Thiết kế và Kiểm soát Hệ thống Động lực Ô tô

• Tác giả: Zongxuan Sun
• Trường học: University of Minnesota
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering
• Đề tài: Hệ thống Động lực Ô tô: Thiết kế và Kiểm soát Hiệu quả
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Boca Raton

• Preface
• About the Authors
• 1. Introduction of the Automotive Propulsion System
• 1.1. Background of the Automotive Propulsion System
• 1.1.1. Historic Perspective
• 1.2. Current Status and Challenges
• 1.3. Main Components of the Automotive Propulsion System
• 1.4. Vehicle Power Demand Analysis
• 1.4.1. Calculation of Vehicle Tractive Force
• 1.4.2. Maximum Acceleration Limit
• 1.4.3. Maximum Grade Limit
• 1.4.4. Vehicle Power Demand
• 1.4.5. Vehicle Performance Envelope
• 1.4.6. Vehicle Power Envelope
• 1.5. Vehicle Power Demand during Driving Cycles
• 2. Design, Modeling, and Control of Internal Combustion Engine
• 2.1. Introduction to Engine Subsystems
• 2.2. Mean Value Engine Model
• 2.2.1. Mean Value Gas Flow Model
• 2.2.2. Valve Dynamic Model
• 2.2.3. Manifold Filling Dynamic Model
• 2.2.4. Turbine and Compressor Models
• 2.3. Crank-Based One-Zone SI Combustion Model
• 2.3.1. Crank-Based Methodology
• 2.3.2. Gas Exchange Process Modeling
• 2.3.3. One-Zone SI Combustion Model
• 2.4. Combustion Event-Based Dynamic Model
• 2.4.1. Fueling Dynamics and Air-to-Fuel Ratio Calculation
• 2.4.2. Engine Torque and Crankshaft Dynamic Model
• 2.5. Valve Actuation System
• 2.5.1. Valve Actuator Design
• 2.5.2. Challenges for Developing FFVA Systems
• 2.5.3. Valve Actuator Model and Control
• 2.5.3.1. System Hardware and Dynamic Model
• 2.5.3.2. Robust Repetitive Control Design
• 2.6. Fuel Injection Systems
• 2.6.1. Fuel Injector Design and Optimization
• 2.6.2. PFI Fuel System
• 2.6.3. DI Fuel System
• 2.6.4. Fuel Injector Model and Control
• 2.7. Ignition System Design and Control
• 2.7.1. MBT Timing Detection and Its Closed-Loop Control
• 2.7.1.1. Full-Range MBT Timing Detection
• 2.7.1.2. Closed-Loop MBT Timing Control
• 2.7.2. Stochastic Ignition Limit Estimation and Control
• 2.7.2.1. Stochastic Ignition Limit Estimation
• 2.7.2.2. Knock Intensity Calculation and Its Stochastic Properties
• 2.7.2.3. Stochastic Limit Control
• 2.7.3. Experimental Study Results
• 2.7.3.1. Closed-Loop MBT Timing Control
• 2.7.3.2. Closed-Loop Retard Limit Control
• 2.7.3.3. Closed-Loop Knock Limit Control
• 3. Design, Modeling, and Control of Automotive Transmission Systems
• 3.1. Introduction to Various Transmission Systems
• 3.2. Gear Ratio Realization for Automatic Transmission
• 3.2.1. Planetary Gear Set
• 3.2.2. Speed and Torque Calculation for Automatic Transmission
• 3.2.3. Speed and Torque Calculation during Gear Shifting
• 3.3. Design and Control of Transmission Clutches
• 3.3.1. New Clutch Actuation Mechanism
• 3.3.2. Simulation and Experimental Results
• 3.3.3. Feedforward Control for Clutch Fill
• 3.3.4. Clutch System Modeling
• 3.3.5. Formulation of the Clutch Fill Control Problem
• 3.3.6. Optimal Control Design
• 3.3.7. Simulation and Experimental Results
• 3.3.8. Pressure-Based Clutch Feedback Control
• 3.3.8.1. System Dynamics Modeling
• 3.3.8.2. Robust Nonlinear Controller and Observer Design
• 3.4. Driveline Dynamics and Control
• 4. Design, Modeling, and Control of Hybrid Systems
• 4.1. Introduction to Hybrid Vehicles
• 4.1.1. Various Types of Hybrid Vehicles
• 4.2. Hybrid Architecture Analysis
• 4.2.1. Parallel Hybrid Architecture
• 4.2.2. Series Hybrid Architecture
• 4.2.3. Power-Split Hybrid Architecture
• 4.3. Hybrid System Dynamics and Control
• 4.3.1. Dynamic Models for Hybrid System
• 4.3.2. Hybrid System Control
• 4.3.2.1. Transient Emission and Fuel Efficiency Optimal Control
• 4.3.2.2. DP-Based Extremum Seeking Energy Management Strategy
• 4.3.2.3. Driveline Dynamics Control for Hybrid Vehicles
• 5. Control System Integration and Implementation
• 5.1. Introduction to the Electronic Control Unit
• 5.1.1. Electronic Control Unit (ECU)
• 5.1.2. ECU Control Features
• 5.1.3. Communications between ECUs
• 5.1.4. Calibration Methods for ECU
• 5.2. Control Software Development
• 5.2.1. Control Software Development Process
• 5.2.2. Automatic Code Generation
• 5.2.3. Software-in-the-Loop (SIL) Simulation
• 5.2.4. Hardware-in-the-Loop (HIL) Simulation
• 5.3. Control System Calibration and Integration
• 5.3.1. HCCI Combustion Background
• 5.3.2. Multistep Combustion Mode Transition Strategy
• 5.3.3. Air-to-Fuel Ratio Tracking Problem
• 5.3.4. Engine Air Charge Dynamic Model
• 5.3.5. LQ Tracking Control Design
• 5.3.6. CIL Simulation Results and Discussion

I. Tổng quan về Hệ thống Động lực Ô tô Thiết kế và Kiểm soát Hiệu quả

Hệ thống động lực ô tô là một phần quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô. Nó không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất của xe mà còn liên quan đến tiêu thụ năng lượng và phát thải khí thải. Việc thiết kế và kiểm soát hiệu quả hệ thống này là một thách thức lớn. Các công nghệ mới đang được phát triển để cải thiện hiệu suất và giảm thiểu tác động đến môi trường.

1.1. Khái niệm về Hệ thống Động lực Ô tô

Hệ thống động lực ô tô bao gồm các thành phần chính như động cơ, hộp số và hệ thống truyền động. Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng thành chuyển động. Sự phát triển của công nghệ động lực ô tô đã dẫn đến sự ra đời của các hệ thống hybrid và điện.

1.2. Tầm quan trọng của việc thiết kế hệ thống động lực

Thiết kế hệ thống động lực ô tô không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất mà còn đến độ bền và an toàn của xe. Việc tối ưu hóa thiết kế giúp giảm thiểu tiêu thụ nhiên liệu và phát thải khí thải, từ đó góp phần bảo vệ môi trường.

II. Các thách thức trong việc phát triển Hệ thống Động lực Ô tô hiện đại

Sự gia tăng số lượng xe ô tô trên toàn cầu đặt ra nhiều thách thức cho ngành công nghiệp ô tô. Các vấn đề như ô nhiễm môi trường, tiêu thụ năng lượng và an toàn giao thông đang trở thành mối quan tâm hàng đầu. Để giải quyết những thách thức này, cần có những giải pháp sáng tạo và hiệu quả.

2.1. Vấn đề ô nhiễm môi trường từ xe ô tô

Xe ô tô là một trong những nguồn phát thải khí nhà kính lớn nhất. Việc phát triển các công nghệ động lực sạch hơn như động cơ điện và hybrid là cần thiết để giảm thiểu tác động này.

2.2. Tăng cường an toàn giao thông

An toàn giao thông là một vấn đề quan trọng trong thiết kế hệ thống động lực. Các công nghệ như hệ thống phanh tự động và hỗ trợ lái xe thông minh đang được nghiên cứu và phát triển để nâng cao an toàn cho người sử dụng.

III. Phương pháp tối ưu hóa hiệu suất Hệ thống Động lực Ô tô

Tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống động lực ô tô là một nhiệm vụ phức tạp. Các phương pháp hiện đại như mô phỏng động lực học và phân tích dữ liệu lớn đang được áp dụng để cải thiện hiệu suất và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng.

3.1. Mô phỏng động lực học trong thiết kế

Mô phỏng động lực học giúp các kỹ sư hiểu rõ hơn về cách các thành phần trong hệ thống tương tác với nhau. Điều này cho phép tối ưu hóa thiết kế trước khi sản xuất thực tế.

3.2. Phân tích dữ liệu lớn để cải thiện hiệu suất

Sử dụng phân tích dữ liệu lớn giúp theo dõi hiệu suất của xe trong thời gian thực. Thông tin này có thể được sử dụng để điều chỉnh các thông số kỹ thuật nhằm tối ưu hóa hiệu suất động lực.

IV. Ứng dụng thực tiễn của Hệ thống Động lực Ô tô trong ngành công nghiệp

Hệ thống động lực ô tô không chỉ được áp dụng trong xe hơi mà còn trong nhiều lĩnh vực khác như vận tải hàng hóa và xây dựng. Việc áp dụng công nghệ mới giúp nâng cao hiệu quả và giảm thiểu chi phí vận hành.

4.1. Hệ thống động lực trong xe tải và xe buýt

Xe tải và xe buýt sử dụng hệ thống động lực mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu vận chuyển hàng hóa và hành khách. Công nghệ hybrid đang được áp dụng để giảm tiêu thụ nhiên liệu và phát thải.

4.2. Ứng dụng trong máy móc xây dựng

Máy móc xây dựng như máy xúc và cần cẩu cũng sử dụng hệ thống động lực ô tô. Việc tối ưu hóa hiệu suất động lực giúp nâng cao năng suất và giảm chi phí vận hành.

V. Kết luận và tương lai của Hệ thống Động lực Ô tô

Tương lai của hệ thống động lực ô tô hứa hẹn sẽ có nhiều đổi mới với sự phát triển của công nghệ điện và hybrid. Các giải pháp bền vững sẽ trở thành xu hướng chính trong ngành công nghiệp ô tô.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ điện

Công nghệ điện đang trở thành xu hướng chính trong ngành ô tô. Các nhà sản xuất đang đầu tư mạnh vào nghiên cứu và phát triển xe điện để đáp ứng nhu cầu thị trường.

5.2. Tương lai của hệ thống động lực hybrid

Hệ thống động lực hybrid sẽ tiếp tục phát triển với các công nghệ mới giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu phát thải. Sự kết hợp giữa động cơ điện và động cơ đốt trong sẽ mang lại nhiều lợi ích cho người tiêu dùng.