CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
264
KHOA H
ỌC
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU HOÀ TRÊN XE KIA MORNING 2021
MATLAB/SIMULINK SOFTWARE APPLICATION SIMULATES THE AIR-CONDITIONING SYSTEM ON KIA MORNING 2021 Phạm Văn Sáng1,*, Dương Văn Minh2, Phạm Thanh Danh3, Lưu Thanh Phương4, Nguyễn Xuân Tài5, Nguyễn Huy Chiến6 TÓM TẮT Hệ thống điều hòa nhiệt độ là một hệ thống không thể thiếu trên ô tô. Để
tìm
hiểu rõ hơn về hệ thống điều hòa chúng tôi đã mô phỏng lại hệ thống điề
u hòa
trên xe KIA Morning 2021 bằng phần mềm Matlab/Simulink. Nội dung nghiên cứ
u
bao gồm: tổng quan về hệ thống điều hòa, cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệthống điều hòa trên xe KIA Morning 2021và xây dựng mô hình mô phỏng hệ thố
ng
điều hòa trên xe KIA Morning 2021 bằng phần mềm Matlab/Simulink. Từ khóa: Matlab/simulink;mô phỏng; hệ thống điều hòa; KIA Morning 2021.
ABSTRACT
more about the air conditioning system, we simulated the air conditioning system
on the KIA Morning 2021 car using Matlab/Simulink software. The content that
the research team incl
udes: an overview of the air conditioning system, the
structure and working principle of the air conditioning system on the KIA Morning
2021 car and building a simulation model of the air conditioning system on the
KIA Morning 2021 car using Matlab/Simulink software. Keywords:
Matlab/Simulink; Simulation; air conditioning system; KIA Morning
2021. 1Lớp Kỹ thuật Ô tô 1 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội2Lớp Kỹ thuật Ô tô 3 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội3Lớp Kỹ thuật Ô tô 4 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội4Lớp Kỹ thuật Ô tô 1 - K16, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội5Lớp Kỹ thuật Ô tô 1 - K16, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội6 Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: sang47899@gmail.com 1. GIỚI THIỆU Trên thế giới đã có một số nghiên cứu về mô phỏng hệ thống điều hòa không khí trên ô tô, tiêu biểu như: He Chang, Lili Cheng đã xây dựng được mô hình mô phỏng điều hòa không khí của xe bằng phần mềm simulink. Dựa vào mô hình có thể dự đoán các thông số hoạt động và tiêu thụ năng lượng của hệ thống điều hòa không khí trong các điều kiện tốc độ, nhiệt độ và độ ẩm khác nhau của xe. Nó có thể phối hợp mô phỏng quá trình thay đổi nhiệt độ bên trong khoang hành khách với hiệu suất của hệ thống điều hòa không khí [1]. Tác giả Changhao Han và cộng sự đã mô phỏng hệ thống điều hòa ô tô bằng phần mềm GT-SUITE trong đó máy điều hòa không khí là một hệ thống lạnh nén hơi, được mô hình hóa bằng cách xác định các thành phần của nó: máy nén, dàn bay hơi, nhiệt, van tiết lưu và bình ngưng. Hơn nữa, các hệ thống con bổ sung những yếu tố ảnh hưởng đến tiêu thụ năng lượng cũng đã được xem xét. Mô hình được mô phỏng cho thấy sự phù hợp tốt với dữ liệu thử nghiệm cho các thông số quan trọng như mức tiêu thụ điện của máy nén và nhiệt độ không khí sau dàn bay hơi. Sự khác biệt phần trăm giữa dữ liệu thử nghiệm và mô phỏng cho mức tiêu thụ điện phụ (năng lượng được tiêu thụ bởi máy nén A/C và tải sạc của pin điện áp thấp) là 6,25% [2]. Trong nghiên cứu của Jignesh K. Vaghela đã đánh giá các chất làm lạnh thay thế khác nhau, nghiên cứu này liên quan đến các khía cạnh lý thuyết của hệ thống điều hòa không khí ô tô R134a [3]. Ở trong nước thì chưa có nghiên cứu nào mô phỏng lại quá trình làm việc của hệ thống điều hòa bằng Matlab/Simulink nên nhóm tác giả đã nghiên cứu và mô phỏng lại hệ thống để có thể hiểu rõ về quá trình hoạt động của hệ thống, cách mà hệ thống đưa nhiệt độ ban đầu đến mức nhiệt độ mà đã được lựa chọn sẵn bởi người sử dụng. 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng sử dụng trong quá trình nghiên cứu và mô phỏng là xe KIA Morning 2021, đây là một dòng xe thấp nhất trong phân khúc hạng A. Các thông số kỹ thuật được thể hiện trong bảng 1. Bảng 1. Thông số kỹ thuật của xe KIA Morning 2021 Kích thước tổng thể (DxRxC)/ Overall dimensions 3.595x1.595x1.490mm Chiều dài cơ sở / Wheel base 2.385mm Khoảng sáng gầm xe / Minimum ground clearance 152mm Bán kính quay vòng / Minimum turning radius 4.900mm Trọng lượng Không tải / Weight curb 960kg Trọng lượng Toàn tải / Weight gross 1.370kg
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 265
Dung tích thùng nhiên liệu / Fuel tank capacity 35L Kiểu / Model Xăng, Kappa 1.25L Gasoline, Kappa 1.25L Dung tích xi lanh / Displacement 1.248cc Công suất cực đại / Max. power 86Hp/6000rpm Mô men xoắn cực đại / Max. torque 120Nm/4000rpm Hộp số / Transmission 4AT Thể tích cốp sau / Rear trunk volume 225L Điều hòa / Air conditioning Tự động 3 vùng độc lập 2.2. xác định phương thức nghiên cứu Mô phỏng hệ thống điều hòa không khí trên ô tô với một công suất đầu vào không đổi và mô hình dựa trên các điều kiện sau: • Xây dựng các phương trình vi phân dựa trên định luật bảo toàn năng lượng. Năng lượng không tự sinh ra và cũng không tự mất đi, nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác. • Các phương trình vi phân cho từng thành phần của hệ thống điều hòa trên ô tô, bao gồm: máy nén, dàn lạnh, dàn nóng, van giãn nở. Bình lọc được loại bỏ để đơn giản hóa mô hình. • Các phương trình được mô hình hóa bằng công cụ Matlab/Simulink. 2.3. Mục tiêu của nghiên cứu Giữ cho nhiệt độ bên trong cabin không đổi tại một điểm xác định. Yêu cầu đầu ra: Nhiệt độ bên trong cabin [℃]. Kiểm soát đầu vào: Nguồn năng lượng cung cấp cho máy nén (từ động cơ) [W]. Những yếu tố ảnh hưởng: Nhiệt độ bên ngoài cabin của xe [℃]. Hình 1. Các thành phần của hệ thống và các yếu tổ ảnh hưởng 2.4. Các phương trình được sử dụng trong quá trình nghiên cứu và mô phỏng Cabin: Nhiệt trao đổi giữa cabin và bên ngoài: Dàn lạnh: Cân bằng năng lượng cho đầu vào của dàn lạnh: Cân bằng năng lượng môi chất bên trong dàn lạnh: Cân bằng năng lượng cho đầu ra của dàn lạnh: Cân bằng năng lượng đối với nhiệt lượng mà thành dàn lạnh hấp thụ: Máy nén: Tốc độ dòng chảy của môi chất lạnh: Cân bằng năng lượng bên trong máy nén: Dàn nóng: Cân bằng năng lượng cho đầu vào của dàn nóng: Cân bằng năng lượng cho đầu ra của dàn nóng: Cân bằng năng lượng đối với nhiệt lượng do thành dàn nóng tỏa ra: Van giãn nở: Cân bằng năng lượng trong van giãn nở: 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU/MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA TRÊN XE KIA MORNING 2021 Đồ thị hình 2 cho thấy, hệ thống điều hòa không khí đã dần dần hạ nhiệt độ của không khí bên trong cabin từ 27°C xuống khoảng 22°C, được coi là nhiệt độ dễ chịu đối với con người. Và thời gian cần thiết để đạt đến nhiệt độ làm mát khoảng 300 - 400 giây. Tại đây, môi chất lạnh ở thể lỏng được giãn nở và bay hơi. Có thể thấy khi môi chất đi vào sẽ bay hơi và hấp thụ nhiệt khiến nhiệt độ dàn lạnh giảm xuống còn khoảng 16°C.
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
266
KHOA H
ỌC
Hình 2. Biểu đồ đầu ra của nhiệt độ cabin Hình 3. Biểu đồ đầu ra của nhiệt độ môi chất lạnh trong dàn lạnh Hình 4. Biểu đồ đầu ra của nhiệt độ môi chất lạnh trong máy nén Hình 5. Biểu đồ đầu ra của nhiệt độ môi chất lạnh trong dàn nóng Máy nén tăng áp suất và nhiệt độ bão hòa tương ứng (tới điểm sôi) của môi chất làm lạnh lên mức đủ cao để môi chất làm lạnh có thể ngưng tụ bằng cách loại bỏ nhiệt của nó qua giàn nóng, có thể thấy rằng nhiệt độ tăng từ 10°C lên đến 60°C trong khoảng 250s. Trạng thái áp suất cao và nhiệt độ cao của môi chất lạnh dạng hơi sau đó được chuyển thành dạng lỏng tại dàn nóng. Dàn nóng được thiết kế để ngưng tụ hơi môi chất lạnh. Ở đây ta thấy nhiệt độ tăng lên xấp xỉ 40°C trong khoảng 350 - 400s, vì có sự hoạt động của quạt làm mát động cơ nên nhiệt độ của môi chất không thể đạt 60°C như ban đầu. Hình 6. Biểu đồ đầu ra của nhiệt độ môi chất lạnh trong van tiết lưu Hình 7. Biểu đồ phân tích sự khác nhau giữa các khoang cabin của các dòng xe ảnh hưởng tới sự thay đổi nhiệt độ Hình 8. Biểu đồ phân tích sự ảnh hưởng của số lượng hành khách tới nhiệt độ của khoang cabin Qua van tiết lưu, môi chất từ áp suất cao sẽ giảm xuống áp suất thấp ở thể lỏng để cho phép giãn nở và thay đổi trạng thái từ thể lỏng sang thể hơi trong dàn lạnh. Đồ thị hình 6 cho thấy sự sụt giảm của nhiệt độ, nhiệt độ giảm xuống còn khoảng 5°C.
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 267
Do thể tích khoang cabin các xe khác nhau nên thời gian để đạt được nhiệt độ làm mát như mong muốn cũng khác nhau, cụ thể để đạt 22℃ ở xe hatchback mất 300s, xe sedan mất 400s và dòng SUV với thể tích lớn cần 600s. Có thể thấy, số lượng hành khách càng tăng lên thì càng khó để đạt được nhiệt độ mong muốn trong khoang cabin do con người luôn tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh. Cụ thể với 1 hành khách thì rất dễ dàng để cabin đạt được từ 27℃ xuống 22℃, nhưng với nhiều hành khách thì cần nhiều thời gian hơn để đạt được nhiệt độ như yêu cầu. Hình 9. Ảnh hưởng của tốc độ quay của máy nén đến nhiệt độ của môi chất làm mát bên trong dàn lạnh Khi tốc độ quay của máy nén càng cao thì nhiệt độ của môi chất làm mát trong dàn nóng càng cao. Hình 10. Ảnh hưởng của tốc độ quay của máy nén đến nhiệt độ của môi chất làm mát bên trong dàn nóng Ngược lại với dàn lạnh, ở dàn nóng nếu tốc độ quay của máy nén càng cao thì nhiệt độ của môi chất càng thấp. Hình 11. Ảnh hưởng của tốc độ quay của máy nén đến nhiệt độ môi chất làm mát bên trong máy nén Ở máy nén, nhiệt độ của môi chất làm mát có thay đổi theo tốc độ quay trong khoảng 450 giây đầu và ổn định từ khoảng 500 giây trở đi. Hình 12. Ảnh hưởng của tốc độ quay của máy nén đến nhiệt độ của môi chất làm mát bên trong van tiết lưu Ở van tiết lưu, tốc độ quay của máy nén càng cao thì nhiệt độ của môi chất làm mát càng thấp. 4. KẾT LUẬN Trong bài báo này, nhóm nghiên cứu đã mô phỏng hệ thống điều hòa trên xe KIA Morning 2021 bằng phần mềm Matlab/Simulink. Qua việc xây dựng được mô hình mô phỏng hệ thống điều hòa trên xe ô tô, nhóm nghiên cứu đã đánh giá được các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian, hiệu quả làm mát của hệ thống điều hòa. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Trần Thế San, Trần Duy Nam, 2009. Hệ thống nhiệt và điều hòa trên xe hơi đời mới. NXB Khoa học và Kỹ thuật. [2]. Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùng, 1999. Máy và Thiết bị lạnh. NXB Giáo dục. [3]. https://kiavietnam.com.vn/chi-tiet-san-pham/kia-morning-at/thong-so-ky-thuat [4]. https://kiamorning.info/he-thong-dieu-hoa-cua-kia-morning-2248.km [5]. https://oto-hui.com/ [6]. Boufadene M., 2018 .Modeling and Control of AC Machine using MATLAB®/SIMULINK. CRC Press. [7]. Kiss T., Chaney L., Meyer J., 2013. New Automotive Air Conditioning System Simulation Tool Developed in MATLAB/Simulink. SAE Int. J. Passeng. Cars - Mech. Syst. 6(2). [8]. Vaghela J. K., 2017. Comparative evaluation of an automobile air-conditioning system using R134a and its alternative refrigerants. Energy Procedia, 109, 153–160.