Nghiên cứu xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU hệ thống nhiên liệu động cơ diesel

- i -

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu

kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong các công trình nào khác!

Hà Nội, tháng 9 năm 2014

TM TT HƯỚNG DẪN Nghiên cứu sinh

GS.TS Phạm Minh Tuấn Hồ Văn Đàm

- ii -

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học,

Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí

Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Minh Tuấn và PGS.TS Khổng Vũ Quảng đã

hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và

hoàn thành luận án.

Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt

trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện

hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này.

Tôi xin cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám hiệu cùng tập thể cán bộ giảng viên Trường Cao

đẳng nghề kỹ thuật công nghiệp Việt Nam – Hàn Quốc đã hậu thuẫn và động viên tôi trong

suốt quá trình nghiên cứu học tập.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng

chấm luận án đã đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này

và định hướng nghiên cứu trong tương lai.

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã

động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công

trình này.

Nghiên cứu sinh

Hồ Văn Đàm

- iii -

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................................i

LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................................... ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................................... vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................................................. viii

MỞ ĐẦU.............................................................................................................................................. 1

i. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ............................................................... 2

ii. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................................. 2

iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ..................................................................................................... 3

iv. Các nội dung chính trong đề tài ................................................................................................... 3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU CHUẨN CHO ECU TRÊN

ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG........ .......................................................................................................... 4

1.1. Điều khiển điện tử trên các máy móc ......................................................................................... 4

1.1.1. Giới thiệu chung ................................................................................................................... 4

1.1.2. Hệ thống điều khiển điện tử động cơ xăng ............................................................................ 6

1.1.3. Hệ thống điều khiển điện tử động cơ diesel ......................................................................... 12

1.1.4. Vai trò của bộ dữ liệu chuẩn ECU ....................................................................................... 19

1.2. Giới thiệu về xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU của động cơ đốt trong .............................. 21

1.3. Các công trình đã thực hiện trong và ngoài nước .................................................................... 22

1.3.1. Nghiên cứu ngoài nước ....................................................................................................... 22

1.3.2. Nghiên cứu trong nước ....................................................................................................... 27

1.4. Lựa chọn phương pháp, giới hạn và đối tượng nghiên cứu ..................................................... 27

1.5. Kết luận chương 1 ..................................................................................................................... 28

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU CHUẨN CHO ECU ĐỘNG

CƠ ĐỐT TRONG ............................................................................................................................. 29

2.1. Bài toán tối ưu nhiều biến đa mục tiêu trong kỹ thuật ............................................................ 29

2.1.1. Bài toán tối ưu tổng quát ..................................................................................................... 29

2.1.2. Phân loại các bài toán tối ưu ................................................................................................ 30

2.1.3. Nội dung lấy bộ dữ liệu chuẩn ............................................................................................ 38

2.2. Mô hình hệ thống nhiên liệu động cơ đốt trong ....................................................................... 39

2.2.1. Miền làm việc của động cơ kéo máy công tác ..................................................................... 39

2.2.2. Mô hình tối ưu tổng quát của HTNL động cơ diesel sử dụng trên phương tiện cơ giới.......... 40

2.2.3. Các nội dung cần thực hiện khi xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho động cơ .............................. 43

2.3. Kết luận chương 2 ..................................................................................................................... 46

CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM ĐỂ TỐI ƯU CÁC THAM SỐ

TRONG QUÁ TRÌNH XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU CHUẨN...................................................... 48

3.1. Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm ............................................................................................ 48

3.1.1. Vai trò của quy hoạch thực nghiệm trong nghiên cứu thử nghiệm ........................................ 48

3.1.2. Đối tượng của quy hoạch thực nghiệm trong các ngành công nghiệp ................................... 49

3.1.3. Các phương pháp quy hoạch thực nghiệm ........................................................................... 50

3.2. Phần mềm quy hoạch thực nghiệm DX6 .................................................................................. 61

3.2.1. Giới thiệu phần mềm DX6 .................................................................................................. 61

- iv -

3.2.2. Các bước thực hiện cơ bản trên phần mềm DX6 .................................................................. 62

3.2.3. Phân tích kết quả ................................................................................................................ 63

3.2.4. Giải bài toán tối ưu hoá trên phần mềm DX6 ...................................................................... 64

3.3. Thực hiện tối ưu tham số điều chỉnh động cơ .......................................................................... 65

3.3.1. Ảnh hưởng của các tham số điều chỉnh tới các tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ sử dụng

hệ thống CR ......................................................................................................................................... 65

3.3.2. Quy trình tối ưu các tham số điều chỉnh .............................................................................. 68

3.3.3. Tiến hành bài toán quy hoạch trực giao cấp II ..................................................................... 69

3.4. Kết luận chương 3 ..................................................................................................................... 70

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU CHUẨN TRÊN

ĐỘNG CƠ DIESEL AVL 5402 ....................................................................................................... 71

4.1. Mục đích ................................................................................................................................... 71

4.2. Nội dung thử nghiệm ................................................................................................................ 71

4.3. Thiết bị thử nghiệm .................................................................................................................. 71

4.3.1. Giới thiệu chung ................................................................................................................. 71

4.3.2. Động cơ thử nghiệm ........................................................................................................... 72

4.3.3. Băng thử động cơ ............................................................................................................... 74

4.3.4. Hệ thống điều khiển băng thử ............................................................................................. 75

4.4. Quy trình và điều kiện thử nghiệm .......................................................................................... 77

4.4.1. Quy trình thử nghiệm ......................................................................................................... 77

4.4.2. Điều kiện thử nghiệm ......................................................................................................... 78

4.5. Tiến hành thử nghiệm và kết quả ............................................................................................. 78

4.5.1. Xây dựng đường đặc tính ngoài .......................................................................................... 78

4.5.2. Xây dựng đường đặc tính không tải .................................................................................... 86

4.5.3. Xây dựng các đường đặc tính tải ......................................................................................... 92

4.5.4. Đánh giá độ tin cậy của kết quả .......................................................................................... 98

4.6. Kết luận chương 4 ................................................................................................................... 100

KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................. 101

Kết luận chung .............................................................................................................................. 101

Phương hướng phát triển .............................................................................................................. 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................. 102

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ....................................... 106

PHỤ LỤC ........................................................................................................................................ 107

- v -

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Diễn giải Đơn vị

EFI Phun xăng điện tử (Electronic Fuel Injection) -

ECU Bộ điều khiển điện tử (Electronic Control Unit) -

SPI Phun xăng đơn điểm (Single-Point Injection) -

MAP Áp suất nạp tuyệt đối (Manifold Absolute Pressure) -

EDC Điều khiển điện tử động cơ diesel (Electronic Diesel Control) -

PE Bơm dãy -

VE, VR Bơm phân phối -

CR Hệ thống nhiên liệu tích áp (Common Rail) -

ECM Mô đun điều khiển động cơ (Engine Control Module) -

HEUI Hệ thống phun nhiên liệu điện tử thủy lực (Hydraulic Electronic

Unit Injector) -

ANN Mạng nơ ron nhân tạo (Artificial Neural Network) -

AFR Tỷ lệ không khí/nhiên liệu (Air Fuel Ratio) -

MPC Điều khiển theo mô hình dự báo phi tuyến (Model Predictive

Control) -

RBF Hàm cơ sở bán kính (Radial Basis Function) -

HTNL Hệ thống nhiên liệu -

ĐKĐT Điều khiển điện tử -

ĐCĐT Động cơ đốt trong -

QHTT Quy hoạch tuyến tính -

QHPT Quy hoạch phi tuyến -

QHTN Quy hoạch thực nghiệm -

PTHQ Phương trình hồi quy -

QHTG Quy hoạch trực giao -

PUMA Phần mềm điều khiển băng thử động cơ -

INCA Phần mềm liên kết với ECU mở -

AMK Cụm phanh điện -

THA 100 Thiết bị điều khiển tải -

- vi -

FEM Chuyển đổi tín hiệu số và tín hiệu tương tự -

DX6 Phần mềm quy hoạch thực nghiệm -

φs Góc phun sớm độ

pf Áp suất phun bar

Gnl Lượng tiêu thụ nhiên liệu g/h

Me Mô men động cơ Nm

Ne Công suất động cơ Hp

- vii -

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Độ rộng xung phun cơ bản (mili giây) theo tốc độ động cơ và tải -------------------------- 20

Bảng 1.2. Các hệ số xác định từ thông số đo từ cảm biến------------------------------------------------- 21

Bảng 4.1. Bảng thông số kỹ thuật của băng thử ------------------------------------------------------------ 71

Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật của động cơ AVL 5402 ----------------------------------------------------- 73

Bảng 4.3. Các điểm thử nghiệm tại tốc độ 3000 v/ph ----------------------------------------------------- 80

Bảng 4.4. Các giá trị bj

tại tốc độ 3000 v/ph ---------------------------------------------------------------- 81

Bảng 4.5. Các điểm thử nghiệm tại tốc độ 2800 v/ph ----------------------------------------------------- 83

Bảng 4.6. Các giá trị bj

tại tốc độ 2800 v/ph ---------------------------------------------------------------- 83

Bảng 4.7. Giá trị bj ở các tốc độ khác nhau trên đường đặc tính ngoài --------------------------------- 84

Bảng 4.8. Giá trị mô men lớn nhất ở đường đặc tính ngoài ----------------------------------------------- 85

Bảng 4.9. Các điểm thử nghiệm tại tốc độ 1000 v/ph ----------------------------------------------------- 87

Bảng 4.10. Các giá trị bj tại tốc độ 1000 v/ph --------------------------------------------------------------- 87

Bảng 4.11. Các điểm thử nghiệm tại tốc độ 1200 v/ph ---------------------------------------------------- 89

Bảng 4.12. Các giá trị bj ở các tốc độ khác nhau trên đường đặc tính không tải ---------------------- 91

Bảng 4.13. Các giá trị Gnlmin , φs và pf ở các tốc độ khác nhau trên đường đặc tính không tải ------ 91

Bảng 4.14. Bộ thông số φs tối ưu tại các điểm cơ sở ------------------------------------------------------- 94

Bảng 4.15. Bộ thông số pf tối ưu tại các điểm cơ sở ------------------------------------------------------- 94

Bảng 4.16. Me tối ưu tại các điểm cơ sở --------------------------------------------------------------------- 95

Bảng 4.17. Bộ thông số φs tối ưu sau khi nội suy ----------------------------------------------------------- 95

Bảng 4.18. Bộ thông số pf tối ưu sau khi nội suy ----------------------------------------------------------- 96

Bảng 4.19. Me tối ưu sau khi nội suy ------------------------------------------------------------------------- 97

Bảng 4.20. So sánh Me giữa tính toán và thực nghiệm ---------------------------------------------------- 99

- viii -

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Sơ đồ chung một hệ thống điều khiển -------------------------------------------------------------4

Hình 1.2. Sơ đồ bố trí cảm biến lưu lượng khí nạp trong hệ thống EFI [11]-----------------------------7

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý chung của một hệ thống phun xăng điện tử [11] ----------------------------7

Hình 1.4. Thuật toán điều khiển thời gian phun nhiên liệu [10] -------------------------------------------8

Hình 1.5. Hiệu chỉnh thời gian phun trong quá trình khởi động -------------------------------------------8

Hình 1.6. Đặc tính hiệu chỉnh khi chạy ấm máy -------------------------------------------------------------9

Hình 1.7. Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun theo nhiệt độ khí nạp -----------------------------9

Hình 1.8. Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun khi tăng tốc -------------------------------------- 10

Hình 1.9. Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun khi giảm tốc ------------------------------------- 10

Hình 1.10. Đặc tính hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun theo điện áp ac-qui ---------------------------- 11

Hình 1.11. Tỷ lệ hòa khí và đặc tính hiệu chỉnh phản hồi ------------------------------------------------ 11

Hình 1.12. Sơ đồ hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ Mitsubishi 6D1 -------------------------- 12

Hình 1.13. Cơ cấu điều khiển xoay bạc xả ------------------------------------------------------------------ 13

Hình 1.14. Cấu tạo bơm cao áp Mitsubishi 6D1 ----------------------------------------------------------- 13

Hình 1.15. Hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử 3406E trên xe Caterpillar ------------------------- 14

Hình 1.16. Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu thủy lực điện tử HEUI ------------------------------------- 15

Hình 1.17. Sơ đồ hệ thống điều khiển điện tử HEUI [14] ------------------------------------------------ 16

Hình 1.18. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu tích áp --------------------------------------------------------------- 16

Hình 1.19. Cấu tạo bơm cao áp của hệ thống nhiên liệu CR --------------------------------------------- 17

Hình 1.20. Cấu tạo vòi phun điện từ ------------------------------------------------------------------------- 18

Hình 1.21. Vòi phun thạch anh (piezo injector) của Denso [40] ----------------------------------------- 18

Hình 1.22. Qui luật phun nhiên liệu -------------------------------------------------------------------------- 19

Hình 1.23. Sơ đồ điều khiển thời điểm phun của ECU ---------------------------------------------------- 19

Hình 1.24. Mô hình mô phỏng một nơ-ron nhân tạo ------------------------------------------------------ 22

Hình 1.25. Sơ đồ các điểm trong vùng huấn luyện và vùng tính toán [52]----------------------------- 23

Hình 1.26. Sai lệch giữa kết quả tính của mô hình và kết quả đo [52] ---------------------------------- 23

Hình 1.27. Sai số điều khiển AFR và lượng nhiên liệu phun [53] --------------------------------------- 24

Hình 1.28. Cấu trúc hệ FES với các bộ mờ hóa (fuzzification) và giải mờ (defuzzification) [55].- 24

Hình 1.29. Hàm với 2 thông số đầu vào và 4 thông số đầu ra [55] -------------------------------------- 25

Hình 1.30. So sánh kết quả dự báo của mô hình FES với kết quả thực nghiệm [55] ---------------- 26

Hình 2.1. Miền làm việc của động cơ kéo máy phát điện ------------------------------------------------- 39

Hình 2.2. Miền làm việc của động cơ dẫn động trực tiếp chân vịt -------------------------------------- 40

Hình 2.3. Miền làm việc của động cơ trên các phương tiện cơ giới [3] -------------------------------- 40

Hình 2.4. Sơ đồ chia lưới-phân vùng làm việc của động cơ ---------------------------------------------- 44

Hình 2.5. Sơ đồ xác định các điểm khảo sát ---------------------------------------------------------------- 45

Hình 2.6. Mô hình nội suy tuyến tính ------------------------------------------------------------------------ 46

Hình 3.1. Sơ đồ đối tượng nghiên cứu có và không có nhiễu [24, 26] ---------------------------------- 49

Hình 3.2. Mô hình đối tượng công nghệ MIMO (nhiều vào, nhiều ra) [24] --------------------------- 50

Hình 3.3. Màn hình giao diện chính của phần mềm DX6------------------------------------------------- 62

Hình 3.4. Màn hình lựa chọn số yếu tố đầu vào và phương pháp quy hoạch thực nghiệm ---------- 62

Hình 3.5. Các bước thực hiện cơ bản trên phần mềm DX6 ----------------------------------------------- 63

Hình 3.6. Lựa chọn hiển thị dạng điểm ---------------------------------------------------------------------- 63

- ix -

Hình 3.7. Kiểm tra sự phù hợp của mô hình theo chuẩn Fisher ------------------------------------------ 63

Hình 3.8. Dạng phương trình hồi quy tìm được ------------------------------------------------------------ 64

Hình 3.9. Khảo sát giá trị của yếu tố đầu ra phụ thuộc các yếu tố đầu vào ---------------------------- 64

Hình 3.10. Kết quả giải bài toán tối ưu ---------------------------------------------------------------------- 65

Hình 3.11. Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp lớn tới suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ [64] ----- 66

Hình 3.12. Ảnh hưởng của các tham số điều chỉnh tới các tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ

[65]--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 67

Hình 3.13. Ảnh hưởng của áp suất phun tới chiều dài tia phun và kích thước hạt nhiên liệu [65] - 68

Hình 3.14. Lưu đồ thuật toán các bước thực hiện bài toán QHTN TG cấp II ------------------------- 69

Hình 4.1. Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm ------------------------------------------------------------------- 72

Hình 4.2. Mặt cắt dọc động cơdiesel 1 xy lanh AVL 5402--- -------------------------------------------- 73

Hình 4.3. Mặt cắt ngang động cơ diesel 1 xy lanh AVL 5402 ------------------------------------------- 73

Hình 4.4. Động cơ diesel 1 xy lanh AVL 5402 ------------------------------------------------------------- 74

Hình 4.5. Băng thử lắp động cơ diesel 1 xy lanh AVL 5402 tại Phòng thí nghiệm ------------------- 74

Hình 4.6. Cấu trúc các FEM trong hệ thống PUMA ------------------------------------------------------- 76

Hình 4.7. Sơ đồ kết nối của hệ thống INCA --------------------------------------------------------------- 77

Hình 4.8. Vùng làm việc của động cơ ------------------------------------------------------------------------ 77

Hình 4.9. Các bước xây dựng bộ tham số (φs, pf) tối ưu -------------------------------------------------- 78

Hình 4.10. Giới hạn vùng làm việc khi khảo sát đường đặc tính ngoài --------------------------------- 79

Hình 4.11. Thuật toán xác định bộ số liệu φs và pf tại đặc tính ngoài ----------------------------------- 79

Hình 4.12. Mô men thể hiện theo các đường đồng mức tại tốc độ 3000 v/ph ------------------------- 81

Hình 4.13. Mô men thể hiện theo không gian ba chiều tại tốc độ 3000 v/ph -------------------------- 82

Hình 4.14. Mô men thể hiện theo các đường đồng mức ở tốc độ 2800 v/ph --------------------------- 83

Hình 4.15. Mô men thể hiện theo không gian ba chiều tại tốc độ 2800 v/ph -------------------------- 84

Hình 4.16. Bộ thông số tối ưu ở đường đặc tính ngoài ---------------------------------------------------- 85

Hình 4.17. Thuật toán xác định bộ số liệu φs và pf tại đặc tính không tải ------------------------------ 86

Hình 4.18. Giá trị Gnl thể hiện theo các đường đồng mức ở tốc độ 1000 v/ph ------------------------ 88

Hình 4.19. Giá trị Gnl thể hiện theo không gian ba chiều ở tốc độ 1000 v/ph -------------------------- 88

Hình 4.20. Giá trị Gnl thể hiện theo các đường đồng mức ở tốc độ 1200 v/ph ------------------------ 90

Hình 4.21. Giá trị Gnl thể hiện theo không gian ba chiều ở tốc độ 1200 v/ph-------------------------- 90

Hình 4.22. Bộ thông số tối ưu ở đường đặc tính không tải ----------------------------------------------- 92

Hình 4.23. Các điểm cơ sở trong bài toán quy hoạch ------------------------------------------------------ 93

Hình 4.24. φs tối ưu theo tốc độ và tải trọng động cơ ------------------------------------------------------ 96

Hình 4.25. pf tối ưu theo tốc độ và tải trọng động cơ ----------------------------------------------------- 97

Hình 4.26. Me tối ưu theo tốc độ và tải trọng động cơ -------------------------------------------- 98

Hình 4.27. Đặc tính toàn tải theo QHTN và đo trên băng thử -------------------------------------------- 99

1

MỞ ĐẦU

Tăng hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và thành phần độc hại của khí thải động cơ

cùng với nâng cao tuổi thọ và giảm giá thành là những thách thức lớn và cũng là nguồn

động lực cho việc phát triển các công nghệ mới trong ngành công nghiệp ôtô [35, 36]. Do

vậy, cùng với sự phát triển của các ngành khoa học, một số lượng lớn các nhà khoa học đã

đầu tư rất nhiều thời gian, công sức tập trung nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới

thân thiện với môi trường để áp dụng cho ngành công nghiệp ôtô [37]. Với mục đích tăng

hiệu suất sử dụng nhiên liệu và giảm thiểu lượng phát thải độc hại do các phương tiện giao

thông gây ra.

Trong thời gian qua các kết quả nghiên cứu đã thực sự đạt được những thành công và

đóng góp đáng kể trong việc phát triển các công nghệ mới cho ngành công nghiệp ôtô thế

giới. Trong đó phải kể đến sự phát triển vượt bậc của việc ứng dụng các công nghệ điện,

điện tử và điều khiển trong điều khiển các hệ thống của động cơ đốt trong, nổi trội của các

ứng dụng này là hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử.

Với các tính năng nổi trội cả về kỹ thuật và kinh tế do hệ thống nhiên liệu điều khiển

bằng điện tử đem lại, hiện nay hệ thống này đã được các hãng sản xuất động cơ hàng đầu

trên thế giới tập trung đầu tư nghiên cứu, phát triển và đưa vào ứng dụng khai thác trên các

sản phẩm của mình. Cùng với sự phát triển chung của nền công nghiệp ôtô thế giới, Việt

Nam hiện nay cũng đã khai thác và sử dụng một lượng không nhỏ động cơ sử dụng hệ

thống nhiên liệu điều khiển điện tử. Tuy nhiên công nghệ này còn tương đối mới mẻ, hơn

nữa hệ thống này thường được sản xuất tách riêng bởi các hãng sản xuất chuyên nghiệp,

sau đó cung cấp sản phẩm cho các hãng sản xuất động cơ. Do vậy việc tiếp cận hợp tác,

học hỏi và chuyển giao các công nghệ này còn rất hạn chế. Chính vì vậy việc làm chủ công

nghệ mới này đang là những thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu sản xuất, khai thác

sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa động cơ ở Việt Nam. Hiện nay trong quá trình vận hành

khai thác, sử dụng, và bảo dưỡng luôn phải cần có sự hỗ trợ kỹ thuật của chuyên gia các

hãng cung cấp. Đặc biệt đối với các động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu điều khiển điện

tử sau khi đại tu sửa chữa hoặc cải tiến, dẫn đến một số dữ liệu ban đầu của động cơ bị

thay đổi, làm cho động cơ không đảm bảo yêu cầu làm việc tối ưu, tiêu hao nhiên liệu và

phát thải vượt quá mức cho phép. Từ những đặc điểm cơ bản đó, đòi hỏi cần phải có bộ dữ

liệu mới cho ECU phù hợp với động cơ hiện tại, tuy nhiên đây là công việc phức tạp mà

hiện nay vẫn chưa có hướng giải quyết cụ thể. Chính vì vậy đã tạo ra những hạn chế không

nhỏ trong quá trình khai thác, sử dụng, cải tiến, bảo dưỡng và sửa chữa các động cơ có hệ

thống nhiên liệu điều khiển bằng điện tử. Hơn nữa để tiến tới có nền công nghiệp riêng về

động cơ ở Việt Nam theo quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ôtô Việt Nam đến năm

2010, tầm nhìn 2020 theo Quyết định 177/2004/QĐ-TTg, thì động cơ phải đạt tỷ lệ sản

xuất trong nước 50%. Cùng với yêu cầu khí thải của ô tô, xe mô tô theo Quyết định số

49/2011/QĐ-TTg ngày 1/9/2011 lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải đối với xe ô tô, xe mô

tô hai bánh sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới. Thực tế đó đòi hỏi phải chú trọng quan tâm

nghiên cứu - phát triển hơn nữa về ứng dụng điện tử trên động cơ hiện đại.

2

Động cơ diesel với ưu điểm có tính kinh tế cao chiếm tỷ lệ ngày càng lớn trong tổng

các loại động cơ. Động cơ diesel hiện nay ngày càng hiện đại với hệ thống nhiên liệu CR

(common rail) điều khiển điện tử được áp dụng rộng rãi từ động cơ cỡ lớn (tĩnh tại, tàu

thủy) đến cỡ trung (ôtô) và cỡ nhỏ (máy kéo, máy nông nghiệp, gia dụng…). Để từng bước

làm chủ công nghệ tiên tiến, trong thời gian qua nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống

nhiên liệu này đã được các nhà khoa học Việt Nam đầu tư nghiên cứu và đạt được những

thành công nhất định [1-6]. Tuy nhiên, các công trình này mới bước đầu đề cập đến phần

cứng mà chưa đề cập nhiều đến phần mềm của hệ thống điều khiển.

Đối với máy móc có điều khiển điện tử nói chung và động cơ đốt trong có hệ thống

nhiên liệu điện tử nói riêng đều có bộ điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Unit).

Trong hệ thống HTNL ĐKĐT thì ECU là bộ não điều khiển mọi hoạt động của hệ thống và

toàn bộ động cơ. Cơ sở để ECU hoạt động là bộ dữ liệu các tham số điều chỉnh được xây

dựng trong quá trình nghiên cứu-phát triển động cơ, gọi là bộ dữ liệu chuẩn, được tích hợp

trong ECU. Tuy nhiên, phương pháp xây dựng bộ dữ liệu chuẩn thường là bí quyết công

nghệ của nhà sản xuất nên không được công bố và rất khó tiếp cận và cũng chưa có tài liệu

nào hướng dẫn xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU nói chung và động cơ đốt trong nói

riêng.

Với tính cấp thiết như đã trình bày ở trên, tác giả thực hiện luận án Tiến sĩ của mình

với đề tài: “Nghiên cứu xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU hệ thống nhiên liệu động

cơ diesel”.

i. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

 Mục đích nghiên cứu

Đưa ra quy trình xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU của hệ thống nhiên liệu sử

dụng trên động cơ đốt trong.

Ứng dụng quy trình trên để xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU của hệ thống

nhiên liệu CR sử dụng trên động cơ diesel nghiên cứu.

 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Động cơ diesel có hệ thống nhiên liệu CR được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu.

Cụ thể nghiên cứu hệ thống nhiên liệu CR sử dụng trên động cơ nghiên cứu AVL 5402.

Các nội dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện tại Phòng thử động cơ một xylanh

thuộc Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách

khoa Hà Nội.

ii. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu thực hiện trên cơ sở kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và thực

nghiệm, trong đó lý thuyết quy hoạch thực nghiệm được sử dụng xuyên suốt trong nghiên

cứu. Sử dụng phương pháp tối ưu để xây dựng mô hình và xây dựng quy trình tối ưu hóa

các tham số trong hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử động cơ diesel. Chạy thực nghiệm

3

trên băng thử để tối ưu các tham số trong hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử động cơ

diesel.

iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đây có thể coi là lần đầu tiên sử dụng phương pháp xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho

ECU của động cơ đốt trong ở Việt Nam. Luận án đưa ra một cách hệ thống về phương

pháp tối ưu hóa các tham số điều khiển trong hệ thống nhiên liệu có điều khiển điện tử của

động cơ.

Các kết quả của luận án có thể dùng làm tài liệu tham khảo trong việc nghiên cứu

phát triển động cơ có hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử. Hơn nữa các kết quả này có

thể sử dụng trong công tác đào tạo chuyên sâu về chuyên ngành động cơ đốt trong.

Trên cơ sở các kết quả đạt được của luận án, các nhà sản xuất và khai thác sẽ chủ

động trong sử dụng bảo dưỡng, thay thế phụ tùng các động cơ có hệ thống nhiên liệu điều

khiển bằng điện tử. Hơn nữa, luận án đóng góp bước đầu hướng tới cho việc chủ động tự

sản xuất bộ điều khiển điện tử cho động cơ đốt trong tương lai của ngành công nghiệp ôtô

Việt Nam.

iv. Các nội dung chính trong đề tài

Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần như sau:

 Mở đầu

 Chương 1. Tổng quan về xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU trên động cơ đốt

trong

 Chương 2. Cơ sở lý thuyết xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU động cơ đốt trong

 Chương 3. Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm để tối ưu các tham số trong quá trình

xây dựng bộ dữ liệu chuẩn

 Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng bộ dữ liệu chuẩn trên động cơ diesel

AVL 5402

 Kết luận chung và phương hướng phát triển

4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU

CHUẨN CHO ECU TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Điều khiển điện tử hiện nay là một phương pháp hết sức phổ biến trong mọi lĩnh vực

kỹ thuật của thế giới hiện đại. Điều khiển điện tử thực chất là một công nghệ tích hợp của

nhiều công nghệ truyền thống khác nhau trong một thể thống nhất, các sản phẩm điều

khiển điện tử trước hết phải bắt nguồn từ những thiết kế tối ưu với cấu trúc và nguyên lý

hoạt động của nó. Các bộ phận cấu thành như modul cơ khí, điện và điện tử, khí nén và

thuỷ lực cũng như các phần tử điều khiển (Sensor: cảm biến, Actuator: bộ chấp hành), các

phần mềm tin học... trong một đơn vị sản phẩm phải có ảnh hưởng lẫn nhau tạo nên thể

thống nhất hữu cơ. Trong chương này sẽ khái quát về sự điều khiển điện tử ở động cơ đốt

trong gồm: động xăng và động cơ diesel. Đồng thời nêu lên những đặc điểm, phương pháp

xây dựng bộ dữ liệu cho bộ phận điều khiển điện tử ở động cơ đốt trong.

1.1. Điều khiển điện tử trên các máy móc

1.1.1. Giới thiệu chung

Điều khiển là tập hợp tất cả các tác động có mục đích nhằm điều khiển một quá trình

này hay quá trình kia theo một quy luật hay một chương trình cho trước. Quá trình điều

khiển hoặc điều chỉnh được thực hiện mà không có sự tham gia trực tiếp của con người, thì

chúng ta gọi đó là quá trình điều khiển và điều chỉnh tự động. Tập hợp tất cả các thiết bị

mà nhờ đó quá trình điều khiển được thực hiện gọi là hệ thống điều khiển [7, 8].

Một hệ thống điều khiển được thể hiện ở Hình 1.1, thường bao gồm ba thành phần cơ

bản là bộ điều khiển (ECU - Electronic Control Unit), đối tượng điều khiển (máy công tác)

và các cảm biến. Việc điều khiển hệ thống cần thực hiện thông qua các thông số đầu vào I,

còn ECU điều khiển máy công tác thông qua các thông số điều khiển và các tham số điều

chỉnh II. Để phục vụ cho việc điều khiển cần lấy các tín hiệu phản hồi từ máy công tác trở

về ECU thông qua các cảm biến. Các thông số đầu ra của hệ thống thể hiện trong nhóm III.

Hình 1.1. Sơ đồ chung một hệ thống điều khiển

5

Các thông số vào hệ thống thể hiện trong nhóm I (x1, x2,…xn) xác lập chế độ làm việc

của máy công tác, ví dụ như ở động cơ đốt trong là vị trí cơ cấu điều khiển nhiên liệu, mô

men cản… Các thông số điều khiển và điều chỉnh máy công tác được thể hiện trong nhóm

II (u). Trong nhóm này lại có thể chia thành các thông số điều khiển và các tham số điều

chỉnh với bộ dữ liệu chuẩn. Các thông số điều khiển, biểu thị trong nhóm u1, ví dụ đối với

động cơ đốt trong là lượng nhiên liệu phun (thời gian mở vòi phun…) hay hệ số dư lượng

không khí l… là các thông số được ECU tính toán để cụ thể hóa chế độ làm việc động cơ

sau khi được xác lập bởi các thông số đầu vào đã nói ở trên. Còn các tham số điều chỉnh,

thể hiện trong nhóm u2, là bộ dữ liệu chuẩn của ECU để điều chỉnh máy công tác hoạt

động nhằm đạt được những mục tiêu nhất định gọi là điều kiện ràng buộc đối với các thông

số đầu ra III (y1, y2... yn). Lấy ví dụ đối với động cơ diesel, bộ dữ liệu chuẩn là bộ dữ liệu

góc phun sớm, áp suất phun, chế độ phun (phun nhiều giai đoạn)… nhằm đạt giá trị tối ưu

về mômen, suất tiêu hao nhiên liệu, chất lượng khí thải, độ rung ồn… trong miền làm việc

của động cơ.

Tính toán các thông số điều khiển dựa trên các thông số xác lập chế độ làm việc của

máy. Đối với động cơ đốt trong, từ vị trí của cơ cấu điều khiển nhiên liệu và tốc độ vòng

quay, ECU sẽ tính toán lượng nhiên liệu cơ bản cho một chu trình. Đối với động cơ phun

xăng [1, 9, 10], lượng xăng cơ bản được tính toán dựa vào lưu lượng khí nạp và ràng buộc

về hệ số dư lượng không khí l (theo đặc tính điều chỉnh để đạt ge hay yêu cầu l = 1 khi

động cơ có bộ xử lý xúc tác khí thải ba thành phần). Ngoài ra ECU còn dựa vào bộ dữ liệu

điều chỉnh để bổ sung một lượng nhiên liệu phun hiệu chỉnh tùy thuộc vào chế độ đặc biệt

như khởi động, hâm nóng máy, tăng tốc… Đối với động cơ diesel cũng tương tự, từ vị trí

cơ cấu điều khiển nhiên liệu và tốc độ vòng quay, ECU tính ra lượng nhiên liệu chu trình

cơ bản gct và cũng bổ sung thêm một lượng tùy thuộc vào các chế độ đặc biệt như trên [34,

40].

Bộ dữ liệu chuẩn điều chỉnh cần phải thiết lập trên máy thực ở các chế độ khác nhau

trong miền làm việc của nó và nạp vào ECU. Đối với động cơ đốt trong, việc này được tiến

hành trong phòng thí nghiệm trên băng thử động cơ trong quá trình nghiên cứu-phát triển.

Tuy nhiên hiện nay chưa có tại liệu nào nói về việc xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho ECU.

Đây chính là đối tượng nghiên cứu của luận án.

Khi máy móc hoạt động (khi đó trong ECU đã có tất cả các dữ liệu cần thiết cho điều

khiển u1 và điều chỉnh u2), từ các thông số xác lập chế độ làm việc, ECU tính toán ra u1. Từ

các thông số vào và tín hiệu phản hồi qua các cảm biến thì ECU gọi ra và tính toán giá trị

các tham số điều chỉnh u2 để điều hành hoạt động của máy. Việc này được thực hiện theo

lý thuyết nhận dạng của quá trình điều khiển [8].

Quá trình điều khiển trong hệ thống được thực hiện trên cơ sở một trong ba nguyên

tắc cơ bản sau: điều khiển theo sai lệch, điều khiển theo phương pháp bù nhiễu, điều khiển

theo sai lệch và bù nhiễu. Khi điều khiển theo sai lệch, tín hiệu ra được đưa vào so sánh

với tín hiệu vào nhằm tạo nên tín hiệu tác động lên đầu vào bộ điều khiển nhằm tạo tín

hiệu điều khiển đối tượng. Nguyên tắc điều khiển bù nhiễu là sử dụng một thiết bị bù để