Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Động cơ đốt trong tiếp tục giữ vai trò trung tâm trong ngành công nghiệp ô tô bất chấp xu hướng chuyển dịch sang động cơ điện, bởi những ưu điểm về hiệu suất, phạm vi hoạt động và chi phí. Chính vì vậy, các yêu cầu về tính kinh tế nhiên liệu, mức độ phát thải và độ bền của động cơ đốt trong vẫn được đặt ra hết sức nghiêm ngặt. Thử nghiệm động cơ là bước thiết yếu để kiểm định và cải thiện các tiêu chí này trước khi đưa sản phẩm ra thị trường.

Tại Việt Nam, cơ sở hạ tầng phòng thử nghiệm động cơ chưa được phát triển rộng rãi và toàn diện. Phòng thử nghiệm hiện chỉ tồn tại ở một số học viện, trường đại học và nhà máy sửa chữa ô tô, phần lớn do chi phí đầu tư, vận hành thiết bị và đào tạo nhân lực chuyên môn rất cao. Thực trạng này khiến việc tiếp cận, học tập và nghiên cứu về thử nghiệm động cơ gặp nhiều trở ngại.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm ba nhiệm vụ chính:

  1. Tổng quan về khái niệm, thiết kế và quy trình vận hành của phòng thử nghiệm động cơ.
  2. Phân tích và tính toán được công suất, lượng khí thải, tiêu hao nhiên liệu nhằm đánh giá hiệu suất động cơ.
  3. Phát triển mô hình mô phỏng phòng thử nghiệm động cơ đốt trong bằng công cụ MathWorks (MATLAB/Simulink).

Đối tượng nghiên cứu: Ứng dụng mô phỏng phòng thử nghiệm động cơ đốt trong.

Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung vào động cơ xăng (SI Engine) với hệ thống Dynamometer ảo, không giới hạn theo một mẫu động cơ thực tế cụ thể, thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành tháng 06 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình sử dụng

Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết về phòng thử nghiệm động cơ đốt trong, bao gồm các lĩnh vực:

  • Đo công suất động cơ: Lý thuyết về đường đặc tính tốc độ ngoài, đặc tính tải, và nguyên lý hoạt động của các loại băng thử (Dynamometer): băng thử thủy lực, băng thử dùng động cơ DC, băng thử dùng động cơ AC, và băng thử dùng dòng Foucault.
  • Đo lượng khí thải: Lý thuyết về hệ số dư lượng không khí (λ), tỷ lệ không khí–nhiên liệu (AFR/AFRstoich), thành phần khí thải CO₂, CO, HC, NOx, PM, và hệ thống CVS (hãng AVL).
  • Đo tiêu hao nhiên liệu: Các phương pháp Fuel Balance, PLU, Mass Flow, Ultrasonic transit time.
  • Đo lưu lượng khí nạp: Cảm biến kiểu dây nhiệt (hot wire anemometer).
  • Mô hình nhiệt động học: Tính toán áp suất trung bình tại cổ nạp (MAP), nhiệt độ tuyệt đối trong cổ nạp (MAT), thể tích xy lanh tại thời điểm đóng xupap nạp (VIVC), khối lượng khí giữ lại (Mtrapped), và mô men xoắn phanh (Tbrake) sau khi tính đến hiệu ứng đánh lửa sớm, tỷ lệ AFR và ma sát.
  • Bộ xúc tác ba chiều (Three-Way Catalyst): Mô phỏng quá trình chuyển đổi HC, CO, NOx.

Các bảng tra cứu (lookup table) được sử dụng xuyên suốt mô hình gồm: bảng lưu lượng khí nạp lý tưởng (fairideal), bảng hiệu chỉnh lưu lượng khí nạp (faircorr), bảng mô men xoắn nội (fTqinr), bảng mô men xoắn ma sát (fTfric), bảng đánh lửa tối ưu (fSAopt), bảng tỷ lệ hòa khí yêu cầu (fλcmd), và bảng hiệu suất Lambda (fMλ).

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài áp dụng ba phương pháp:

  • Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Tra cứu và tổng hợp lý thuyết về phòng thử nghiệm, thiết bị đo và nguyên lý hoạt động động cơ.
  • Phương pháp dịch thuật tài liệu: Khai thác tài liệu kỹ thuật nước ngoài (tài liệu MathWorks, hãng SuperFlow, IAC Acoustics, AVL).
  • Phương pháp mô hình hóa mô phỏng: Xây dựng mô hình số trong môi trường MATLAB/Simulink (bao gồm Stateflow) để tái hiện các thử nghiệm động cơ.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu đầu vào cho mô hình gồm các bảng tra cứu kỹ thuật của động cơ SI, thông số môi trường (áp suất môi trường PAmb, nhiệt độ môi trường Tamb), thông số tiêu chuẩn (Pstd, Tstd), và tín hiệu điều khiển mô phỏng từ "xe ảo" (SiDynoSSSpdCmd, SiDynoSSTrqCmd).

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc tổng thể mô hình Simulink

Mô hình được xây dựng theo kiến trúc phân cấp khối (block hierarchy), gồm các khối chính:

  • EngPnt (Engine Plant): Khối mô phỏng các chi tiết cơ bản của động cơ.
  • EngCtrl (Engine Controller): Khối điều khiển động cơ, xuất tín hiệu EngCtrlOutput.
  • DynoPlnt (Dynamometer Plant): Khối mô phỏng băng thử vật lý.
  • DynoCtrl (Dynamometer Controller): Khối điều khiển bộ thử nghiệm, sử dụng Stateflow để quản lý trạng thái.
  • Env (Environment): Khối thông số môi trường.
  • Performance Monitor: Khối giám sát và ghi nhận kết quả (DynoResults).

Toàn bộ mô hình được bao bởi khối SI Engine Dynamometer ở cấp cao nhất.

Thuật toán điều khiển Dynamometer (DynoCtrl)

Bộ điều khiển Dyno sử dụng logic Stateflow với các hàm trạng thái: StartCtrl, LogCtrlValues, LoadLoggedCtrlValues. Thuật toán điều chỉnh tốc độ động cơ và mô men xoắn yêu cầu (Trqcmd) thông qua các bước tăng/giảm có kiểm soát (IncreaseCtrlStep, DecreaseCtrlStep), với các ngưỡng bảo vệ MaxTrqReached, MinCtrlStepSizeReached, MaxCtrlStepSizeReached. Tín hiệu SteadyStateFlag xác nhận trạng thái ổn định trước khi ghi nhận dữ liệu; thời gian ổn định có thể được thiết lập về 0 trong trường hợp cần thiết.

Bộ điều khiển tốc độ không tải sử dụng bộ PI với hệ số tỷ lệ Kp,idle và hệ số tích phân Ki,idle.

Mô hình hóa các đặc tính động cơ

Tính toán mô men và công suất:

Mô men xoắn phanh (Tbrake) được tính từ mô men xoắn nội (Tqinr) sau khi bù trừ mô men ma sát (Tfric), mô men bơm (Tpump), hiệu suất đánh lửa trễ (MSA) và hệ số nhân Lambda (Mλ). Công suất được tính từ Tbrake và tốc độ góc trục khuỷu (ω).

Tính toán tiêu hao nhiên liệu:

Lưu lượng nhiên liệu (ṁfuel, đơn vị g/s) được xác định từ bảng tra cứu tỷ lệ hòa khí yêu cầu (fλcmd) và lưu lượng khí nạp. Suất tiêu hao nhiên liệu (ge) và lượng tiêu thụ nhiên liệu trên giờ (Gnl) được tính từ đó, có sử dụng giá trị nhiệt lượng thấp của nhiên liệu (LHV) và trọng lượng riêng nhiên liệu (Sgfuel).

Mô hình khí thải:

Khí thải được tính theo từng thành phần (CO₂, CO, HC, NOx, PM) thông qua phần khối lượng (yexh,i). Bộ xúc tác ba chiều được mô phỏng với các hệ số chuyển đổi riêng cho HC, CO và NOx; đồng thời phân biệt kết quả trước xúc tác (Engine-Out, EO) và sau xúc tác (Tailpipe, TP).

Công nghệ và môi trường triển khai

Công cụ Mục đích
MATLAB Tính toán, viết code xử lý kết quả, vẽ đồ thị
Simulink Xây dựng mô hình khối động cơ và băng thử
Stateflow Lập trình logic điều khiển trạng thái DynoCtrl
Lookup Table (2D/3D) Tra cứu đặc tính phi tuyến của động cơ

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu

Chương này trình bày lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ vai trò không thể thay thế của động cơ đốt trong trong bối cảnh hiện tại và thực trạng hạn chế của phòng thử nghiệm động cơ tại Việt Nam. Ba mục tiêu nghiên cứu được xác định rõ ràng, cùng với ba phương pháp tiếp cận (tài liệu, dịch thuật, mô hình hóa mô phỏng) và bố cục 5 chương của đề tài.

Chương 2: Lý thuyết tổng quan về phòng thử nghiệm động cơ

Chương này cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện về phòng thử nghiệm động cơ, được tổ chức theo các nhóm nội dung sau:

Phân loại thử nghiệm: Bốn loại thử nghiệm được phân biệt gồm thử nghiệm phục vụ đào tạo, thử nghiệm chuyên sâu phục vụ nghiên cứu, thử nghiệm nghiên cứu cải tiến, và thử nghiệm kiểm định động cơ.

Bố trí phòng thử nghiệm: Trình bày chi tiết các khu vực chức năng (buồng thử, buồng điều khiển, kho chứa), thông số kích thước (ví dụ: băng thử SF902 SuperFlow khuyến nghị chiều dài tối thiểu 3,6 m, tối đa 4,5 m; chiều rộng tối thiểu 3 m, tối đa 3,6 m; chiều cao tối thiểu 3 m; lối đi xung quanh động cơ tối thiểu 1 m), và các hệ thống phụ trợ (khí thải, thông gió, nhiên liệu, an toàn).

Đo công suất: Phân tích bốn loại băng thử (thủy lực, DC, AC, dòng Foucault), đường đặc tính tốc độ ngoài và đặc tính tải.

Đo khí thải: Nguyên lý đo CO, NOx, HC; sơ đồ hệ thống CVS của AVL; mối liên hệ giữa nồng độ khí thải và tỷ lệ hòa khí.

Đo tiêu hao nhiên liệu và khí nạp: So sánh bốn phương pháp đo nhiên liệu; nguyên lý cảm biến dây nhiệt và phương pháp Ultrasonic transit time đo lưu lượng khí nạp.

Chương 3: Ứng dụng MATLAB/Simulink mô phỏng thử nghiệm động cơ

Đây là chương trọng tâm kỹ thuật của đề tài. Nội dung được chia thành ba phần lớn:

Mô phỏng tổng quan hoạt động của động cơ: Mô tả cấu trúc phân cấp của mô hình SI Engine Dynamometer với các khối EngPnt, EngCtrl, DynoPlnt, DynoCtrl, Env và Performance Monitor. Luồng hoạt động tổng quát được trình bày qua ba giai đoạn liên tiếp.

Thuật toán điều khiển bộ Dynamometer Control: Mô tả chi tiết logic Stateflow điều khiển tốc độ và mô men, cơ chế ổn định giá trị (SteadyStateFlag), các bước điều khiển tăng/giảm và các hàm điều khiển (StartCtrl, LogCtrlValues, LogDataTrigger).

Mô phỏng các đặc tính động cơ: Trình bày toàn bộ chuỗi tính toán từ đầu vào đến đầu ra:

  • Tính toán thông số khí nạp: áp suất/nhiệt độ cổ nạp tại IVC (MAPIVC, MATIVC), thể tích xy lanh tại IVC (VIVC), mật độ chuẩn hóa (ρnorm), lưu lượng khí nạp.
  • Mô phỏng góc pha cam nạp (φICPCMD) và cam xả (φECPCMD) theo bảng tra cứu 3D phụ thuộc Lest và N.
  • Tính mô men xoắn: từ Tqinr, Tfric, Tpump, bù trừ MSA và Mλ để có Tbrake.
  • Tính lưu lượng nhiên liệu (ṁfuel), độ rộng xung kim phun (InjPw, Pwinj), góc đánh lửa sớm (SA, SAopt, ΔSA).
  • Mô phỏng mô hình khí thải đa thành phần và bộ xúc tác ba chiều.

Chương 4: Kết quả mô phỏng

Chương trình bày kết quả từ bốn nhóm thử nghiệm:

Thử nghiệm đặc tính hiệu quả động cơ: Đồ thị mô men xoắn và công suất theo tốc độ động cơ; đồ thị tốc độ động cơ, tín hiệu vị trí bướm ga (TPP), tín hiệu van xả turbo (WAP).

Thử nghiệm đặc tính kinh tế động cơ: Đồ thị đặc tính tiêu hao nhiên liệu và đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu (ge) theo tốc độ và tải.

Thử nghiệm khí thải động cơ: Mối liên hệ giữa nồng độ khí thải (CO₂, CO, HC, NOx) và tỷ lệ hòa khí; đồ thị so sánh EO HC/CO/NOx/CO₂ với TP HC/CO/NOx/CO₂ sau khi qua bộ xúc tác; hệ số chuyển đổi riêng cho HC, CO, NOx.

Thử nghiệm hỗn hợp hòa khí: Đồ thị hệ số dư lượng không khí (λ) theo thời gian; đồ thị áp suất đường ống nạp; đồ thị lưu lượng dòng khí nạp; mối liên hệ giữa nhiệt độ không khí nạp, nhiệt độ khí xả và tốc độ động cơ; sơ đồ nhiệt độ khí nạp.

Chương 5: Kết luận và đề nghị

Tóm tắt các kết quả đạt được từ nghiên cứu mô phỏng và đề xuất các hướng cải tiến mô hình trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

Đề tài đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng phòng thử nghiệm động cơ đốt trong trên MATLAB/Simulink với đầy đủ các khối chức năng: điều khiển Dynamometer (DynoCtrl/DynoPlnt), mô hình động cơ SI (EngCtrl/EngPnt), khối môi trường (Env) và khối giám sát kết quả (Performance Monitor/DynoResults).

Các kết quả mô phỏng thu được bao gồm:

  • Đặc tính hiệu quả: Đồ thị mô men xoắn và công suất động cơ theo tốc độ, phản ánh đặc tính tốc độ ngoài.
  • Đặc tính kinh tế: Đồ thị tiêu hao nhiên liệu (Gnl) và suất tiêu hao nhiên liệu (ge) theo các chế độ làm việc.
  • Đặc tính khí thải: Nồng độ CO₂, CO, HC, NOx trước và sau bộ xúc tác ba chiều, với hệ số chuyển đổi được thể hiện riêng cho từng thành phần.
  • Đặc tính hỗn hợp hòa khí: Diễn biến hệ số dư lượng không khí (λ), áp suất đường ống nạp (MAP), lưu lượng khí nạp và nhiệt độ theo tốc độ động cơ.

Giải pháp và đóng góp

Đề tài đề xuất giải pháp sử dụng mô phỏng số thay thế thử nghiệm thực tế nhằm vượt qua hạn chế về tài chính và cơ sở vật chất tại Việt Nam. Về mặt kỹ thuật, đóng góp nổi bật là việc tích hợp đồng bộ mô hình động cơ SI, bộ điều khiển Dynamometer với logic Stateflow, mô hình khí thải đa thành phần và bộ xúc tác ba chiều trong một môi trường mô phỏng thống nhất. Đây là hướng tiếp cận giúp sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô có thể học tập và thực hành các quy trình thử nghiệm động cơ mà không cần cơ sở vật chất phòng thí nghiệm thực.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo tác giả thừa nhận trong phần tóm tắt, đề tài vẫn còn nhiều mặt hạn chế trong việc xây dựng mô hình, xuất phát từ hạn chế về thời gian và kiến thức. Cụ thể, phạm vi nghiên cứu chỉ giới hạn ở động cơ xăng (SI Engine) với băng thử ảo, chưa mô phỏng động cơ diesel hay các hệ thống tăng áp phức tạp ở mức chi tiết cao. Mô hình dựa chủ yếu vào bảng tra cứu (lookup table) kế thừa từ MathWorks nên chưa hoàn toàn tuỳ biến cho một mẫu động cơ thực tế cụ thể tại Việt Nam.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề nghị bao gồm cải tiến và hoàn thiện mô hình, hướng tới khả năng mô phỏng chính xác hơn các điều kiện thử nghiệm thực tế, đồng thời mở rộng sang các loại động cơ và hệ thống truyền động khác.

Giá trị tham khảo

Đề tài có giá trị tham khảo trực tiếp cho các nhóm đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô muốn tìm hiểu về quy trình thử nghiệm động cơ, cách bố trí phòng thử và các thiết bị đo lường mà không có điều kiện tiếp cận phòng thí nghiệm thực.
  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực cần tài liệu về lý thuyết tính toán mô men, công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí xả của động cơ đốt trong.
  • Sinh viên làm đề tài về mô phỏng MATLAB/Simulink liên quan đến hệ thống điều khiển động cơ, có thể tham khảo cách tổ chức mô hình theo cấu trúc phân cấp khối và cách sử dụng Stateflow để lập trình logic điều khiển.

Phần đáng tham khảo nhất là Chương 3 với mô tả chi tiết về cấu trúc mô hình Simulink, thuật toán DynoCtrl và chuỗi tính toán đặc tính động cơ; và Chương 2 về lý thuyết tổng quan phòng thử nghiệm với các thông số kích thước, phân loại thiết bị và phương pháp đo.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình mô phỏng trong đề tài sử dụng loại Dynamometer nào và nguyên lý điều khiển của nó là gì?

Đề tài mô phỏng băng thử loại Dynamometer ảo (DynoPlnt) được điều khiển bởi khối DynoCtrl sử dụng Stateflow. Bộ điều khiển nhận lệnh tốc độ (SiDynoSSSpdCmd) và mô men (SiDynoSSTrqCmd) từ xe ảo, sau đó điều chỉnh theo từng bước tăng/giảm có kiểm soát (IncreaseCtrlStep/DecreaseCtrlStep) và chỉ ghi nhận dữ liệu khi tín hiệu SteadyStateFlag xác nhận hệ thống đã đạt trạng thái ổn định.

2. Mô men xoắn phanh (Tbrake) được tính như thế nào trong mô hình?

Tbrake được tính từ mô men xoắn nội (Tqinr — tra từ bảng fTqinr theo tải và tốc độ), sau đó trừ đi mô men ma sát (Tfric — từ bảng fTfric), trừ mô men bơm (Tpump), nhân với hệ số hiệu suất đánh lửa trễ (MSA — từ bảng fMsa) và hệ số nhân Lambda (Mλ — từ bảng fMλ). Kết quả phản ánh mô men thực tế đo được tại trục động cơ sau khi tính đến đầy đủ các tổn thất.

3. Khí thải được mô phỏng ra sao và bộ xúc tác ba chiều có vai trò gì trong mô hình?

Khí thải được tính theo phần khối lượng từng thành phần (yexh,i cho CO₂, CO, HC, NOx, PM) dựa trên lưu lượng dòng khí thải (ṁexh) và tỷ lệ hòa khí. Bộ xúc tác ba chiều được mô phỏng riêng với các hệ số chuyển đổi độc lập cho HC, CO và NOx. Kết quả mô phỏng phân biệt giá trị Engine-Out (EO — trước xúc tác) và Tailpipe (TP — sau xúc tác), cho phép đánh giá hiệu quả của hệ thống xử lý khí thải.

4. Kích thước phòng thử nghiệm động cơ nào được đề tài cung cấp làm thông số tham khảo?

Đề tài dẫn hai nguồn: (1) Hãng SuperFlow khuyến nghị cho băng thử SF902 chiều dài tối thiểu 3,6 m, tối đa 4,5 m; chiều rộng tối thiểu 3 m, tối đa 3,6 m; chiều cao tối thiểu 3 m. (2) IAC Acoustics cung cấp thông số kích thước mẫu khác cho phòng thử có yêu cầu cách âm chuyên dụng. Lối đi xung quanh động cơ trong buồng thử được khuyến nghị tối thiểu 1 m; chiều cao đề xuất từ 3 m đến 4–4,5 m để dự phòng cho thiết bị hiện đại.

5. Các thông số môi trường nào được đưa vào mô hình và chúng ảnh hưởng đến kết quả như thế nào?

Khối Env cung cấp áp suất môi trường (PAmb) và nhiệt độ môi trường (Tamb) làm đầu vào. Các thông số này ảnh hưởng đến tính toán mật độ chuẩn hóa (ρnorm), lưu lượng khí nạp tiêu chuẩn (ṁair,std), và nhiệt độ/áp suất tại cổ nạp (MAPIVC, MATIVC), từ đó tác động đến khối lượng khí nạp xy lanh, mô men động cơ và kết quả đặc tính hỗn hợp hòa khí. Đây cũng là nhóm thông số cần thiết để so sánh kết quả mô phỏng với điều kiện tiêu chuẩn (Pstd, Tstd).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của Nguyễn Viết Tri và Nguyễn Quốc Hoàng (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, 2024) xây dựng một mô hình mô phỏng phòng thử nghiệm động cơ đốt trong hoàn chỉnh trên nền tảng MATLAB/Simulink/Stateflow, bao quát bốn nhóm thử nghiệm cốt lõi: đặc tính hiệu quả, đặc tính kinh tế, khí thải và hỗn hợp hòa khí. Đề tài đồng thời cung cấp tổng quan lý thuyết có hệ thống về thiết kế phòng thử, phân loại thiết bị đo và các phương pháp đo lường tiêu chuẩn. Hướng tiếp cận mô phỏng số được đề xuất như một giải pháp thực tế để giải quyết hạn chế về cơ sở vật chất phòng thí nghiệm tại Việt Nam, mặc dù phạm vi mô hình hiện tại vẫn còn những giới hạn cần được tiếp tục hoàn thiện.