Bởi vì phương pháp này có thể tiết kiệm
thời gian và giảm tiêu hao tiền để xây dựng thiết bị thử nghiệm động cơ.
Để phát triển một hệ thống điều khiển điện tử mới cho động cơ, một mơ hình
định hướng kiểm sốt cần được đề xuất để hỗ trợ thiết kế ban đầu và phát triển cơng
việc. Mơ hình định hướng kiểm sốt phải dựa trên phương pháp xy-lanh theo xylanh, bao gồm thân bướm ga, ống xả và mơ hình trục khuỷ- thanh truyền.
Về cơ bản, phân tích này dựa vào:

• Mơ hình này dựa trên một động cơ xăng 4 kì.
• Mơ hình bao gồm mơ hình động lực của dịng khơng khí, lưu lượng nhiên
liệu và động lực học trục khuỷu.
• Mơ hình được giới hạn trong vật lý / hình học của động cơ.
• Mơ hình được sử dụng để dự đốn các thơng số hoạt động của động cơ như
cơng suất chỉ định, cơng suất có ích, mơ-men xoắn và được cung cấp dữ liệu
tỷ lệ khơng khí nhiên liệu và chi tiết kỹ thuật hình học.
• Mơ hình được sử dụng để mô phỏng động cơ hoạt động từ điều kiện tốc độ
cầm chừng cho đến khi đạt được tốc độ tối đa và tải.
2.3.4. Mơ hình lai (Hybrid Model):
Mơ hình lai diễn tả hai q trình liên tục và gián đoạn trong một hệ thống vật
lý. Trong động cơ xăng, các biến số như tốc độ trục khuỷu đại diện cho động lực
học liên tục nhưng đánh lửa lại là sự việc gián đoạn. Trong mơ hình lai, bốn xy-lanh
được coi là bốn hệ thống con độc lập và được mô phỏng như là hệ thống liên tục.
Xy-lanh khi kì sinh cơng xảy ra thì được coi như xy-lanh hoạt động, để xác định
động lực học trục khuỷu. Một chuỗi sự xuất hiện của quá trình làm việc trong bốn
xy-lanh được định nghĩa như là một loạt các sự việc gián đoạn. Việc vận hành của
động cơ xăng được xác định bởi sự kết hợp của cả hai.
Mô hình lai được coi là mơ hình của bốn q trình động cơ tức là hút, nén,
sinh cơng và xả như bốn hệ thống liên tục. Các hệ thống liên tục tương tự cũng
được xem xét trong DEM cũng có thể được coi là một mơ hình lai. Trong mơ hình

14


này, mỗi xy-lanh của động cơ được xem như là hệ thống con độc lập nhận năng
lượng phát sinh do sự cháy của hỗn hợp nhiên liệu khơng khí như đầu vào và
chuyển động của piston trong xy-lanh động cơ được coi là đầu ra. Các hệ thống con
này được biểu diễn dưới dạng các hệ thống tuyến tính và động cơ xăng hoàn chỉnh
được xem như là một tập hợp các hệ thống con. Các hệ thống con này đang làm
việc mạch lạc để tạo ra đầu ra là động cơ thuần t. Các mơ hình của hệ thống phụ
của mơ hình lai dự kiến sẽ được thực hiện trong điều kiện trạng thái ổn định, khi
vận tốc của hệ thống là tương đối ổn định. Đồng thời, thời gian mà hệ thống con
cung cấp cho đầu ra của nó là đủ nhỏ. Thời gian của các tín hiệu để bơm nhiên liệu,
cháy nhiên liệu và các thành phần khác của động cơ được điều khiển bởi (Electronic
Control Unit-ECU) để đảm bảo việc tạo ra công suất trong mỗi xy-lanh theo thứ tự
xác định và phù hợp. Việc xây dựng mơ hình lai của các tiểu hệ thống sẽ được thực
hiện dưới các giả định sau đây.
Giả định mô hình:

• Động cơ đang hoạt động trong điều kiện ổn định ở tải khơng đổi.
• Tỷ lệ nhiên liệu khơng khí là hệ số lý tưởng.
• Hỗn hợp nhiên liệu khơng khí bị cháy bên trong động cơ xy-lanh ở đầu kì
sinh
cơng và năng lượng được bổ sung ngay lập tức trong xy-lanh dẫn đến tăng
năng lượng bên trong. Năng lượng bên trong này được thay đổi để hoạt động
với tốc độ không đổi và cung cấp năng lượng cho một bộ phận dự trữ (bánh
đà).
• Bất cứ lúc nào cũng sẽ có một xy-lanh sẽ nhận được tín hiệu đầu vào để hoạt
động và chịu lực trên piston và các xy-lanh khác bị động do quá trình hút,
nén và xả góp phần cho mơ-men xoắn tải động cơ.

• Tất cả bốn xy-lanh đều giống hệt nhau và được mô tả bằng mơ hình tốn học
tương tự

15


CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG BẰNG PHƯƠNG PHÁP
MƠ HÌNH HĨA GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH (MVM)
3.1.

Giới thiệu về MVM của động cơ xăng (SI Engines):
Sơ đồ các hệ thống cơ bản của động cơ xăng gồm các hệ thống được mơ
phỏng bằng phương pháp MVM.

Hình 3.1: Tóm tắt hệ thống động cơ xăng theo mơ hình giá trị trung bình
Từ sơ đồ, ta có thể hiểu được những thành phần chính để hình thành một động
cơ xăng :

•
•
•
•
•
•

Khối lượng khí trong đường ống nạp và đường ống xả.
Năng lượng bên trong đường ống nạp và đường ống xả.
Khối lượng nhiên liệu trên thành ống nạp (ảnh hưởng của độ ẩm thành ống).
Động năng của trục khuỷu và bánh đà của động cơ.
Sự suy giảm kỳ sinh công trong q trình cháy.

Độ trễ của việc sinh cơng trong q trình cháy.
Và hình 3.2 dưới đây sẽ chỉ rõ từng hệ thống trên động cơ xăng.

16


Hình 3.2: Sơ đồ nguyên nhân và kết quả của một hệ thống động cơ xăng
Hình 3.2 cho thấy sơ đồ nguyên nhân và kết quả đơn giản của một động cơ
xăng (giả sử các điều kiện đẳng nhiệt trong đường ống nạp và mơ hình đường ống
xả như một hệ thống thuần tuý). Trong sơ đồ nguyên nhân và kết quả, các nguồn
được đề cập dưới dạng các khối có bóng màu đen. Giữa các khối nguồn này, dịng
chảy được xác định bởi các khối tĩnh màu xám, các cấp độ của nguồn xác định kích
thước của các dịng chảy này.
Mỗi khối được chia thành nhiều phần khác nhau sẽ được thảo luận trong các
phần được chỉ ra trong các khung vuông tương ứng. Tuy nhiên, các kết nối quan
trọng nhất đã được nhìn thấy trong biểu diễn này. Cả đường dẫn khí và nhiên liệu
đều ảnh hưởng đến quá trình cháy, trong khi sự đánh lửa ảnh hưởng trực tiếp đến sự

17


cháy. Các biến đầu ra chính của q trình cháy là mơ-men xoắn , nhiệt độ khí thải ,
và tỷ số khơng khí / nhiên liệu λ.
Các ký hiệu được sử dụng trong hình 3.1, 3.2:
: Lưu lượng khơng khí đi qua bướm ga.
: Lưu lượng khơng khí trong đường ống nạp đi vào động cơ.
: Áp suất trong đường ống nạp.
: Lưu lượng nhiên liệu được phun bởi kim phun.
: Lưu lượng nhiên liệu đưa vào động cơ.
: Hỗn hợp lưu lượng khơng khí và nhiên liệu đưa vào trong xy-lanh.

(với

).

: Mơ-men xoắn động cơ.
: Tốc độ góc động cơ.
λ: Tỉ lệ nhiên liệu khơng khí.
uφ: Lượng nhiên liệu cung cấp
uξ: Thời gian phun nhiên liệu.
uζ: Thời gian đánh lửa.
uα: Vị trí bàn đạp ga.
yα: Cảm biến góc mở bướm ga.
yp: Cảm biến áp suất đường ống nạp.
yλ: Cảm biến tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu.
yω: Cảm biến tốc độ động cơ.
3.2.

Hệ thống nạp trên động cơ

3.2.1. Lưu lượng khí nạp đi qua bướm ga
Trong phần này, ta sẽ phát triển khai hình động học giá trị trung bình cho
đường ống nạp của động cơ. Mục tiêu là để rút ra được các phương trình tốn học
mơ tạ lượng khí đi vào ống nạp với góc mở bướm ga và tốc độ động cơ cho trước.
Hình 3.3 thể hiện khái quát đường ống nạp. Từ đó, cho ta biết được những đối
tượng quan trọng cần được mơ hình hóa như thân bướm ga, đường ống nạp, sự hút
khí vào xy-lanh.

18

Hình 3.3: Khái quát hệ thống nạp trên động cơ
Lưu lượng khí đi qua bướm ga, , là một hàm theo hai biến: tiết diện dịng khí
đi qua và tỉ số áp suất qua bướm ga. Tiết diện dịng khí đi qua chính là hiệu giữa
diện tích mặt cắt thân ống nạp và phần tiết diện bị chặn bởi cánh bướm ga. Tiết diện
bị chặn bới cánh bướm ga phụ thuộc vào góc mở bướm ga , và biết rằng ống nạp và
cánh bướm ga có cùng hình dạng đường trịn với đường kính . Do vậy, tiết diện
dịng khí đi qua được thể hiện bằng mối quan hệ sau:
(3.1)
Giả sử rằng áp suất khí trời và nhiệt độ khí trời lần lượt là . là hệ số nạp và là
hệ số đoạn nhiệt. Giả sử dịng khí là dịng chảy nén, lưu lượng khí nạp sẽ được tính
bởi mối quan hệ động lực học cho sự giãn nở đẳng entropy như sau:
(3.2)
Hàm được định nghĩa như sau:
(3.3)
Với : Là áp suất tới hạn tại đây dòng chảy đạt điều kiện sóng âm (sonic) ở
phần hẹp nhất trong ống. Kết quả, ta có các giả thiết như sau:

• Các hiện tượng dịng chảy đều khơng có hướng;
• Các điều kiện độc lập hồn tồn;
• Khơng có ảnh hưởng qn tính trong dịng chảy;
• Khơng có mất mát trong q trình tăng tốc ở điểm hẹp nhất ( tất cả thế năng
được tích trong dịng chảy được chuyển thành động năng theo đẳng entropy);
• Sau điểm hẹp nhất, dịng chảy hồn tồn hỗn loạn và tồn bộ năng lượng động
học có được trong phần đầu tiên sẽ bị phân tán thành năng lượng nhiệt.
Hệ quả của các giả thiết trên cho ta áp suất tại điểm hẹp nhất bằng (xấp xỉ) với
áp suất đường ống nạp , và nhiệt độ trước và sau vào ống nạp là như nhau . Tổng
quan thân bướm ga như hình 3.4 dưới đây:

19

Hình 3.4: Khái qt thân bướm ga
3.2.2. Lưu lượng khí nạp đi vào xy-lanh
Về việc mơ hình hóa sự hút khí vào xy-lanh, động có thể được xem như một
bơm thể tích, ví dụ như một thiết bị ép thể tích của dịng chảy tương ứng với tốc độ
của nó. Trong trường hợp này, cơng thức cho dịng khí này được trình bày như sau:
(3.4)
Trong đó:

•
•

, mật độ khơng khí trong đường ống nạp (liên quan đến áp suất đường ống và nhiệt
độ bởi định luật khí lí tưởng)
, hiệu suất thể tích, được tính bằng tích của hiệu suất thể tích theo áp suất và hiệu
suất thể tích theo tốc độ động cơ với cơng thức:
(3.5)
Trong đó hiệu suất thể tích theo áp suất:
(3.6)
Với là thể tích buồng cháy, áp suất khí xả.
Ngồi ra, hiệu suất thể tích theo tốc độ sẽ là các giá trị dựa trên đồ thị thực
nghiệm sau:

20


Hình 3.5: Hiệu suất thể tích theo tốc độ

• , thể tích cơng tác.
• N, số vịng quay trục khuỷu mỗi chu trình ( N=2 với động cơ 4 kì, N=1 với

động cơ 2 kì, trong phần mơ phỏng này sẽ là động cơ 4 kì).
3.2.3. Động lực học đường ống nạp
Động lực học đường ống nạp được mô phỏng bằng việc lấp đầy và làm trống
(Filling and Emptying) không khí trong đường ống nạp. Động lực học áp suất
đường ống nạp được tạo ra bằng cách làm đầy đường ống nạp bằng lưu lượng
khơng khí đi qua bướm ga () và và làm trống đường ống nạp bằng hút khơng khí
vào trong động cơ và đó được gọi là lưu lượng khơng khí đi vào xy-lanh động cơ .
Ở đây và R lần lượt là áp suất, thể tích, nhiệt độ, khối lượng khơng khí trong đường
ống nạp và là hằng số khí lí tưởng . Sử dụng phương trình khí lý tưởng cho đường
ống nạp, điều này có thể được trích dẫn như sau:
(3.7)
Trong đó:
(3.8)
Phương trình có nghĩa dưới những giả thiết như sau:

21


• Ống nạp đồng chất
• Khơng có rị rỉ trên đường ống nạp
• Nhiệt độ ống nạp là cố định

Hình 3.6: Khái quát đường ống nạp
3.3.

Hệ thống nhiên liệu trên động cơ xăng

Đường ống nhiên liệu cung cấp xy-lanh lượng nhiên liệu cần thiết cho chu
trình cháy. Ngày nay, các hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp hay gián tiếp đều đang
được sử dụng. Phun nhiên liệu trực tiếp là kiểu dẫn nhiên liệu thẳng vào buồng đốt (

kiểu này có thể ở động cơ Diesel và động cơ phun xăng đánh lửa), trong khí đó kiểu
phun gián tiếp có thể được coi là phun là trên đường ống nạp (ví dụ như trước
xupap nạp,…) ở động cơ phun xăng đánh lửa hay kiểu phun trước buồng đốt ở động
cơ Diesel. Hầu hết các động cơ Diesel được thiết kế với kiểu phun trực tiếp và động
cơ xăng với kiểu phun trên đường ống nạp.và trong phần mô phỏng này, chúng ta sẽ
thảo luận về kiểu phun xăng trên đường ống nạp của động cơ phun xăng đánh lửa.

22


3.3.1. Động lực học nhiên liệu bám vào đường ống nạp (Wall-Wetting Dynamics)

Hình 3.7: Mơ hình nhiên liệu bám vào thành ống nạp
Một trong những ảnh hưởng quan trọng nhất của đường ống nhiên liệu là hiện
tượng nhiên liệu bám trên thành ống nạp. Nhiên liệu lỏng được phun từ kim phun sẽ
khơng hồn tồn đi hết vào xi lanh ở kì nạp kế tiếp. Một phần nhiên liệu sẽ bám lên
thành ống nạp và mặt lưng của xupap nạp . Dĩ nhiên một phần của nhiên liệu bị
dính trên ống nạp đó cũng sẽ bị bay hơi và cho ta sự cần bằng khối lượng như sau:
(3.9)
Và
(3.10)
Trong đó, là lượng nhiên liệu từ kim phun. Tuy nhiên sẽ có 1 phần nhiên liệu
này dính trên thành ống tạo một màng nhiên liệu mỏng. Vì thế, ta có k biểu thị cho
phần nhiên liệu bám trên thành ống, và ) là khối lượng màng nhiên liệu bám trên
ống. Vì thế, phần nhiên liệu đi vào xy-lanh là , chính bằng tổng của lượng nhiên liệu
không bám trên thành ống, (1-k) và lượng hơi nhiên liệu bay hơi từ phần bám trên
thành . Giả sử, lượng bay hơi có tỉ lệ trực tiếp đến lượng nhiên liệu bám trên ống .
Và biểu thị phần bay hơi. Ngoài ra, và k là hàm số theo hai biến: số vòng quay, N
và áp suất đường ống nạp như sau:
(3.11)

Hoặc ta cũng có thể dựa trên bản đồ thực nghiệm sau:

23


Hình 3.8: Dữ liệu thực nghiệm các hệ số τ và k
3.3.2. Sự hịa trộn khơng khí và nhiên liệu

Hình 3.9: Sự hịa trộn khơng khí và nhiên liệu
Trong phần mô phỏng này, Tỉ số AFR sẽ được xác định bởi thương số giữa
lượng khơng khí và nhiên liệu đi vào xy-lanh. Và hệ số là tỉ số giữa AFR thực tế và
AFRs lí thuyết.
A/F=

(3.12)

Trong đó:

• là lượng khơng khí đi vào xy-lanh.
• là lượng nhiên liệu đi vào xy-lanh.
• AFRs là tỉ số khơng khí và nhiên liệu trong phịng thí nghiệm, .

24


3.4.

Phương pháp xác định mô-men và tốc độ động cơ

3.4.1. Tính tốn mơ-men xoắn

Mục đích cơ bản của một động cơ là để sinh ra cơng suất. Và mơ-men có thể
thay đổi tùy ý với điều kiện hỗn hợp trong xy-lanh hay hỗn hợp cháy có thể thay đổi
tùy ý. Mơ-men trung bình của động cơ là một hàm tuyến tính theo nhiều biến như
khối lượng nhiên liệu trong xy-lanh, tỉ số A/F, tốc độ động cơ, thời gian đánh lửa và
thời gian phun,…
(3.13)
Việc mô phỏng chi tiết phần nhiệt động lực học là cần thiết để dự đốn chính
xác mơ-men của động cơ. Tuy nhiên với mục đích điều khiển, thì việc mơ phỏng
này là q mất nhiều thời gian. Vì thế, một hướng tiếp cách khác đã được nhắm
đến. Có một giải pháp hiển nhiên là vẽ ra đồ thị của các điều kiện hoạt động của
động cơ dựa trên việc đơ lường và tính tốn mơ-men động cơ ở mức chính xác nhất,
sau đó lưu trữ dữ liệu cho các mục đích dử dụng sau này. Tuy nhiên vì một vài lí do
về thời gian tính tốn, phương pháp này là không thực tiễn. Một các khác, một cách
đầy hứa hẹn hơn đó là nhìn sâu vào bản chất vật lí để chia các yếu tố ảnh hưởng
thành các biến và để chia các phần mơ hình hóa thành các vấn đề dễ giải quyết hơn.
Trước khi thảo luận sâu hơn về hướng tiếp cận này, cần phải nắm được hai
định nghĩa sau. Vì mơ-men phụ thuộc vào kích thước động cơ, như thể tích cơng tác
được dùng trong cơng thức tính áp suất có ích trung bình:
(3.14)
Và áp suất có ích trung bình của nhiên liệu:
(3.15)
Trong đó, khối lượng nhiên liệu, với nhiệt trị thấp để đốt cháy hết 1 kg nhiên
liệu trong chu trình cháy, trong cơng thức trên được dùng để tính khối lượng nhiên
liệu trung bình như sau:
(3.16)
Áp suất có ích trung bình là áp suất tác dụng lên piston trong suất kì giãn nở
để sản sinh một lượng công khi động cơ thực hiện 2 vòng quay (động cơ 4 xilanh).
Áp suất có ích trung bình của nhiên liệu là áp suất áp suất có ích trung bình mà
động cơ hoạt động với hiệu suất bằng 1 sẽ sinh ra với lượng nhiên liệu cháy trong
mỗi chu trình động cơ (tồn bộ nhiệt năng được biến đổi thành cơ năng).

Rõ ràng, hiệu suất của động cơ có thể được viết như sau:

25