Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp ô tô hiện đại đòi hỏi các tiêu chuẩn ngày càng khắt khe về hiệu suất năng lượng và giảm thiểu phát thải ô nhiễm môi trường. Động cơ diesel với ưu thế về hiệu suất nhiệt cao và khả năng cung cấp mô-men xoắn lớn ở dải vòng tua thấp tiếp tục đóng vai trò chủ lực trong phương tiện vận tải thương mại, xe du lịch và thiết bị công nghiệp. Tuy nhiên, bản chất quá trình hình thành hòa khí không đồng nhất và tự kích cháy dưới áp suất cao dẫn đến sự đánh đổi phức tạp giữa phát thải oxit nitơ ($NO_x$), bồ hóng (muội than) và mức độ ồn buồng đốt. Do đó, việc nghiên cứu lý thuyết mô hình hóa và cấu trúc điều khiển điện tử là yêu cầu kỹ thuật nền tảng nhằm tối ưu hóa quá trình vận hành của động cơ diesel.

Đồ án tốt nghiệp "Lý thuyết điều khiển động cơ diesel" do sinh viên Nguyễn Diệp Anh và Lao Cảnh Hiếu thực hiện tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Long Giang và giảng viên phản biện PGS.TS Lý Vĩnh Đạt.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là xây dựng các cấu trúc điều khiển, giải thích cơ chế xử lý tín hiệu và hệ thống hóa lý thuyết vận hành của các phân hệ điều khiển động cơ diesel, qua đó cung cấp cơ sở khoa học phục vụ việc tối ưu hóa hiệu suất và nâng cao độ chính xác điều khiển.

Nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể theo 4 nội dung:

  1. Nghiên cứu tổng quan về điều khiển động cơ Diesel.
  2. Cơ sở lý thuyết về quá trình điều khiển động cơ Diesel.
  3. Nghiên cứu mô hình cháy của động cơ Diesel.
  4. Quá trình tối ưu điều khiển đối với động cơ Diesel.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là động cơ diesel ô tô trong các điều kiện làm việc xác định, tập trung vào mô hình hóa động học và nhiệt động lực học của động cơ 4 kỳ nạp tăng áp. Số liệu thực nghiệm khảo sát được thực hiện trên động cơ diesel Opel Z19 DTH 4 xi lanh, dung tích 1,9 lít trang bị hệ thống phun nhiên liệu tích áp Common Rail, tuabin tăng áp có hình học biến đổi (VGT) và hệ thống tuần hoàn khí thải ngoại vi (EGR). Phạm vi không gian và thời gian của đề tài giới hạn trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp khóa K19 ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, thực hiện từ ngày 28/9/2022 đến ngày 30/12/2022 và hoàn thiện bảo vệ vào tháng 1/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên cấu trúc điều khiển định hướng mô-men xoắn (torque-based control architecture) áp dụng cho động cơ đốt trong hiện đại, kế thừa mô hình của Gerhardt et al. (1998) và Guzzella & Amstutz (1998). Cấu trúc này quy đổi mọi yêu cầu vận hành từ người lái và các hệ thống phụ trợ về giá trị mô-men xoắn mong muốn, sau đó phân phối và chuyển đổi thành các thông số điều khiển chấp hành.

Mô hình mô-men xoắn được xây dựng trên quan hệ hàm số giữa mô-men xoắn chỉ thị nội tại ($\bar{M}i$), khối lượng nhiên liệu phun một chu trình ($m_f$) và tốc độ động cơ ($n{eng}$):

$$\bar{M}i = f_i(m_f, n{eng})$$

Để phản ánh điều kiện thực tế, mô-men xoắn nội được hiệu chỉnh qua các hệ số hiệu suất thành phần:

$$\bar{M}{i,corr} = \eta\varphi \eta_p \eta_{egr} \bar{M}_i$$

Trong đó:

  • $\eta_\varphi = \frac{M_i(\varphi_{inj})}{M_i}$: Hệ số hiệu suất theo góc phun nhiên liệu $\varphi_{inj}$.
  • $\eta_p = \frac{M_i(p_2)}{M_i}$: Hệ số hiệu suất theo áp suất nạp $p_2$.
  • $\eta_{egr} = \frac{M_i(\dot{m}{egr})}{M_i}$: Hệ số hiệu suất theo lưu lượng khí xả tái tuần hoàn $\dot{m}{egr}$.

Mô-men xoắn hữu ích tại trục khuỷu ($\bar{M}{eng}$) sau khi trừ đi mô-men xoắn tổn thất do ma sát và dẫn động phụ tải ($\bar{M}{drg}$) được tính bởi:

$$\bar{M}{eng} = \bar{M}{i,corr} - \bar{M}_{drg}$$

Mô hình động học của hệ thống bao gồm khâu bù quán tính Lead-Lag (DT1) và hàm truyền đạt xấp xỉ bậc nhất kết hợp thời gian chết ($T_d$):

$$G_{M\alpha}(s) = \frac{\Delta M_i(s)}{\Delta M_{i,d}(s)} = \frac{K_{M\alpha} e^{-T_d s}}{1 + T_M s}$$

Mô hình quá trình cháy dựa trên nguyên lý nhiệt động lực học một vùng (single-zone combustion model), phân tách quá trình cháy thành giai đoạn cháy trước trộn (premixed combustion), cháy khuếch tán (diffusion combustion) và cháy rớt (late combustion). Quá trình phát xạ bồ hóng và oxit nitơ được đánh giá gắn liền với hệ số dư thừa không khí Lambda ($\lambda$) và các giới hạn khí thải theo tiêu chuẩn Euro 6.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết toán học hệ thống điều khiển và khai thác số liệu thực nghiệm. Nhóm tác giả sử dụng các công cụ giải tích để xác lập hàm truyền đạt, phân tích biến đổi tín hiệu động học và khảo sát các bảng tra cứu thích nghi (lookup tables). Dữ liệu thực nghiệm phân tích trạng thái tĩnh và trạng thái động được kế thừa từ các công trình công bố của tập đoàn Robert Bosch GmbH (2011), nghiên cứu nhiệt động học của Merker et al. (2006) và mô hình giọt phun của Stiesch (2003).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày nguyên lý hoạt động 4 kỳ (hút, nén, đốt cháy, xả) của động cơ diesel với sự hình thành hòa khí bên trong và tự bốc cháy do nén. Trong kỳ nén, tỷ số nén dao động từ 6:1 đến 24:1 nén không khí đạt áp suất từ 30 đến 55 bar ở động cơ tự hút và từ 80 đến 110 bar ở động cơ tăng áp, đẩy nhiệt độ buồng đốt lên 700 đến 900°C. Khi nhiên liệu phun vào gần điểm chết trên (DCT), hòa khí tự bốc cháy tạo áp lực đẩy piston.

Tác giả hệ thống hóa các phân hệ điều khiển cốt lõi:

  • Điều khiển mô-men xoắn thông qua lượng nhiên liệu, áp suất turbo, tỷ số truyền hộp số và van nạp/xả.
  • Điều khiển phun nhiên liệu: Lượng nhiên liệu, góc phun, áp suất phun và chiến lược phun nhiều giai đoạn (phun mồi, phun chính).
  • Điều khiển lượng không khí và áp suất nạp: Sử dụng van bướm gió (throttle valve) và cơ cấu kiểm soát áp suất tăng áp như van xả áp (wastegate) hoặc tuabin biến thiên VGT kết hợp két làm mát trung gian (intercooler).
  • Điều khiển xử lý khí xả: Van và cảm biến EGR kiểm soát khí tái tuần hoàn để giảm nhiệt độ cháy, bộ lọc hạt DPF loại bỏ muội than qua chu kỳ tái sinh nhiệt, hệ thống SCR sử dụng bơm định lượng dung dịch AdBlue (urea) phản ứng với cảm biến $NO_x$ để khử oxit nitơ.
  • Điều khiển ổn định tốc độ cầm chừng và quản lý nhiệt độ làm mát qua van hằng nhiệt và cảm biến nhiệt độ nước.
  • Ý nghĩa của hệ số $\lambda$: $\lambda = 1$ là trạng thái cân bằng; $\lambda > 1$ là hỗn hợp nghèo, nhiên liệu cháy kiệt giúp tiết kiệm; $\lambda < 1$ là hỗn hợp giàu, thiếu oxy sinh khói đen và ô nhiễm.

Chương 2: Cấu trúc điều khiển động cơ diesel

Chương 2 phân tích chi tiết dòng tín hiệu điều khiển định hướng mô-men xoắn qua 4 khối chức năng: Chế độ hoạt động động cơ, khối điều phối mô-men xoắn, khối chuyển đổi mô-men xoắn và bộ điều khiển động cơ. Vị trí bàn đạp ga ($\alpha_{ped}$) xác lập mô-men xoắn nội mong muốn ($M_{i,d}$). Khối điều phối mô-men xoắn sử dụng toán tử Min/Max để tích hợp yêu cầu bảo vệ động cơ, giới hạn khói xả và khâu bù động học Lead-Lag (DT1) nhằm hạn chế hiện tượng trễ turbo. Khối chuyển đổi mô-men xoắn sử dụng bảng tra nghịch đảo để tính toán lượng nhiên liệu phun yêu cầu ($m_{f,d}$, chia thành phun chính $m_{f,d,mi}$ và phun mồi $m_{f,d,pi}$) và khối lượng không khí mong muốn ($m_{air,d}$).

Lưu lượng khối không khí nạp được xác định theo phương trình vi phân:

$$\dot{m}{air} = \dot{m}{gas}(p_2, T_2, n_2) - \dot{m}{egr}(p_3, u{egr}, p_2, T_2)$$

Sự liên kết chéo giữa van EGR ($u_{egr}$) và cánh tuabin VGT ($u_{vgt}$) tác động đồng thời lên áp suất nạp $p_2$ và lưu lượng khí nạp $\dot{m}_{air}$.

Các thông số động học của động cơ diesel 4 xi lanh được lượng hóa cụ thể: Sau hai vòng quay trục khuỷu ($\Delta\varphi = 720^\circ CS$), mô-men xoắn giữa các xi lanh đạt sự cân bằng với chu kỳ thời gian $\Delta t = \frac{2}{n_{eng}}$. Tại tốc độ $n_{eng} = 3000\text{ rpm}$, chu kỳ xi lanh là 40 ms; thời gian chết $T_d \approx 100\text{ ms}$, hằng số thời gian $T_M \approx 100\text{ ms}$. Tại tốc độ $n_{eng} = 1900\text{ rpm}$, $T_d \approx 150\text{ ms}$, $T_M \approx 120\text{ ms}$.

Trên động cơ thử nghiệm Opel Z19 DTH (1,9L, 110 kW, 315 Nm), các phép đo đường đồng mức thể hiện quan hệ giữa áp suất trung bình hiệu dụng phanh ($p_{bmep}$) và tốc độ quay ($n_{eng}$):

  • Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ($bsfc$): Đạt mức thấp nhất 208 g/kWh ở dải tốc độ $n_{eng} = 2000 - 3000\text{ rpm}$ và tải trung bình $p_{bmep} \approx 10\text{ bar}$; đạt cực đại 240 g/kWh ở vùng biên tốc độ thấp (~1000 rpm), tốc độ cao (~4000 rpm) và tải cao ($p_{bmep} = 20\text{ bar}$).
  • Phát thải $NO_x$: Tăng phi tuyến cùng tốc độ và tải trọng, thấp nhất đạt 0,5 g/kWh ($n_{eng} = 1000 - 2000\text{ rpm}, p_{bmep} < 5\text{ bar}$) và đạt mức cao nhất 8,0 g/kWh tại $n_{eng} \approx 3500\text{ rpm}, p_{bmep} \to 20\text{ bar}$.
  • Muội than theo chỉ số Filter Smoke Number ($FSN$): Đạt cực tiểu 0,5 FSN trên diện rộng ($p_{bmep} < 10\text{ bar}$), nhưng đạt đỉnh 2,5 FSN ở dải tải và tốc độ trung bình ($n_{eng} = 2000 - 2500\text{ rpm}, p_{bmep} \approx 10\text{ bar}$).
  • Mức độ ồn buồng đốt: Tăng tỷ lệ thuận với công suất và áp suất nén, từ 80 - 85 dB ($p_{bmep} = 0 - 5\text{ bar}$), lên 85 - 90 dB ($p_{bmep} = 5 - 10\text{ bar}$) và đạt 90 - 92 dB ($p_{bmep} = 10 - 15\text{ bar}$).

Chương 3: Mô hình cháy của động cơ diesel

Chương 3 đi sâu vào cơ chế nhiệt động học của quá trình cháy. Nhiên liệu lỏng từ hệ thống Common Rail áp suất cao (1600 - 2000 bar trên xe con và 1400 bar trên xe thương mại) được phun qua kim phun điện từ hoặc piezo, phân tán thành tối đa $10^8$ hạt sương nhiên liệu có đường kính siêu mịn khoảng $10,\mu m$. Nhiên liệu nhanh chóng bay hơi và hòa trộn với không khí nạp đã được sấy nóng do nén.

Quá trình tự bốc cháy xảy ra với độ trễ phụ thuộc vào yếu tố vật lý (xé tơi, bay hơi) và động học hóa học (hình thành gốc tự do phản ứng OH), chịu chi phối bởi chỉ số cetane của nhiên liệu ($CN = 45 - 50$).

Diễn biến cháy gồm 3 giai đoạn riêng biệt:

  1. Cháy nhanh hỗn hợp trước trộn: Nhiên liệu đã bay hơi và hòa trộn đồng đều trước khi bắt lửa sẽ cháy bùng nổ trong khoảng thời gian rất ngắn, tốc độ tỏa nhiệt cực cao làm áp suất tăng vọt, gây nên tiếng ồn gõ đặc trưng và tạo nồng độ $NO_x$ cao do dư thừa không khí cục bộ.
  2. Cháy khuếch tán: Tốc độ cháy bị khống chế bởi tốc độ hòa trộn vật lý giữa hơi nhiên liệu và oxy. Hỗn hợp cháy không đồng nhất, các vùng giàu nhiên liệu trong lòng tia phun là nguồn gốc hình thành các hạt muội than.
  3. Cháy rớt: Phản ứng hóa học chậm lại do nhiệt độ, áp suất và cường độ nhiễu loạn giảm khi thể tích xi lanh giãn nở. Nhiên liệu dư thừa và các sản phẩm trung gian tiếp tục cháy hết, các hạt bồ hóng được oxy hóa một phần, quyết định nồng độ phát thải cuối cùng trước khi mở van xả.

Việc phân chia quá trình phun thành phun sớm (phun mồi) và phun chính làm giảm khối lượng nhiên liệu tham gia giai đoạn cháy nhanh trước trộn, từ đó giảm độ dốc tăng áp suất, hạ thấp tiếng ồn và $NO_x$.

Chương 4: Duy trì tối ưu hoá của điều khiển sự ổn định động cơ diesel

Nội dung chương 4 tập trung vào phương pháp tối ưu hóa điều khiển tiền chế (feedforward control) dựa trên mô hình tĩnh của động cơ. Tác giả trình bày quy trình tối ưu hóa đa mục tiêu nhằm giải quyết mâu thuẫn giữa suất tiêu hao nhiên liệu, độ ồn, nồng độ $NO_x$ và muội than tại các điểm vận hành cố định ($n_{eng}, p_{bmep}$) và mở rộng cho toàn bộ chu trình lái xe (driving cycles).

Hệ thống sử dụng các thuật toán tối ưu hóa số học để thiết lập các bản đồ điều khiển chuẩn cho các biến điều khiển chính: Áp suất ống phân phối ($p_{rail}$), áp suất nạp ($p_2$), góc bắt đầu phun ($\varphi_{inj}$), tỷ lệ EGR ($u_{egr}$) và độ mở cánh tuabin VGT ($u_{vgt}$). Các bản đồ tĩnh sau khi tối ưu được so sánh với các giá trị điều khiển tiêu chuẩn để duy trì tính năng kinh tế - kỹ thuật của động cơ trong dải làm việc danh định.

Chương 5: Tối ưu hoá và kiểm soát động lực học trên động cơ

Chương 5 phân tích tính ổn định làm việc của động cơ diesel dưới tác động của các cơ cấu điều chỉnh cơ học và điện tử:

  • Cơ cấu điều tốc: Đảm bảo cân bằng năng lượng ở các chế độ tải khác nhau, ngăn ngừa hiện tượng động cơ vượt tốc (runaway - tốc độ động cơ tăng mất kiểm soát gây phá hủy cơ khí) và duy trì sự ổn định ở chế độ cầm chừng thông qua ECU điều biến lượng phun theo thuật toán vòng kín.
  • Chẩn đoán hư hỏng hệ thống nhiên liệu: Phân tích nguyên nhân và hiện tượng đối với các lỗi phổ biến như động cơ không khởi động được (do e-le lọt khí, tụt áp đường rail, hỏng kim phun), công suất động cơ không đủ (tắc lọc nhiên liệu, sai góc phun, suy giảm áp suất nạp) và động cơ làm việc rung giật, không ổn định.
  • Tối ưu hóa động lực học qua ECU: Xử lý tín hiệu cảm biến dòng khí (HFM), cảm biến áp suất đường ống, cảm biến tốc độ trục khuỷu; áp dụng bộ lọc thông thấp (low-pass filter) khử sóng dao động xoắn trên trục truyền động khi xe tăng tốc đột ngột, phối hợp điều khiển EGR và SCR để kiểm soát phát thải tức thời.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài

Chương 6 tổng kết các kết quả nghiên cứu đã đạt được trong thuyết minh về việc xây dựng hệ thống lý thuyết điều khiển định hướng mô-men xoắn và mô hình quá trình cháy động cơ diesel. Đồng thời, chương này chỉ ra các định hướng phát triển học thuật tiếp theo nhằm nâng cao khả năng kiểm soát động cơ.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã tổng hợp và lượng hóa thành công các đặc tính vận hành tĩnh và động của động cơ diesel thông qua hệ thống số liệu thực nghiệm cụ thể:

Thông số khảo sát Giá trị đo lường Điều kiện vận hành tương ứng
Suất tiêu hao nhiên liệu cực tiểu ($bsfc_{min}$) 208 g/kWh $n_{eng} = 2000 - 3000\text{ rpm}$, $p_{bmep} \approx 10\text{ bar}$
Suất tiêu hao nhiên liệu cực đại ($bsfc_{max}$) 240 g/kWh $n_{eng} \approx 1000\text{ rpm}$ hoặc $4000\text{ rpm}$, $p_{bmep} = 20\text{ bar}$
Phát thải $NO_x$ thấp nhất 0,5 g/kWh $n_{eng} = 1000 - 2000\text{ rpm}$, $p_{bmep} < 5\text{ bar}$
Phát thải $NO_x$ cao nhất 8,0 g/kWh $n_{eng} \approx 3500\text{ rpm}$, $p_{bmep} \to 20\text{ bar}$
Độ đục khói muội than thấp nhất 0,5 FSN $n_{eng} = 1000 - 3000\text{ rpm}$, $p_{bmep} < 10\text{ bar}$
Độ đục khói muội than cao nhất 2,5 FSN $n_{eng} = 2000 - 2500\text{ rpm}$, $p_{bmep} \approx 10\text{ bar}$
Mức độ ồn buồng đốt 80 - 92 dB Tăng từ dải $p_{bmep} = 0 - 5\text{ bar}$ lên $10 - 15\text{ bar}$
Thời gian trễ chết động học ($T_d$) 100 ms (tại 3000 rpm); 150 ms (tại 1900 rpm) Khảo sát đáp ứng bước trên động cơ 4 xi lanh
Hằng số thời gian quán tính ($T_M$) 100 ms (tại 3000 rpm); 120 ms (tại 1900 rpm) Khảo sát mô hình động học tạo mô-men xoắn
Điểm thử nghiệm điều khiển tại 3000 rpm $q_{mi} = 17\text{ mm}^3/\text{cyc}, p_{rail} = 700\text{ bar}, s_{egr} = 0,9$ Góc phun $\varphi_{mi} - 180 = 165 - 175^\circ CS$

Các giải pháp và kiến nghị kỹ thuật được tác giả đề xuất bao gồm:

  • Tích hợp khâu động học Lead-Lag (DT1) trong mạch điều phối mô-men xoắn để bù trừ độ trễ đáp ứng của dòng khí nạp do độ trễ tuabin tăng áp và thể tích đường ống nạp lớn.
  • Áp dụng kỹ thuật phun đa giai đoạn (chia tách phun mồi và phun chính) nhằm làm giảm lượng nhiên liệu bốc cháy tức thời trong giai đoạn cháy trước trộn, từ đó triệt tiêu xung áp suất đột ngột và hạ thấp tiếng ồn cơ khí.
  • Phối hợp điều khiển vòng kín hai biến số giữa van EGR và cánh tuabin biến thiên VGT nhằm cân bằng lưu lượng khí nạp và áp suất tăng áp, hạn chế phát thải muội than khi xe tăng tốc đột ngột thông qua việc kiểm soát giá trị $\lambda$ mong muốn ($\lambda_d$).

Về mặt học thuật, đồ án đã chuyển đổi hệ thống lý thuyết điều khiển định hướng mô-men xoắn vốn áp dụng cho động cơ xăng sang cấu trúc điều khiển động cơ diesel một cách bài bản, giải thích rõ mối quan hệ phi tuyến giữa các tín hiệu điều khiển chấp hành và phát thải độc hại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế chính của đồ án xuất phát từ phạm vi nghiên cứu mang tính thuần túy lý thuyết và mô hình hóa. Nhóm tác giả tổng hợp và phân tích dữ liệu thực nghiệm dựa trên tài liệu tham khảo và cơ sở dữ liệu có sẵn của động cơ thử nghiệm Opel Z19 DTH chứ chưa trực tiếp thiết lập hệ thống thực nghiệm độc lập tại xưởng hoặc can thiệp phần cứng nạp code vào ECU thực tế.

Các hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo được văn bản đề cập bao gồm:

  • Phát triển hệ thống điều khiển vòng kín áp suất cháy theo từng xi lanh riêng biệt (cylinder-individual pressure control) dựa trên cảm biến áp suất buồng đốt tích hợp.
  • Xây dựng các bảng tra cứu thích nghi cố định (adaptive lookup tables) cho từng xi lanh nhằm khắc phục sự sai lệch cơ khí và hao mòn theo thời gian.
  • Nghiên cứu ứng dụng điều khiển chế độ cháy nén nạp đồng thể HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) trên dải tải rộng để giảm thiểu đồng thời cả phát thải oxit nitơ và muội than.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên, học viên cao học thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực và Điều khiển Tự động hóa khi tiếp cận các môn học về Lý thuyết Động cơ Đốt trong, Hệ thống Điều khiển Tự động Ô tô và Chẩn đoán Kỹ thuật Ô tô.

Đối với các kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) hệ thống điều khiển động cơ hoặc kỹ thuật viên hiệu chỉnh ECU (chiptuning/calibration), công trình cung cấp tài liệu tham khảo giá trị tại Chương 2 (về công thức toán học mô-men xoắn nội, khâu động học DT1, hàm truyền đạt hệ thống) và hệ thống biểu đồ đồng mức phân tích mối quan hệ giữa các biến vận hành ($bsfc, NO_x, FSN, \text{độ ồn}$) trên động cơ Common Rail thế hệ mới.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ thực nghiệm được phân tích trong đồ án có các thông số kỹ thuật cơ bản nào?
Động cơ được sử dụng để phân tích dữ liệu thực nghiệm là Opel Z19 DTH 4 xi lanh, dung tích 1,9 lít, công suất tối đa 110 kW, mô-men xoắn cực đại 315 Nm, kết cấu 16 van, sử dụng hệ thống phun nhiên liệu Common Rail với áp suất cực đại $p_{rail,max} = 2000\text{ bar}$, tuabin tăng áp biến thiên VGT, hệ thống luân hồi khí thải EGR và hệ thống xử lý khí thải đạt tiêu chuẩn Euro 6.

2. Độ trễ của hệ thống nạp khí tăng áp được giải quyết bằng cấu trúc điều khiển nào trong đồ án?
Hệ thống sử dụng một khâu truyền động học dạng Lead-Lag (DT1) đặt song song trong khối phân phối mô-men xoắn để bù đắp sự chậm trễ động học do quán tính của tuabin tăng áp và thể tích lớn của đường ống dẫn khí nạp qua két làm mát khi mô-men xoắn mong muốn tăng lên đột ngột.

3. Vùng làm việc tối ưu nhất về suất tiêu hao nhiên liệu có ích ($bsfc$) của động cơ nằm ở dải thông số nào?
Theo biểu đồ đường đồng mức thực nghiệm, suất tiêu hao nhiên liệu có ích đạt mức thấp nhất là 208 g/kWh tại dải tốc độ động cơ trung bình $n_{eng} = 2000 - 3000\text{ rpm}$ kết hợp với áp suất trung bình hiệu dụng phanh ở mức trung bình cao $p_{bmep} \approx 10\text{ bar}$.

4. Quá trình cháy của động cơ diesel gồm những giai đoạn nào và giai đoạn nào gây ra tiếng ồn lớn nhất?
Quá trình cháy được chia thành 3 giai đoạn: (1) Cháy nhanh hỗn hợp trước trộn, (2) Cháy khuếch tán và (3) Cháy rớt. Giai đoạn gây ra tiếng ồn lớn nhất và phát sinh nhiều $NO_x$ nhất là giai đoạn cháy nhanh hỗn hợp trước trộn, do lượng nhiệt phát ra tức thời cực lớn làm áp suất xi lanh tăng vọt đột ngột.

5. Vì sao hệ số $\lambda < 1$ lại bị hạn chế nghiêm ngặt trong điều khiển động cơ diesel?
Khi $\lambda < 1$, lượng không khí nạp vào xi lanh ít hơn lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn lượng nhiên liệu phun vào (hỗn hợp giàu). Tình trạng thiếu hụt oxy này khiến nhiên liệu bị nhiệt phân trong điều kiện thiếu khí, sinh ra lượng lớn muội than, bồ hóng và khói đen gây ô nhiễm nghiêm trọng, do đó ECU luôn sử dụng thuật toán giới hạn khói xả để ngăn chặn trạng thái này.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Lý thuyết điều khiển động cơ diesel" của nhóm tác giả Nguyễn Diệp Anh và Lao Cảnh Hiếu đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết mô hình hóa mô-men xoắn, nhiệt động học quá trình cháy và cấu trúc điều khiển điện tử trên động cơ diesel hiện đại trang bị Common Rail, VGT và EGR. Nghiên cứu cung cấp số liệu thực nghiệm định lượng rõ ràng về mối quan hệ giữa các biến điều khiển vận hành với các chỉ tiêu kinh tế nhiên liệu, mức độ ồn và nồng độ khí thải độc hại trên động cơ 1,9L. Công trình là tài liệu học thuật có giá trị tham khảo cao cho công tác đào tạo chuyên ngành kỹ thuật ô tô và định hướng phát triển các giải pháp điều khiển tiên tiến như kiểm soát cháy từng xi lanh và chế độ cháy HCCI.