Ứng dụng matlab trong mô phỏng động cơ đốt trong

LỜI CẢM ƠN
Lời nói đầu tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn đến ban giám hiệu cùng với quý
thầy cô trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã hết lịng giảng
dạy và truyền đạt những kiến thức quý giá về học tập cũng nhƣ về đạo đức cho chúng em.
Chúng em xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ Khí Động Lực Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ
Thuật TP. Hồ Chí Minh cùng tất cả các q thầy giáo, cơ giáo đã tận tình giảng dạy và
giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu.
Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Th.S Huỳnh Quốc Việt ngƣời
đã trực tiếp hƣớng dẫn, đề ra phƣơng hƣớng và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ chúng
em trong quá trình thực hiện đề tài tốt ngiệp này.
Xin cảm ơn thầy phản biện TS. Lý Vĩnh Đạt đã bỏ thời gian và cơng sức để đọc
và đóng góp ý kiến q báo nhằm giúp chúng em hoàn thành tốt nội dung của đồ án tốt
nghiệp.
Để chúng em có đƣợc ngày hơm nay, không thể quên đƣợc công lao to lớn của gia
đinh và bạn bè đã động viên, khuyến khích chúng em tự tin trong cuốc sống cũng nhƣ cố
gắng vƣơn lên trong học tập.
Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn và kính chúc q thầy cơ Trƣờng
Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh dồi dào sức khỏe, niềm vui và đầy
nhiệt huyết vời nghề giáo để góp phần vào sự nghiệp trăm năm trồng ngƣời và đặc biệt
chúng em xin gửi đến quý thầy cơ khoa Cơ Khí Động Lực lời chúc sức khỏe, hạnh phúc
và luôn thành công trong công việc lẫn đời sống.
Tuy đã có nhiều cố gắng, nhƣng chắc rằng đề tài của chúng em vẫn có nhiều thiếu
sót, rất mong đƣợc sự góp ý của các thầy cơ giáo trong khoa Cơ Khí Động Lực và cùng
với các bạn để tề tài này ngày càng đƣợc tồn diện.
Nhóm sinh viên thực hiện:
Nguyễn Xuân Bách
Nguyễn Quốc Trung

i

MỤC LỤC
Trang

Lời cảm ơn ...................................................................................................................... i
Mục lục ........................................................................................................................... ii
Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu............................................................................. v
Danh mục các hình ....................................................................................................... ..vii
Danh mục các bảng ......................................................................................................... x
Chƣơng 1. TỔNG QUAN ............................................................................................. 1
1.1. Lý do chọn đề tài...................................................................................................... 1
1.2. Phƣơng pháp nguyên cứu ........................................................................................ 1
1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu. ......................................................................... 1
1.4. Phƣơng pháp nguyên cứu. ....................................................................................... 2
1.5. Kế hoạch thực hiện. ................................................................................................. 2
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG. ........... 3
2.1. Giới thiệu lý thuyết về mô phỏng động cơ. ............................................................. 3
2.1.1. Giới thiệu về động cơ đốt trong. ................................................................... 3
2.1.2. Một số định nghĩa về mô phỏng .................................................................... 5
2.2. Các phƣơng pháp mơ phỏng động cơ. ..................................................................... 7
2.1.1. Mơ hình động cơ giá trị trung bình (MVM). ................................................. 7
2.1.2. Mơ hình động cơ gián đoạn (DEM). .............................................................. 7
2.1.3.Mơ hình xi lanh theo xi lanh (CCM) .............................................................. 8
2.1.4. Mơ hình lai. .................................................................................................... 9

ii


Chƣơng 3. TÍNH TỐN ĐỘNG CƠ BẰNG PHƢƠNG PHÁP GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH
(MVM). ......................................................................................................................... 11
3.1. Giới thiệu về MVM của động cơ xăng đánh lửa................................................... 13

3.2. Hệ thống nạp trên động cơ. .................................................................................... 16
3.2.1. Lƣu lƣợng khí nạp đi vào bƣớm ga. ............................................................. 16
3.2.2. Lƣu lƣợng khí nạp đƣa vào động cơ…………………………………….....18
3.2.3. Động lực học đƣờng ống nạp. ...................................................................... 19
3.2.4. Lƣu lƣợng khí thải nạp lại vào động cơ ...................................................... 20
3.3. Hệ thống nhiên liệu đông cơ xăng. ........................................................................ 22
3.3.1. Sự hịa trộn khơng khí nhiên liệu. ................................................................ 23
3.3.2. Động lực học nhiên liệu thấm vào đƣờng ống nạp. ..................................... 24
3.4. Phƣơng pháp xác định mô mem và tốc độ động cơ. ................................................ 26
3.4.1. Tính tốn mơ-men xoắn. ................................................................................ 26
3.4.2. Tính tốn tổn thất do ma sát và trao đổi khí .................................................. 28
3.4.3. Hiệu suất nhiệt động lực học đơng cơ ........................................................... 29
3.4.4. Tính tốn tốc độ động cơ ............................................................................... 35
Chƣơng 4. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ BẰNG PHƢƠNG PHÁP GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH
TRÊN SIMULINK.......................................................................................................... 36
4.1. Tổng quan các hệ thống của động cơ trên phần mền mô phỏng Simulink. ............. 37
4.2. Mơ phỏng hệ thống bƣớm ga và khơng khí nạp vào động cơ. ................................ 38
4.2.1. Mô phỏng lƣu lƣợng khơng khí đi qua bƣớm ga (Air mass flow Throttle) ... 39
4.2.2. Mơ phỏng lƣu lƣợng khơng khí trong đƣờng ống nạp để đƣa vào động cơ. (Air
mass flow intake Manifold) ............................................................................................ 41
4.2.3. Mơ phỏng lƣợng khơng khí xả để đƣa vào đốt lại trong xy-lanh. .................. 42
4.3. Mô phỏng hệ thống lƣu lƣợng nhiên liệu của động cơ. ........................................... 44
4.4. Mô phỏng Mômen xoắn động cơ. ............................................................................ 47
4.4.1. Mô phỏng tổn thất năng lƣợng trong động cơ ................................................ 48
4.4.2. Mô phỏng hiệu suất trong động cơ ................................................................. 49

iii


4.5. Mô phỏng tốc độ của động cơ.................................................................................. 50

4.6. Bộ điều khiển PID.................................................................................................... 51
4.6.1.Giới thiệu về PID ............................................................................................ 51
4.6.2. Các khâu thành phần trong bộ điều khiển PID .............................................. 52
4.6.3. Bộ điều khiển PID trong mô phỏng bằng Simulink ...................................... 57
4.7. Kết quả của việc mô phỏng động cơ bằng Simulink. .............................................. 59
4.7.1. Đồ thị tốc độ và bƣớm ga của động cơ sau khi đƣợc mô phỏng ................... 59
4.7.2. Các đồ thị khác............................................................................................... 70
Chƣơng 5. SỬ DỤNG PHẦN MỀN GUI ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MÔ PHỎNG SIMULINK.
......................................................................................................................................... 72
5.1. Khởi tạo chƣơng trình Gui trong Matlab ................................................................. 72
5.2. Mơ hình Gui để điều khiển mô phỏng động cơ trên Simulink. ............................... 73
CHƢƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. ................................................................. 76
6.1. Kết luận .................................................................................................................... 76
6.2. Kiến nghị. ................................................................................................................. 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO. ............................................................................................. 77

iv


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
1. Các chữ viết tắt:
ĐCT: Điểm chết trên.
ĐCD: Điểm chết dƣới.
ECU: Electronic Control Unit.
SI: Spark-Ignited..
CCM: Mean Value Model.
DEM: Discrete Event Model.
CCM: Cylinder by Cylinder Model.
EGR: Exhaust gas recirculation.
MBT: maximum break torque.

2. Các ký hiệu:
̇ : Lƣu lƣợng khơng khí đi qua bƣớm ga (kg/s).
̇ : Lƣu lƣợng khơng khí trong đƣờng ống nạp đi vào động cơ (kg/s).
: Áp suất trong đƣờng ống nạp (Pa).
̇ : Lƣu lƣợng nhiên liệu đƣợc phun bởi kim phun (kg/s).
̇ : Lƣu lƣợng nhiên liệu đƣa vào động cơ (kg/s).
̇ : Hỗn hợp lƣu lƣợng không khí và nhiên liệu đƣa vào trong xy-lanh (kg/s).
̇ : Lƣu lƣợng khí xả của động cơ (kg/s).
̇ : Lƣu lƣợng khí xả tuần hồn nạp vào động cơ (kg/s).
: Mơ-men xoắn động cơ.
: Tốc độ góc động cơ (vịng/phút).
: Nhiệt độ khí xả của động cơ (0K).
uφ: Lƣợng nhiên liệu cung cấp.
uξ: Thời gian phun nhiên liệu.
uδ: Thời gian đánh lửa.
uα: Vị trí bàn đạp ga.
yα: Cảm biến góc mở bƣớm ga.
yp: Cảm biến áp suất đƣờng ống nạp.

v


yλ: Cảm biến tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu.
yω: Cảm tốc độ động cơ.
là diện tích mặt cắt ngang của cánh bƣớm ga (

).

d là đƣờng kính của cánh bƣớm ga (m).
là góc mở bƣớm ga khi tài xế đạp bàn đạp ga (0).

A(α) là diện tích mở hiệu quả cho khơng khí đi qua cánh bƣớm ga khi mở ở góc α (

).

là góc mở bƣớm ga ở chế độ cầm chừng (0).
(

) là hàm phí tuyến tính.

là áp suất khí quyển (Pa)
áp suất đƣờng ống nạp. (Pa)
là hằng số khí lý tƣởng
là nhiệt độ khơng khí (0K)
là hệ số nạp của bƣớm ga.
là nhiệt độ trong đƣờng ống nạp. (0K)
(

) là hiệu suất thể tích.

: áp suất đƣờng ống xả. (Pa)
là thể tích cơng tác của động cơ (

).

là thể tích buồng cháy của động cơ (

).

N là số vòng quay trên mỗi chu kỳ (N = 2 cho động cơ 4 thì, N = 1 đối với động cơ 2 thì).
là tốc độ đơng cơ. (rad/s).

là các thơng số điều chỉnh.
là tỉ lệ khơng khí / nhiên liệu động cơ.
là tỉ lệ khơng khí / nhiên liệu lý thuyết và đƣợc lấy giá trị xắp xỉ 14,7.
̇

lƣu lƣợng nhiên liệu hút vào trong xy-lanh (Kg/s).
̇

lƣu lƣợng nhiên liệu bám ở trƣớc cổng nạp và trên mặt sau xu-páp nạp (Kg/s).
là các hằng số phụ thuộc vào tốc độ và tải của động cơ, cũng nhƣ trên nhiều biến số

khác (nhiệt độ nhiên liệu trung bình Tf, v.v..).
là nhiệt trị thấp của nhiên liệu.
là mô-men động cơ.
là tải bên ngoài động cơ.
vi


DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 3.1. Tín hiệu đầu vào và đầu ra của hệ thống chính trong mơ hình điều khiển của
động cơ xăng ................................................................................................................... 12
Hình 3.2. Tóm tắt hệ thống động cơ xăng theo mơ hình giá trị trung bình .................... 13
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên nhân và kết quả của một hệ thống động cơ xăng ..................... 14
Hình 3.4. Mơ hình lƣu lƣợng đi qua cánh bƣớm ga ....................................................... 18
Hình 3.5. Định nghĩa của các biến số cho mơ hình EGR ............................................... 20
Hình 3.6. Định nghĩa của các biến trong phần tỷ lệ khơng khí / nhiên liệu ................... 23
Hình 3.7. Mơ hình nhiên liệu bám vào đƣờng ống nạp .................................................. 24

Hình 3.8. Ví dụ về các bản đồ thu đƣợc từ thực nghiệm của các hệ số k, τ đƣợc sử dụng
Động cơ làm nóng hồn tồn (1,8 lít, 4 xy lanh, 16 lít) .................................................. 25
Hình 3.9. Mơ hình về hiệu suất động cơ của Affine Willans ......................................... 28
Hình 3.10. Tốc độ động cơ ảnh hƣởng đến hiệu suất tốc độ .......................................... 30
Hình 3.11. Đƣa ra dạng

cho các giá trị tham số thực tế......................................... 31

Hình 3.12. Ảnh hƣởng của độ lệch góc độ đánh lửa từ ban đầu và góc đánh lửa tối ƣu đến
mơ-men động cơ. Ở tốc độ động cơ liên tục từ không tải đến điều kiện tải đầy đủ ....... 32
Hình 3.13.Ảnh hƣởng của tỉ số nén ε lên hiệu suất eε .................................................... 33
Hình 3.14. Ảnh hƣởng của tỷ lệ EGR lên hiệu quả động cơ SI ...................................... 34
Hình 4.1. Tổng quan của các bộ phận động cơ đƣợc mô phỏng dƣới dạng các khối
simulink........................................................................................................................... 37
Hình 4.2: Khối hệ thống nạp của động cơ (Intake System) ............................................ 38
Hình 4.3: Khối Simulink mơ phỏng lƣu lƣợng khơng khí đi qua bƣớm ga (Air mass flow
Throttle) .......................................................................................................................... 40
Hình 4.4. Tỉ lệ áp suất đƣờng ống nạp và áp suất khí trời ảnh hƣởng đến hệ thống nạp .41
Hình 4.5. Khối mơ phỏng lƣu lƣợng khơng khí trong đƣờng ống nạp ........................... 42
Hình 4.6. Khối mơ phỏng lƣu lƣợng khí xả của động cơ ............................................... 43
Hình 4.7. Mơ phỏng phần lƣu lƣợng khí xả nạp lại cho động cơ ................................... 44
vii


Hình 4.8. Mơ phỏng khối lƣu lƣợng nhiên liệu động cơ ................................................ 45
Hình 4.9. Mơ phỏng khối nhiên liệu bị thấm thốt khí phun vào đƣờng ống nạp .......... 46
Hình 4.10. Mơ phỏng q trình sinh ra Mơmen xoắn của động cơ ................................ 47
Hình 4.11. Mơ phỏng giá trị áp suất mất mát của động cơ ............................................. 48
Hình 4.12. Mơ phỏng tính tốn hiệu suất động cơ.......................................................... 49
Hình 4.13. Mơ phỏng động lực học của động cơ............................................................ 50

Hình 4.14. Mơ phỏng Mơmen tải động cơ...................................................................... 50
Hình 4.15. Sơ đồ hệ thống điều khiển PID ..................................................................... 51
Hình 4.16. Sự thay đổi giá trị

ảnh hƣởng đên hệ thống điều khiển PID ................... 53

Hình4.17. Sự thay đổi giá trị

ảnh hƣởng đến hệ thống điều khiển PID ..................... 55

Hình 4.18. Sự thay đổi giá trị

ảnh hƣởng đên hệ thống điều khiển PID ................... 56

Hình 4.19. Khối điều khiển PID trong Simulink Matlab ................................................ 57
Hình 4.20. Bảng điều khiển giá trị của bộ điều khiển PID ............................................. 57
Hình 4.21. Hình thể hiện bảng điều chỉnh Tuner của bộ điều khiển PID ....................... 58
Hình 4.22. Đồ thị tốc độ của động cơ khi cho động cợ chạy 2000 vịng/phút ............... 59
Hình 4.23. Đồ thị thể hiện dao động tốc độ khi động cơ hoạt động ở tốc độ 2000
vịng/phút ........................................................................................................................ 60
Hình 4.24. Đồ thị góc mở bƣớm ga khi động cơ hoạt động ở 2000vòng/phút ............... 61
Hình 4.25. Đồ thị tốc độ động cơ khi hoạt động ở 2000 vịng/phút và tăng tải động cơ.62
Hình 4.26. Đồ thị thể hiện dao động tốc độ khi động cơ hoạt động ở tốc độ 2000
vịng/phút có tăng tải ....................................................................................................... 63
Hình 4.27. Đồ thì góc mở bƣớm ga thay đổi ở tốc độ 2000 vòng/phút khi tăng tải động cơ
......................................................................................................................................... 64
Hình 4.28. Đồ thị tốc độ của động cơ khi cho động cợ chạy 5000 vịng/phút ............... 65
Hình 4.29. Đồ thị thể hiện dao động tốc độ khi động cơ hoạt động ở tốc độ 5000
vịng/phút ........................................................................................................................ 66
Hình 4.30. Đồ thì góc mở bƣớm ga thay đổi ở tốc độ 5000 vịng/phút .......................... 67

Hình 4.31. Đồ thị tốc độ của động cơ khi cho động cợ chạy 5000 vòng/phút khi tăng
thêm tải............................................................................................................................ 67
viii


Hình 4.32. Đồ thị thể hiện dao động tốc độ khi động cơ hoạt động ở tốc độ 5000
vòng/phút khi tăng tải ..................................................................................................... 68
Hình 4.33. Sự thay đổi góc mở bƣớm ga khi tăng tải và tốc độ động cơ ở 5000 vịng/phút
......................................................................................................................................... 69
Hình 4.34. Đồ thị áp suất đƣờng ống nạp ....................................................................... 70
Hình 4.35. Đồ thị lƣu lƣợng khơng khí đi qua bƣớm ga ................................................ 70
Hình 4.36. Đồ thị lƣu luƣợng nhiên liệu đi vào xy-lanh................................................. 71
Hình 4.37. Đồ thị Mơmen xoắn động cơ ........................................................................ 71
Hình 5.1. Giao diện khi khởi động Gui .......................................................................... 72
Hình 5.2. Giao diện làm việc của Gui............................................................................. 72
Hình 5.3. Giao diện GUI điểu khiển mơ phỏng động cơ trên Simulink ......................... 73
Hình 5.4. Phần thiết kế điều khiển Gui sau khi chạy ...................................................... 74
Hình 5.5. Giao diện Gui khi vẽ đồ thị ............................................................................. 75

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang

Bảng 3.1.Các thơng số của mơ hình ma sát ETH ........................................................... 29
Bảng 4.1. Các thông số của động cơ xăng ...................................................................... 36

x

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 . Lý do chọn đề tài.
Song song với sự phát triển của các hãng ô tô trên toàn thế giới kèm theo sự phát triển
mạnh mẽ của công nghệ và các ứng dụng của các phần mềm trong việc thiết kế, mô
phỏng, chế tạo cũng nhƣ sản xuất một chiếc ô tô. Cũng với việc sản xuất đƣợc một bộ
phận nào đó bạn cần đƣa ra một bản thiết kế để chế tạo và động cơ của một chiếc xe cũng
vậy khơng những nó cần một bản thiết kế trƣớc mà cần cả việc tính tốn mô phỏng để
đƣa ra các giá trị mong muốn Mô-men xoắn, tốc độ… cần thiết cho phù hợp với loại
động cơ, cho những cách sử dụng chiếc xe khác nhau. Và để phục vụ cho việc mô phỏng
động cơ ô tơ thì phần mềm mơ phỏng rất quan trọng đến việc ảnh hƣởng đến độ chính
xác của một loại động cơ, hiện nay có khá nhiều phần mềm để có thể tính tốn và mơ
phỏng động cơ có độ chính xác cao nhƣ Labview, Maplesim … và đặt biệt một phần
mềm thơng dụng với tất cả chúng ta và nó đáp ứng hầu hết các yêu cầu, đòi hỏi sự chính
xác cho việc tính tốn và mơ phỏng một động cơ đó là phần mềm Matlab, một phần mềm
cơ bản cho một kỹ sƣ ô tô tƣơng lai. Và với ứng dụng của các khối trong Simulink của
Matlab thì việc mô phỏng và điều khiển động cơ đƣợc dễ dàng thực hiện hơn.
Và “Ứng dụng Matlab trong mô phỏng điều khiển động cơ đốt trong” cũng chính
là đề tài mà chúng em thực hiện để hồn thành một trƣơng trình Đại Học của Trƣờng Đại
Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh.
1.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.
Ở đề tài này đối tƣợng nghiên cứu là một loại động cơ đốt trong đƣợc sử dụng trên
xe ô tơ. Từ đó sẽ khoanh vùng những nội dung cần tìm hiểu và trình bày. Phạm vi nghiên
cứu của đề này là mô phỏng và điều khiển động cơ đốt trong bằng phần mềm Matlab. Và
đề tài chủ yếu chú trọng vào việc điều khiển tốc độ của động cơ ứng với giá trị tốc độ yêu
cầu.
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 bƣớc cơ bản nhƣ.
 Giới thiệu về lý thuyết mơ phỏng động cơ.

 Tính tốn các hệ thống chính trong động cơ.

1


 Thiết kế mơ hình mơ phỏng động cơ bằng Simulink Matlab.
 Phát triển hệ thống điều khiển động cơ.
Trong phần Demo Simulink Matlab cũng đã giới thiệu và đƣa ra mơ hình mơ phỏng
nhƣng các giá trị tính tốn của phần Demo này phần lớn dựa vào công thức thực nghiệm
nên trong đề tài này cần chứng minh những cong thức thực nghiệm đó để mơ phỏng
chính động cơ một cách chính xác nhất. Và ở đề tài này cũng đƣa ra những ứng dụng khi
mô phỏng điều khiển một động cơ và phát triển hệ thống điều khiển các trị cơ bản của
động cơ trong mơ hình mơ phỏng.
1.4. Phƣơng pháp nguyên cứu.
Để đề tài đƣợc hoàn thành chúng em đã kết hợp nhiều phƣơng pháp nghiên cứu, đặc
biệt là phƣơng pháp tham khảo tài liệu. Thu nhập tài liệu từ Internet, thƣ viện. Học hỏi
kinh nghiệm từ thầy cơ, bạn bè và những ngƣời có kinh nghiệm chun mơn, từ đó có cơ
sở và tìm ra những ý tƣởng mới để hoàn thành đề cƣơng cho đề tài.
1.5. Kế hoạch thực hiện.
-

Thu thập tài liệu: thƣ 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.

-

Hƣớng dẫn, chỉnh sửa của Giáo viên hƣớng dẫn.

-

Hoàn thiện đề tài.

-

Nộp đề tài.

2


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG.
2.1. Giới thiệu lý thuyết mô phỏng động cơ đốt trong.
2.1.1. Giới thiệu về động cơ đốt trong.
Trong các loại động cơ nhiệt, nhiệt lƣợng do nhiên liệu cháy tạo ra, đƣợc chuyển
hóa thành năng lƣợng có ích thì động cơ đốt trong đƣợc sử dụng rỗng rãi nhất với số
lƣợng lớn nhất trọng mọi lĩnh vực: giao thông vận tải (đƣờng bộ, đƣờng sắt, đƣờng thủy,

đƣờng 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 đƣợc 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 kì.
 Động cơ 2 kì.
Theo cách tạo hỗn hợp khơng khí và nhiên liệu
 Tạo hỗn hợp bên ngồi: Nhiên liệu và khơng khí đƣợc hịa vào nhau ở
ngồi xy-lanh, sau đó đƣợc đƣa vào xy-lanh và nén lại. Đại diện đặc trƣng
cho loại này là động cơ Otto có bộ chế hịa khí hay động cơ hai thì. 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 đƣợc làm giảm cơng suất và
gây hƣ hại cho động cơ. Trong lúc đƣợc nén lại nhiên liệu phải bốc hơi
một phần để có thể cháy rất nhanh ngay sau khi đánh lửa, tạo vận tốc vòng
quay nhanh.
 Tạo hỗn hợp bên trong: Chỉ có khơng khí đƣợc đƣa vào và nén lại trong
xy-lanh, nhiên liệu đƣợc phun vào sau đó. Do khơng có nhiên liệu nên
khơng xảy ra việc tự cháy vì thế mà có thể tăng hiệu suất bằng cách tăng
3


độ nén nhiều hơn. Đánh lửa bằng cách tự bốc cháy (động cơ diesel) hay
bằng bộ phận đánh lửa (động cơ Otto có bộ phận phun liêu nhiệu trực tiếp
hay ở các động cơ có thể dùng nhiều loại nhiên liệu khác nhau). Sau khi
đƣợc phun vào nhiên liệu cần một thời gian nhất định để bốc hơi vì thế mà
vận tốc vòng quay bị giới hạn.

Theo cách chuyển động của piston.
Theo phƣơng pháp làm mát:
Theo phƣơng pháp cháy.
Theo hình dáng động cơ và số xy-lanh, tùy theo số lƣợng xy-lanh động cơ Otto và
động cơ diesel.
…
Ở đề tài này tập chung nghiên cứu trên động cơ xăng 4 kỳ, do đó 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 đƣợc thực hiện nhƣ 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 trƣớc dể 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 thông đƣờng qua xupap nạp, nối không gian bên
trên piston với đƣờng 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 đƣờng ống nạp
(làm chênh lệch áp suất giữa đƣờng ống nạp và xy-lanh). Chênh lệch áp suất kể trên tạo
nên quá trình nạp trong động cơ.
- Kỳ hai – Nén: piston chuyển từ ĐCD lên ĐCT, hòa khí bên trong xy-lanh bị
nén. Cuối kỳ một khi piston ở vị trí ĐCD áp suất hịa khí trong xy-lanh còn nhỏ hơn áp
sauast đƣờng ống nạp. Đầu kỳ hai, piston từ ĐCD đi lên một đoạn áp suất hòa khí trong
xy-lanh mới bằng áp suất đƣờng ống nạp. Do đó để hồn thiện q trình ạp ngƣời ta vẫn
để xupap nạp tiếp tục mở (ở một góc cho phép). Việc đóng muộn xupap nạp nhƣ trên để
nạp thêm hịa khí vào xy-lanh là nhờ tác dụng chênh lệch áp suất nhƣ 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
4


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 lƣợng do nhiên liệ đƣợc 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 đƣợc
cháy trƣớc khi piston tới ĐCT. Nhƣ vậy trong kỳ hai, bên trong xy-lanh chủ yếu thực
quá trình nén hịa khí. Ngồi ra ở đầu kuf nén cịn thực hiện việc nạp thêm và cuối kỳ
nén thì bugi bắt đầu đánh lửa cháy hịa khí.
- Kỳ ba – Cháy và giãn nở: đƣợc thực hiện khí piston đi từ ĐCT xuống ĐCD. Đầu
kì ba hịa khí nạp vào xy-lanh đƣợc bốc cháy do bugi đánh lửa. Do đo nhiệt lƣợng lớn
đƣợc sinh ra, khiến áp suất và nhiệt độ mơi chất tăng mạnh, mặc dỳ thể tích xy-lanh đã
tăng lên chút ít. Dƣới tác dụng đẩy của lực do áp suất môi chất tạo ra, piston tiếp tục
đƣợc đẩy xuống thực hiện q trình giãn của mơi chất trong xy-lanh. Trong q trình
giãn nở mơi chất đẩy piston sinh cơng, do đó kì này cịn đƣợc gọi là hành trình cơng tác
(sinh cơng).
- Kỳ bốn – Xả: trong kỳ này thực hiện q trình xả sạch khí thả ra khỏi xy-lanh.
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 mơi chất trong xy-lanh cuối kỳ cháy giãn nở còn khá cao nên
xupap thải bắt đầu mở ở cuối kỳ cháy khi piston cịn cách ĐCD khoảng 40 – 60 độ theo
góc quay trục khuỷu. nhờ đó giảm đƣợc lực cản chuyển động của piston trong kỳ xả và
cải thiện việc quét sạch khí thải ra khỏi xy-lanh động cơ.
2.1.2. Một số định nghĩa về mô phỏng.
Đối tƣợng (object): là tất cả những sự vật, sự kiện mà hoạt động của con ngƣời
có liên quan tới.
Hệ thống (System): là tập hợp các đối tƣợng (con ngƣời, 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.
Mơ hình (Model): là một sơ đồ phản ánh đối tƣợng, con ngƣời dùng sơ đồ đó để
nghiên cứu, thực nghiệm nhằm tìm ra quy luật hoạt động của đối tƣợng hay nói cách
khác mơ hình là đối tƣợng thay thế của đối tƣợng gốc để nghiên cứu về đối tƣợng gốc.
Mơ hình hóa (Modeling): là thay thế đối tƣợng gốc bằng một mơ hình nhằm các

5


thu nhận thông tin quan trọng về đối tƣợng 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 tƣợng gốc
gọi lý thuyết mơ hình hóa.
Nếu các q trình xảy ra trong mơ hình đồng nhất (theo các chỉ tiêu định trƣớc) với các
quá trình xảy ra trong đối tƣợng gốc thì ngƣời ta nói rằng mơ hình đồng nhất với đối
tƣợng. Lúc này ngƣời ta có thể tiến hành các thực nghiệm trên mơ hình để thu nhận
thơng tin về đối tƣợng.
Mơ phỏng (Simulation, Imitation): là phƣơng pháp mơ hình hóa dựa trên việc
xây dựng mơ hình số (Numerical model) và dùng phƣơng 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 nhƣ thực nghiệm đã chứng minh rằng, chỉ có thể xây dựng đƣợc mơ hình
gần đúng với đối tƣợng 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 mơ hình, để mơ hình có thể ứng
dụng thuận tiện trong thực tế. Mặc dù vậy, mơ hình hóa ln ln là một phƣơng pháp
hữu hiệu để con ngƣời nghiên cứu đối tƣợng, 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, ngƣời ta đã phát triển các phƣơng pháp mô hình hóa
cho phép xây dựng các mơ hình ngày càng gần với đối tƣợng 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 phƣơng pháp nghiên cứu khoa học mà tất cả
những ngƣời làm khoa học, đặc biệt là các kỹ sƣ 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 đƣợc cho
trƣớc. Và từng hệ thống chính của động cơ sẽ đƣợc mơ hình hóa và những mơ hình hóa
nhƣ 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.
2.2. Phƣơng pháp mơ phỏng động cơ.
Một cuộc ngun cứu về các phƣơng pháp mơ phỏng mơ hình hóa động cơ cho
6


thấy có 5 phƣơng pháp mơ hình hóa động cơ đƣợc 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).

2.2.1. 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 còn là một mơ hình tốn học có nguồn gốc từ các ngun lý cơ bản nhƣ các
phƣơng trình bảo tồn khối lƣợng và năng lƣợng. 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 lƣợng thông tin thỏa đáng các thông tin về vật lý
của năng lƣợng chất lỏng truyền qua hệ thống động cơ. MVM có thể dự đốn các biến số
chính bên ngoài của động cơ nhƣ tốc độ trục khuỷu và áp suất đƣờng ống nạp, và các
biến số quan trọng bên trong, chẳng hạn nhƣ thể tích và hiệu suất nhiệt. Thơng thƣờng,
các phƣơng trình vi phân đƣợc sử dụng trong MVM sẽ dự đốn dịng chảy nhiên liệu, áp
suất đƣờng ống nạp, và tốc độ trục khuỷu. Động lực học của động cơ đƣợc mơ hình hóa
và vị trí điều chỉnh đƣợc lấy làm đầu vào và tốc độ trục khuỷu đƣợc coi là đầu ra. Mơ
hình bao gồm ba thành phần chính: thân bƣớm ga, đƣờng ống nạp và động cơ. Do tính
đơn giản và thời gian mô phỏng ngắn, MVM đƣợc sử dụng rộng rãi để phát triển kiểm
sốt động cơ.
2.2.2. Mơ hình động cơ gián đoạn (DEM):

Là mơ hình hoạt động của một hệ thống nhƣ 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 đƣợc 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 tƣơng phản với mơ hình liên tục mà trong đó mơ phỏng này sẽ liên tiếp
theo dõi động lực học của hệ thống theo thời gian. Thay vì dựa vào các sự việc, thì đây là
7


mô phỏng dựa trên hoạt động. Thời gian đƣợc chia thành các khoảng nhỏ và trạng thái hệ
thống đƣợc cập nhật trong các hoạt động xảy ra trong khoảng thời gian đó. Bởi vì các
mơ phỏng sự việc gián đoạn không phải mô phỏng mỗi lần một khoảng, nên chúng
thƣờng có thể chạy nhanh hơn nhiều so với mơ phỏng liên tục tƣơng ứng. Một phƣơng
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
(đƣợc 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 (đƣợc gọi là Sự kiện C).
Phƣơng pháp tiếp cận ba giai đoạn này là sàng lọc từ phƣơng pháp dựa trên sự
kiện, trong đó các sự kiện này đồng thời đƣợc sắp xếp để sử dụng hiệu quả nhất các
nguồn máy tính. Phƣơng pháp tiếp cận ba giai đoạn đƣợc sử dụng bởi một số phần mềm
mô phỏng thƣơng mại, nhƣng từ quan điểm của ngƣời dùng, các chi tiết cụ thể của
phƣơng pháp mơ phỏng cơ bản thƣờng bị ẩn.
2.2.3. Mơ hình xy-lanh theo xy-lanh (CCM):
Trong mơ hình này, các lực tác động lên piston của mỗi xy-lanh đƣợc 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 đƣợc ƣớc tính bằng áp lực đƣợc thiết lập bên trong xy-lanh do sự cháy
hỗn hợp nhiên liệu khơng khí.

Mơ hình xy-lanh theo xy-lanh cịn là một mơ hình tốn học có nguồn gốc từ các
ngun lý cơ bản nhƣ bảo tồn các phƣơng trình khối lƣợng và năng lƣợng. CCM có thể
dự đốn các biến số chính bên ngoài của động cơ nhƣ tốc độ trục khuỷu và áp lực lên ống
phân phối, và các biến đổi quan trọng bên trong, chẳng hạn nhƣ thể tích và hiệu suất
nhiệt.
Mơ hình bao gồm ba thành phần chính: mơ hình bƣớm ga, mơ hình hệ thống xả,
và mơ hình trục khuỷu- thanh truyền. Điều chỉnh các thông số cho phép mơ hình đƣợc 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 nhƣ công việc đƣợc chỉ định, công suất phanh
và mô-men xoắn để cung cấp với dữ liệu tỷ lệ khơng khí nhiên liệu và chi tiết kỹ thuật về
hình học.
8


Phƣơng pháp đã đƣợc lựa chọn cho dự án này là sử dụng mơ phỏng để dự đốn
các thơng số hiệu suất của động cơ. Bởi vì phƣơng 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
hƣớng kiểm sốt cần đƣợc đề xuất để hỗ trợ thiết kế ban đầu và phát triển cơng việc. Mơ
hình định hƣớng kiểm sốt phải dựa trên phƣơng pháp xy-lanh theo xy-lanh, bao gồm
thân bƣớm 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, lƣu lƣợng nhiên liệu và
động lực học trục khuỷu.
 Mô hình đƣợc giới hạn trong vật lý / hình học của động cơ.
 Mơ hình đƣợc sử dụng để dự đốn các thơng số hoạt động của động cơ nhƣ cơng
suất chỉ định, cơng suất có ích, mơ-men xoắn và đƣợc cung cấp dữ liệu tỷ lệ khơng
khí nhiên liệu và chi tiết kỹ thuật hình học.
 Mơ hình đƣợc sử dụng để mô phỏng động cơ hoạt động từ điều kiện tốc độ cầm

chừng cho đến khi đạt đƣợc tốc độ tối đa và tải.
2.2.4.Mơ hình lai (Hybrid Model):
Mơ hình lai diễn tả hai quá trình liên tục và gián đoạn trong một hệ thống vật lý.
Trong động cơ xăng, các biến số nhƣ tốc độ trục khuỷu đại diện cho động lực học liên tục
nhƣng đánh lửa lại là sự việc gián đoạn. Trong mơ hình lai, bốn xy-lanh đƣợc coi là bốn
hệ thống con độc lập và đƣợc mô phỏng nhƣ là hệ thống liên tục. Xy-lanh khi kì sinh
cơng xảy ra thì đƣợc coi nhƣ 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 đƣợc định nghĩa nhƣ là
một loạt các sự việc gián đoạn. Việc vận hành của động cơ xăng đƣợc xác định bởi sự kết
hợp của cả hai.
Mơ hình lai đƣợc coi là mơ hình của bốn q trình động cơ tức là hút, nén, sinh
công và xả nhƣ bốn hệ thống liên tục. Các hệ thống liên tục tƣơng tự cũng đƣợc xem xét
trong DEM cũng có thể đƣợc coi là một mơ hình lai. Trong mơ hình này, mỗi xy-lanh của
động cơ đƣợc xem nhƣ là hệ thống con độc lập nhận năng lƣợng phát sinh do sự cháy của
hỗn hợp nhiên liệu khơng khí nhƣ đầu vào và chuyển động của piston trong xy-lanh động
9


cơ đƣợc coi là đầu ra. Các hệ thống con này đƣợc biểu diễn dƣới dạng các hệ thống tuyến
tính và động cơ xăng hoàn chỉnh đƣợc xem nhƣ 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 đƣợc thực hiện trong điều kiện trạng thái ổn
định, khi vận tốc của hệ thống là tƣơng 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 đƣợc 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 đƣợc thực hiện dƣới các giả
định sau đây.
Giả định mơ hình:
 Động cơ đang hoạt động trong điều kiện ổn định ở tải không đổi.

 Tỷ lệ nhiên liệu khơng khí là hệ số lý tƣởng.
 Hỗn hợp nhiên liệu khơng khí bị cháy bên trong động cơ xy-lanh ở đầu kì sinh
cơng và năng lƣợng đƣợc bổ sung ngay lập tức trong xy-lanh dẫn đến tăng năng
lƣợng bên trong. Năng lƣợng bên trong này đƣợc thay đổi để hoạt động với tốc độ
không đổi và cung cấp năng lƣợng cho một bộ phận dự trữ (bánh đà).
 Bất cứ lúc nào cũng sẽ có một xy-lanh sẽ nhận đƣợc tín hiệu đầu vào để hoạt động
và chịu lực trên piston và các xy-lanh khác bị động do q trình hút, nén và xả
góp phần cho mơ-men xoắn tải động cơ.
 Tất cả bốn xy-lanh đều giống hệt nhau và đƣợc mơ tả bằng mơ hình tốn học
tƣơng tự

10


CHƢƠNG 3. TÍNH TỐN ĐỘNG CƠ XĂNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP MƠ HÌNH
GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH (MVM).
Mơ hình MVM có thể đƣợc xác định là: „Một mơ hình là một đại diện đơn giản
của một hệ thống nhằm tăng cường khả năng hiểu, giải thích, biến đổi, duy trì, dự đốn
và có thể điều khiển việc vận hành của một hệ thống‟
MVM đƣợc phát triển ở đây có những đặc điểm mới nhƣ:
 Chu trình Otto (Isochoric) đƣợc sử dụng để ƣớc lƣợng lƣợng nhiệt cần đƣợc bổ
sung bởi quá trình cháy.
 Do đó, áp suất tối đa trong xy-lanh và áp suất hiệu dụng trung bình (MEP) đƣợc
tính bằng các phƣơng trình của chu trình Otto để dự đốn Mơ-men của động cơ.
Dƣới đây là những giả thiết để sử dụng MVM để mô phỏng động cơ:
 Động cơ là động cơ 4 thì 4 xy-lanh, trong đó chu trình hoạt động xy-lanh đƣợc lặp
lại sau hai vòng quay.
 Cũng giả định rằng các xy-lanh đƣợc ghép cặp song hành với nhau, để các piston
của hai xy-lanh di chuyển đồng thời xung quanh TDC và BDC nhƣng chỉ có một
xy-lanh sinh cơng. Do đó, một trong bốn q trình chính là hút, nén, nổ và xả luôn

luôn đƣợc thực hiện trong bất kỳ một trong những xy-lanh tại một thời điểm.
 Sự dao động trong q trình sinh cơng do áp suất giảm dần trong xy-lanh trong
quá trình cháy nhiên liệu và khơng khí (trong kỳ nổ) đƣợc bỏ qua và áp suất hiệu
dụng trung bình (MEP) đƣợc tính bằng chu trình Otto nhƣ đã đề cập ở trên. Điều
này làm đơn giản trong việc phát triển mơ hình sinh công trong MVM.

11


 Sự biến đổi của áp suất đƣờng ống nạp do hiện tƣợng đóng mở liên tục bƣớm ga
cũng đã đƣợc bỏ qua. Các phƣơng trình áp suất đƣờng ống nạp và động lực quay
đƣợc rút ra bằng các nguyên lý dựa trên vật lý.
 Các điều kiện dịng khơng khí chảy qua cánh bƣớm ga cũng bị bỏ qua vì trong
động cơ xăng hiện tƣợng xảy ra tiếng động khi dịng khí chạy qua bƣớm ga là ít
xảy ra. Theo quy luật phi tuyến và sự phụ thuộc của lƣu lƣợng khí và áp lực đƣờng
ống đối với vận tốc góc của trục khuỷu.
 Cũng giả định rằng nhiệt độ của đƣờng ống nạp vẫn không thay đổi trong một
khoảng thời gian ngắn. Do đó các động lực học nhiệt độ đƣờng ống nạp đã đƣợc
bỏ qua tại thời điểm này và nó đƣợc coi là một hằng số.
 Chu kỳ Otto đã đƣợc sử dụng để mơ hình hóa q trình cháy, do đó tính tốn đƣợc
áp suất tối đa của chu kỳ, nhiệt độ tối đa của chu kỳ, áp suất trung bình hiệu dụng
(MEP) và mơ-men xoắn (

).

Hình 3.1. Tín hiệu đầu vào và đầu ra của hệ thống chính trong mơ hình điều khiển
của động cơ xăng.
Nhƣ thể hiện trong hình 3.1, trong mơ hình hƣớng điều khiển (Control Oriented
Models-COM), động cơ là một "Khối" có nhiều tín hiệu đầu vào (lệnh), một tín hiệu
nhiễu chính (mơ-men tải) và một số tín hiệu đầu ra.

Các đầu vào là các tín hiệu, nghĩa là nhiều tín hiệu có thể đƣợc lựa chọn tùy ý. Vì
thế, các đầu ra cũng là các tín hiệu có thể đƣợc sử dụng bởi bộ điều khiển mà việc vận
12


hành hệ thống sẽ khơng bị ảnh hƣởng. Chỉ có một liên kết vật lý của động cơ với phần
còn lại của công suất truyền động là mô-men nạp, trong văn bản này cho là đƣợc biết
đến.
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 đƣợc mơ phỏng
bằng phƣơng pháp MVM.

Hình 3.2. Tóm tắt hệ thống động cơ xăng theo mơ hình giá trị trung bình.
Từ sơ đồ có thể hiểu đƣợc những thành phần chính để hình thành một động cơ
xăng ngay từ đầu:
 Khối lƣợng khí trong ống nạp và ống xả.
 Năng lƣợng bên trong ống nạp và ống xả.
 Khối lƣợng nhiên liệu trên thành ồng nạp (ảnh hƣởng của độ ẩm thành
ống).
 Động năng trong trục khuỷu và bánh đà của động cơ.
 Sự suy giảm kì sinh cơng trong quá trình cháy.
 Sự chậm trễ của việc sinh cơng trong q trình cháy (chủ yếu là sự chậm trễ
thông tin).
13


 Sự chậm trễ khác nhau trong ống xả (bao gồm hiện tƣợng vận chuyển).
Và hình dƣới đây sẽ chỉ rõ từng hệ thống trên động cơ xăng.

Hình 3.3. Sơ đồ nguyên nhân và kết quả của một hệ thống động cơ xăng.

Hình 3.3 cho thấy sơ đồ nguyên nhân và kết quả giản đơn của một động cơ xăng
(giả sử các điều kiện đẳng nhiệt trong đƣờng ống nạp và mơ hình đƣờng ống xả nhƣ một
hệ thống thuần tuý). Trong sơ đồ nguyên nhân và kết quả, các nguồn đƣợc đề cập dƣới
dạng các khối có bóng màu đen. Giữa các khối nguồn này, dòng chảy đƣợc xác định bởi
các khối tĩnh màu xám. các cấp độ của nguồn xác định kích thƣớc của các dịng chảy này.
Mỗi khối đƣợc chia thành nhiều phần khác nhau sẽ đƣợc thảo luận trong các phần
14


đƣợc chỉ ra trong các khung vuông tƣơng ứng. Tuy nhiên, các kết nối quan trọng nhất đã
đƣợc nhìn thấy trong biểu diễn này. Cả đƣờng dẫn khí và nhiên liệu đều ảnh hƣởng đến
quá trình cháy, trong khi sự đánh lửa ảnh hƣởng trực tiếp đến sự 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 định nghĩa đƣợc sử dụng trong hình 3.2, 3.3:
-

̇ : Lƣu lƣợng khơng khí đi qua bƣớm ga.

-

̇ : Lƣu lƣợng khơng khí trong đƣờng ống nạp đi vào động cơ.

-

: Áp suất trong đƣờng ống nạp.

-

̇ : Lƣu lƣợng nhiên liệu đƣợc phun bởi kim phun.

-

̇ : Lƣu lƣợng nhiên liệu đƣa vào động cơ.

-

̇ : Hỗn hợp lƣu lƣợng khơng khí và nhiên liệu đƣa vào trong xy-lanh.

với

̇ = ̇ + ̇

-

: Mô-men xoắn động cơ.

-

: Tốc độ góc động cơ.

-

: Nhiệt độ khí xả của động cơ.

-

λ: Tỉ lệ nhiên liệu khơng khí.

Các giá trị tín hiệu trong động cơ ở các hình 3.1, 3.2, 3.3.
-

uφ: Lƣợng nhiên liệu cung cấp

-

uξ: Thời gian phun nhiên liệu.

-

uδ: Thời gian đánh lửa.

-

uα: Vị trí bàn đạp ga.

-

yα: Cảm biến góc mở bƣớm ga.

-

yp: Cảm biến áp suất đƣờng ống nạp.

-

yλ: Cảm biến tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu.

-

yω: Cảm tốc độ động cơ.

3.2. Hệ thống nạp trên động cơ.
15