Bối cảnh và nhiệm vụ nghiên cứu kỹ thuật
Ngành công nghiệp sản xuất và chế tạo ô tô giữ vai trò thiết yếu trong nền kinh tế quốc dân, phục vụ đa dạng các lĩnh vực từ vận tải hành khách, vận chuyển hàng hóa, du lịch cho đến quốc phòng an ninh. Cùng với những bước tiến của khoa học kỹ thuật, các hãng sản xuất xe cơ giới không ngừng áp dụng các giải pháp công nghệ tiên tiến nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ, tiết kiệm nhiên liệu, giảm nhẹ cường độ làm việc cho người lái, tăng tính tiện nghi và giảm thiểu phát thải ô nhiễm ra môi trường xung quanh.
Tại Việt Nam, tiến trình phát triển kinh tế kéo theo nhu cầu sử dụng phương tiện giao thông gia tăng nhanh chóng, dẫn đến việc nhập khẩu đa dạng các dòng xe hiện đại từ nhiều nhà sản xuất trên thế giới. Để bảo đảm quá trình khai thác, vận hành và xây dựng quy trình bảo dưỡng kỹ thuật phù hợp với điều kiện khí hậu và địa hình thực tế tại Việt Nam, việc nghiên cứu, đánh giá kết cấu và tính toán kiểm nghiệm các hệ thống động lực trên xe là yêu cầu kỹ thuật có ý nghĩa thực tiễn rõ rệt.
Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định trong đồ án tốt nghiệp là: “Tính toán kiểm nghiệm động cơ TOYOTA 2AD-FTV ở chế độ $M_{e\max}$, $N_{e\max}$”. Các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể được văn bản xác định bao gồm:
- Tìm hiểu, phân tích chi tiết kết cấu của động cơ TOYOTA 2AD-FTV cùng toàn bộ các cơ cấu và hệ thống phụ trợ đi kèm (cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền, cơ cấu phối khí, hệ thống bôi trơn, làm mát, nạp - xả và hệ thống nhiên liệu Common Rail).
- Tính toán nhiệt chu trình công tác của động cơ tại chế độ mô-men xoắn có ích cực đại ($M_{e\max}$) nhằm xác định các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật chỉ thị và có ích.
- Dựng đồ thị công chỉ thị lý thuyết, hiệu chỉnh đồ thị thực tế và xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ theo công thức thực nghiệm.
- Triển khai tính toán động lực học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền ở chế độ $M_{e\max}$ bằng phương pháp đồ giải và giải tích, xác định lực khí thể, quy dẫn khối lượng chuyển động và xác lập biểu đồ tổng lực tác dụng lên cổ khuỷu.
- Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel tăng áp TOYOTA 2AD-FTV 4 kỳ, 4 xy lanh thẳng hàng, dung tích 2,2 lít trang bị trên xe Toyota RAV4 đời 2007.
- Phạm vi nghiên cứu:
- Về mặt chế độ làm việc: Tập trung kiểm nghiệm chu trình công tác nhiệt động và động lực học tại chế độ mô-men xoắn cực đại ($M_{e\max} = 310\text{ Nm}$ tại vùng tốc độ tính toán $2500\text{ vòng/phút}$) và chế độ công suất cực đại ($N_{e\max} = 100\text{ kW}$ tại $3600\text{ vòng/phút}$) khi xây dựng đường đặc tính ngoài.
- Về mặt kết cấu: Khảo sát các cụm chi tiết cơ khí và các hệ thống điều khiển điện tử nguyên bản trên động cơ TOYOTA 2AD-FTV.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán kiểm nghiệm
Đồ án vận dụng các cơ sở lý thuyết nhiệt động lực học động cơ đốt trong và cơ học máy ứng dụng trong ngành kỹ thuật ô tô:
- Khung lý thuyết và mô hình tính toán nhiệt: Chu trình nhiệt động cấp nhiệt hỗn hợp (chu trình Sabathé) ứng với động cơ diesel buồng cháy không phân chia. Chu trình thực tế được mô hình hóa thành chu trình khép kín $a-c-y-z-b-a$, trong đó quá trình cháy thực tế được thay thế bằng quá trình cấp nhiệt đẳng tích đoạn $c-y$ và cấp nhiệt đẳng áp đoạn $y-z$; quá trình thải và quét khí được thay bằng quá trình rút nhiệt đẳng tích đoạn $b-a$. Quá trình nén và giãn nở được tính toán theo mô hình biến thiên đa biến với các chỉ số nén đa biến trung bình $n_1$ và chỉ số giãn nở đa biến $n_2$.
- Mô hình tính toán đường đặc tính ngoài: Sử dụng phương pháp giải tích thực nghiệm dựa trên hệ thống công thức kinh nghiệm của Khơ-lư-stốp Lay-đéc-man (Khlustov - Leiderman) dành riêng cho động cơ diesel khi thanh răng bơm cao áp ở vị trí cấp nhiên liệu cực đại.
- Phương pháp động lực học cơ cấu sinh công: Ứng dụng phương pháp vòng tròn Brich để xác định mối quan hệ hình học giữa chuyển vị pít tông với góc quay trục khuỷu $\alpha$ ($0^\circ \div 720^\circ$ cho chu trình 4 kỳ), từ đó khai triển đồ thị công chỉ thị $p-V$ thành đồ thị áp suất và lực khí thể $P_k - \alpha$.
- Lý thuyết quy dẫn động học: Sử dụng phương pháp quy dẫn hệ thống khối lượng phân bố phức tạp của nhóm chi tiết pít tông - thanh truyền - trục khuỷu về hai điểm tập trung: khối lượng chuyển động tịnh tiến dọc tâm xy lanh ($m_j$) tại tâm chốt pít tông và khối lượng chuyển động quay ($m_2$) tại tâm cổ khuỷu.
- Nguồn dữ liệu: Các thông số hình học, kết cấu kỹ thuật và chỉ tiêu làm việc định mức do hãng Toyota công bố cho động cơ 2AD-FTV trên xe Toyota RAV4 đời 2007; các thông số vật lý của nhiên liệu diesel tiêu chuẩn (trị số Cetane $\ge 48$, thành phần khối lượng nguyên tố $g_C = 0,86$, $g_H = 0,13$, $g_O = 0,01$ và nhiệt trị thấp $Q_T = 42,5 \times 10^3\text{ kJ/kg}$).
Nội dung kỹ thuật chính theo từng phần của đồ án
Phần I: Giới thiệu về động cơ TOYOTA 2AD-FTV
Nội dung phần này tập trung phân tích kết cấu cơ khí và nguyên lý hoạt động của các hệ thống chức năng trên động cơ TOYOTA 2AD-FTV lắp trên xe Toyota RAV4 đời 2007.
| Thông số kỹ thuật |
Đơn vị |
Giá trị danh định |
| Kiểu động cơ và bố trí |
- |
4 kỳ, 4 xy lanh thẳng hàng |
| Cơ chế phân phối khí |
- |
16 xu páp treo trên đỉnh, DOHC, dẫn động xích |
| Buồng cháy |
- |
Buồng cháy không phân chia, đỉnh lõm |
| Hệ thống nhiên liệu |
- |
Phun nhiên liệu trực tiếp Common Rail |
| Thể tích công tác |
$\text{cm}^3$ |
2231 (136,1 $\text{inch}^3$) |
| Đường kính xy lanh / Hành trình pít tông ($D/S$) |
$\text{mm}$ |
86,0 / 96,0 |
| Tỷ số nén ($\varepsilon$) |
- |
16,8 : 1 |
| Công suất cực đại ($N_{e\max}$) |
$\text{kW}$ |
100 tại 3600 vòng/phút |
| Mô-men xoắn lớn nhất ($M_{e\max}$) |
$\text{Nm}$ |
310 tại $2000 \div 2800$ vòng/phút |
| Thứ tự làm việc các xy lanh |
- |
1 – 3 – 4 – 2 |
| Khối lượng động cơ |
$\text{kg}$ |
165 |
| Tiêu chuẩn khí thải |
- |
EURO IV |
| Dung tích dầu bôi trơn |
lít |
6,7 (toàn bộ) / 5,9 / 5,5 |
| Tiêu chuẩn dầu nhờn khuyến nghị |
- |
ACEA B1, API CF-4 hoặc CF |
| Chỉ số Xê-tan của nhiên liệu |
- |
Tối thiểu 48 |
| Dung dịch làm mát |
- |
Nước làm mát Toyota SLLC tuổi thọ cao |
Về các cơ cấu và hệ thống chi tiết:
- Cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền:
- Nắp máy: Đúc bằng hợp kim nhôm, kết hợp với đỉnh pít tông tạo buồng cháy; làm kín với thân máy bằng đệm cao su chịu nhiệt độ bền cao.
- Thân xy lanh: Đúc bằng hợp kim nhôm khối lượng nhẹ; giữa các xy lanh bố trí áo nước làm mát bao quanh đồng đều; ống lót xy lanh có gân tản nhiệt bên ngoài nhằm giảm biến dạng nhiệt; tích hợp chốt cắm nhiệt (bugi sấy) hỗ trợ khởi động.
- Pít tông: Chế tạo bằng hợp kim nhôm, đỉnh khoét lõm tạo lốc xoáy cho hòa khí, váy pít tông phủ lớp polymer giảm ma sát; đầu pít tông xẻ 3 rãnh chứa xéc-măng khí và dầu; đáy buồng chốt được đúc rỗng để giảm quán tính.
- Thanh truyền: Chế tạo từ thép rèn độ bền cao; đầu nhỏ, thân và nửa trên đầu to đúc liền khối; nửa dưới liên kết bằng bu lông bọc nhựa; bạc biên làm bằng hợp kim nhôm phủ nhựa đặc biệt và định vị bằng chốt chống xoay.
- Trục khuỷu và trục cân bằng: Trục khuỷu thép rèn gồm 5 cổ trục chính, 4 cổ biên và 7 đối trọng. Động cơ trang bị 2 trục cân bằng để triệt tiêu dao động bậc hai; trục cân bằng số 1 dẫn động trực tiếp từ trục khuỷu và được gia công tỉ mỉ giảm tiếng ồn, trục số 2 cân bằng cho trục 1.
- Cơ cấu phối khí: Kiểu DOHC 16 van (mỗi xy lanh 2 van nạp, 2 van xả). Dẫn động cam bằng xích con lăn GRM bước xích $9,525\text{ mm}$ ($0,375\text{ inch}$) có cơ cấu căng xích thủy lực vít lò xo; cò mổ con lăn gắn ổ đũa kim; khử khe hở nhiệt tự động bằng con đội thủy lực nhờ áp lực dầu bôi trơn; trục cam xả dẫn động bơm cao áp và trục cam nạp dẫn động bơm chân không.
- Hệ thống bôi trơn: Kiểu tuần hoàn cưỡng bức chu trình kín. Bơm dầu rôto xicloit đặt tại khoang trước nắp động cơ; các vòi phun dầu (4 vòi) đặt tại đáy thân máy tích hợp van một chiều để làm mát đỉnh pít tông; nắp cốc lọc bằng nhựa và ruột lọc dầu bằng giấy lọc thay thế được có thể thiêu hủy bảo vệ môi trường.
- Hệ thống làm mát: Tuần hoàn cưỡng bức kín dùng dung dịch SLLC; két tản nhiệt lõi nhôm; bơm nước dạng xoắn ốc đặt trước nắp máy; trang bị van đường vòng (bypass) chống quá nhiệt cục bộ và tích hợp bộ làm mát dầu cùng bộ làm mát khí xả EGR.
- Hệ thống nạp, thải và xử lý khí thải: Trang bị bộ làm mát khí nạp kiểu khí - không khí (intercooler); bướm ga điều khiển điện tử sử dụng môtơ điện một chiều do hộp ECM điều khiển; hệ thống tuần hoàn khí thải ngoài (EGR) sử dụng van tuyến tính điện tử kết hợp bộ trao đổi nhiệt giải nhiệt khí xả trước khi đưa về đường nạp nhằm giảm phát sinh $NO_x$; bộ tăng áp Turbo điều khiển góc mở cánh dẫn hướng bằng bộ chấp hành chân không.
- Hệ thống nhiên liệu Common Rail: Gồm bơm cao áp dẫn động bằng cam lệch tâm, ống phân phối áp suất cao (rail) có gắn cảm biến áp suất, van điều khiển hút (SCV) và vòi phun nhiên liệu điều khiển bằng van điện từ solenoid cho phép thực hiện nhiều giai đoạn phun trong một chu trình công tác.
Phần II: Tính toán chu trình công tác của động cơ (Chế độ $M_{e\max}$)
Mục này trình bày quá trình tính toán nhiệt chu trình công tác động cơ ở chế độ mô-men xoắn có ích cực đại $M_{e\max} = 310\text{ Nm}$ tại tốc độ vòng quay tính toán $n = 2500\text{ vòng/phút}$.
-
Thông số ban đầu được lựa chọn:
- Áp suất môi trường $p_0 = 0,103\text{ MPa}$; Nhiệt độ môi trường $T_0 = 297\text{ K}$.
- Tốc độ trung bình pít tông $C_{TB} = 8\text{ m/s}$; Tỷ số $S/D = 96/86 \approx 1,116$.
- Hệ số dư lượng không khí $\alpha = 1,4$; Hệ số nạp $\eta_v = 0,85$; Hệ số quét buồng cháy $\mu_1 = 0,88$.
- Áp suất khí sau máy nén tăng áp chọn $p_k = 0,15\text{ MPa}$; Áp suất cuối quá trình nạp $p_a = 0,135\text{ MPa}$.
- Áp suất khí thải cưỡng bức $p_r = 0,06\text{ MPa}$; Nhiệt độ khí sót chọn trước $T_r = 750\text{ K}$; Độ sấy nóng khí nạp $\Delta T = 5\text{ K}$.
- Chỉ số nén đa biến trung bình $n_1 = 1,34$; Chỉ số giãn nở đa biến trung bình $n_2 = 1,14$; Chỉ số đoạn nhiệt không khí $k = 1,41$; Áp suất cuối quá trình cháy chọn $p_z = 8\text{ MPa}$; Nhiệt trị thấp của dầu diesel $Q_T = 42,5 \times 10^3\text{ kJ/kg}$.
-
Quá trình nạp, nén và cháy:
- Tính toán tương quan nhiệt hóa: Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy hoàn toàn $1\text{ kg}$ nhiên liệu lỏng là $L_0 = 0,495\text{ kmol/kg}$; lượng không khí nạp thực tế $M_t = \alpha \times 0,495 = 0,693\text{ kmol/kg}$.
- Tính toán nhiệt động: Xác lập phương trình cân bằng năng lượng dạng bậc hai theo nhiệt độ cuối quá trình cháy $T_z$, giải phương trình thu được nghiệm nhiệt độ cuối quá trình cháy $T_z = 2256,12\text{ K}$.
- Tỷ số tăng áp suất $\lambda_p = p_z / p_c$; Tỷ số giãn nở sớm $\rho$ và tỷ số giãn nở muộn $\delta$ được xác lập phù hợp với chu trình động cơ diesel.
- Kiểm tra sai số nhiệt độ khí sót: So sánh giữa giá trị tính toán theo công thức nhiệt động và giá trị giả định ban đầu ($T_r = 750\text{ K}$), kết quả sai số nằm trong giới hạn cho phép.
-
Xác định các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật:
- Hệ số điền đầy đồ thị công: $\varphi_d = 0,96$ (đối với động cơ diesel buồng cháy không phân chia).
- Áp suất chỉ thị trung bình thực tế: $p_i = 1,892\text{ MPa}$.
- Áp suất tổn thất cơ khí trung bình tính theo vận tốc pít tông $C_{TB} = 8\text{ m/s}$:
$$p_{co} = 0,09 + 0,012 \times C_{TB} = 0,09 + 0,012 \times 8 = 0,186\text{ MPa}$$
- Áp suất có ích trung bình:
$$p_e = p_i - p_{co} = 1,892 - 0,186 = 1,706\text{ MPa}$$
- Mô-men xoắn có ích tính toán tại chế độ kiểm nghiệm đạt giá trị xấp xỉ danh định $M_{e\max} = 310\text{ Nm}$ với sai số nhỏ, thỏa mãn điều kiện kiểm nghiệm.
-
Xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ:
Đặc tính ngoài được thiết lập bằng công thức kinh nghiệm Khơ-lư-stốp Lay-đéc-man dựa trên công suất định mức $N_{eđm} = 100\text{ kW}$ tại số vòng quay định mức $n_{đm} = 3600\text{ vòng/phút}$. Bảng giá trị tính toán biến thiên từ $600$ đến $3600\text{ vòng/phút}$ được xác lập như sau:
| Số vòng quay $n$ (v/ph) |
Công suất có ích $N_e$ (kW) |
Mô-men xoắn $M_e$ (Nm) |
Suất tiêu hao $g_e$ (g/kWh) |
Tiêu hao giờ $G_{nl}$ (g/h) |
| 600 |
12,037 |
150,368 |
150,324 |
1809,454 |
| 900 |
20,313 |
175,260 |
139,564 |
2834,969 |
| 1200 |
29,630 |
201,463 |
130,387 |
3863,354 |
| 1500 |
39,641 |
230,205 |
122,791 |
4867,567 |
| 1800 |
50,000 |
275,983 |
116,778 |
5838,913 |
| 2100 |
60,359 |
289,231 |
112,348 |
6781,191 |
| 2400 |
70,370 |
298,268 |
109,499 |
7705,472 |
| 2700 |
79,688 |
315,158 |
108,234 |
8624,911 |
| 3000 |
87,963 |
297,216 |
108,550 |
9548,381 |
| 3300 |
94,850 |
275,547 |
110,449 |
10476,069 |
| 3600 |
100,000 |
252,365 |
113,930 |
11393,000 |
Phần III: Tính toán động lực học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền (Chế độ $M_{e\max}$)
Phần này thực hiện phân tích lực tác dụng trong cơ cấu biến đổi chuyển động của động cơ tại chế độ mô-men cực đại.
-
Triển khai đồ thị lực khí thể theo góc quay trục khuỷu ($P_k - \alpha$):
- Lực khí thể tác dụng lên đỉnh pít tông:
$$P_k = (p - p_0) \times \frac{\pi D^2}{4}\text{ [MN]}$$
với $p$ là áp suất trong xy lanh biến thiên theo chu trình, $p_0 = 0,103\text{ MPa}$ là áp suất môi trường phía dưới buồng các-te, đường kính xy lanh $D = 86\text{ mm} = 0,086\text{ m}$.
- Tỷ lệ xích áp suất trên đồ thị công chọn $\mu_p = 0,0494\text{ MPa/mm}$, từ đó xác định tỷ lệ xích lực $\mu_P = 2,87 \times 10^{-4}\text{ MN/mm}$.
- Sử dụng phương pháp vòng tròn Brich để xác định quan hệ chuyển vị của pít tông và góc quay $\alpha$ ($0^\circ \div 720^\circ$): bán kính quay trục khuỷu $R = S/2 = 48\text{ mm} = 0,048\text{ m}$; đường kính vòng tròn Brich trên bản vẽ chọn $AB = 132\text{ mm}$; hệ số kết cấu thanh truyền $\lambda = R / L_t = 0,25$; khoảng cách dời tâm $OO' = \frac{AB \times \lambda}{4} = \frac{132 \times 0,25}{4} = 8,25\text{ mm}$.
-
Quy dẫn khối lượng chuyển động:
- Khối lượng chuyển động tịnh tiến ($m_j$):
- Khối lượng pít tông ($m_{pt}$): $0,72\text{ kg}$
- Khối lượng bộ xéc-măng ($m_{xm}$): $0,06\text{ kg}$
- Khối lượng chốt pít tông và vòng hãm ($m_{chot}$): $0,105\text{ kg}$
- Khối lượng guốc trượt: $0\text{ kg}$
- Khối lượng nhóm thanh truyền quy dẫn về tâm chốt pít tông ($m_1$): $0,275\text{ kg}$
- Tổng khối lượng chuyển động tịnh tiến: $m_j = 0,72 + 0,06 + 0,105 + 0,275 = 1,16\text{ kg}$.
- Khối lượng thanh truyền quy dẫn về tâm đầu to ($m_2$): $0,745\text{ kg}$.
- Khối lượng khuỷu trục: Các phần khối lượng không cân bằng của má khuỷu và cổ khuỷu được quy dẫn về đường tâm cổ khuỷu, kết hợp với các đối trọng để cân bằng lực quán tính ly tâm.
-
Lực quán tính và tổng hợp lực:
- Vận tốc góc tính toán của trục khuỷu: $\omega = 377\text{ rad/s}$.
- Lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến:
$$P_j = -m_j \times R \times \omega^2 \times (\cos\alpha + \lambda \cos 2\alpha) \times 10^{-6}\text{ [MN]}$$
- Lực tác dụng tổng cộng lên pít tông dọc theo phương đường tâm xy lanh:
$$P_\Sigma = P_k + P_j\text{ [MN]}$$
Giá trị $P_\Sigma$ được tổng hợp trực tiếp từ lực khí thể $P_k$ và lực quán tính chuyển động tịnh tiến $P_j$ cho từng góc quay $\alpha$ từ $0^\circ$ đến $720^\circ$, phục vụ cho các bước phân tích tiếp theo về lực pháp tuyến tác dụng lên thành xy lanh và lực tiếp tuyến sinh mô-men quay trên trục khuỷu.
Kết quả và đóng góp kỹ thuật
Kết quả chính
- Xác lập đầy đủ hệ thống thông số nhiệt động của chu trình công tác động cơ TOYOTA 2AD-FTV ở chế độ $M_{e\max}$: xác định áp suất chỉ thị trung bình $p_i = 1,892\text{ MPa}$, áp suất tổn hao cơ khí trung bình $p_{co} = 0,186\text{ MPa}$ và áp suất có ích trung bình $p_e = 1,706\text{ MPa}$.
- Kiểm chứng độ chính xác của các giả định nhiệt động thông qua việc so sánh nhiệt độ khí sót tính toán với giá trị chọn trước ($T_r = 750\text{ K}$) và đối chiếu mô-men xoắn tính toán với giá trị danh định $M_{e\max} = 310\text{ Nm}$, kết quả đều nằm trong phạm vi sai số cho phép.
- Tính toán và lập bảng số liệu toàn diện cho đường đặc tính ngoài của động cơ từ $600$ đến $3600\text{ vòng/phút}$. Kết quả tính toán chỉ ra điểm cực trị mô-men xoắn đạt $315,158\text{ Nm}$ tại vùng tốc độ $2700\text{ vòng/phút}$ và suất tiêu hao nhiên liệu có ích đạt mức thấp nhất là $108,234\text{ g/kWh}$ tại cùng vùng tốc độ này.
- Hoàn thành việc quy dẫn khối lượng động học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền với tổng khối lượng tịnh tiến $m_j = 1,16\text{ kg}$, khối lượng thanh truyền quy dẫn về tâm cổ biên $m_2 = 0,745\text{ kg}$, làm cơ sở xây dựng đường cong lực quán tính $P_j$ và tổng lực tác dụng $P_\Sigma$ theo góc quay trục khuỷu $\alpha$ từ $0^\circ$ đến $720^\circ$.
Đề xuất và kiến nghị kỹ thuật
- Về chế độ vận hành: Vùng vòng quay $2100 \div 2700\text{ vòng/phút}$ là dải làm việc mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất của động cơ TOYOTA 2AD-FTV, nơi mô-men xoắn đạt giá trị tối ưu ($289,2 \div 315,2\text{ Nm}$) và suất tiêu hao nhiên liệu ở mức thấp nhất ($108,2 \div 112,3\text{ g/kWh}$).
- Về công tác bảo dưỡng: Do động cơ sử dụng hệ thống phun Common Rail áp suất cao và tiêu chuẩn khí thải EURO IV, cần bảo đảm nhiên liệu diesel đạt chỉ số Cetane tối thiểu 48; định kỳ thay thế phần tử giấy lọc của cốc lọc dầu bôi trơn, kiểm tra hoạt động đóng mở của van một chiều tại 4 vòi phun dầu làm mát đỉnh pít tông và duy trì sử dụng đúng chủng loại dung dịch làm mát chuyên dụng Toyota SLLC.
Đóng góp kỹ thuật
- Đồ án tổng hợp có hệ thống các dữ liệu kỹ thuật chi tiết về kết cấu cơ khí của thế hệ động cơ diesel TOYOTA 2AD-FTV sử dụng hệ thống nạp tăng áp và nhiên liệu Common Rail.
- Cung cấp tập hợp số liệu tính toán kiểm nghiệm nhiệt và động lực học hoàn chỉnh, có thể sử dụng làm cơ sở đối chiếu trong công tác chẩn đoán, đánh giá mức độ mài mòn và khai thác kỹ thuật dòng xe Toyota RAV4 đời 2007 tại Việt Nam.
Hạn chế và hướng phát triển đề tài
- Hạn chế:
- Toàn bộ kết quả chu trình nhiệt và động lực học được xây dựng dựa trên phương pháp tính toán giải tích kết hợp công thức thực nghiệm lý thuyết, chưa có điều kiện đo đạc kiểm chứng đối chứng trên băng thử công suất động cơ (dynamometer).
- Để đơn giản hóa quá trình tính động lực học, tác giả đã bỏ qua hệ số lệch tâm của chốt pít tông ($k = 0$) và giả thiết các khoang rỗng chứa dầu bôi trơn trong trục khuỷu có tính đối xứng hoàn toàn.
- Văn bản mới chỉ trình bày chi tiết các bước tính toán chu trình công tác ở chế độ mô-men xoắn lớn nhất $M_{e\max}$, chưa trình bày bảng tính chi tiết từng bước cho riêng chế độ công suất cực đại $N_{e\max}$ trong phần chu trình nhiệt.
- Hướng phát triển:
- Mở rộng tính toán kiểm nghiệm độ bền mỏi và độ biến dạng nhiệt của pít tông, thanh truyền và các cổ trục khuỷu dưới tác dụng của tải trọng cơ học ($P_\Sigma$) và trường nhiệt độ chu trình.
- Ứng dụng các phần mềm mô phỏng nhiệt - khí động học chuyên sâu để mô phỏng trường xoáy lốc của dòng khí nạp và quá trình hình thành muội than, $NO_x$ trong buồng cháy động cơ.
Giá trị tham khảo chuyên ngành
Tài liệu này hữu ích đối với:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô: Sử dụng làm tài liệu tham khảo trực tiếp cho đồ án môn học Động cơ đốt trong hoặc đồ án tốt nghiệp chuyên ngành về mảng tính toán nhiệt động và động lực học cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền.
- Kỹ sư và kỹ thuật viên ngành ô tô: Tham khảo cấu tạo chi tiết các cụm kết cấu hiện đại của động cơ Toyota 2AD-FTV như cơ cấu căng xích thủy lực, con đội thủy lực khử khe hở nhiệt xupap, hệ thống tuần hoàn khí xả làm mát bằng nước và hệ thống phun Common Rail.
- Nội dung có giá trị tham khảo cao nhất: Bảng số liệu tính toán đặc tính ngoài theo phương pháp Khơ-lư-stốp Lay-đéc-man và các bước triển khai đồ thị lực khí thể theo góc quay $\alpha$ bằng phương pháp vòng tròn Brich kèm các số liệu quy dẫn khối lượng cơ cấu sinh công.
Câu hỏi thường gặp
1. Động cơ TOYOTA 2AD-FTV có các thông số kích thước cơ bản và tỷ số nén danh định là bao nhiêu?
Động cơ có 4 xy lanh thẳng hàng với dung tích công tác $2231\text{ cm}^3$, đường kính xy lanh $D = 86,0\text{ mm}$, hành trình pít tông $S = 96,0\text{ mm}$, tỷ số $S/D \approx 1,116$ và tỷ số nén $\varepsilon = 16,8 : 1$.
2. Cơ cấu phân phối khí trên động cơ 2AD-FTV sử dụng giải pháp gì để giảm ma sát và hạn chế tiếng ồn?
Động cơ sử dụng cơ cấu DOHC 16 van với cò mổ kiểu con lăn có gắn ổ đũa kim để giảm ma sát tiếp xúc với vấu cam. Để triệt tiêu khe hở nhiệt và giảm tiếng ồn va đập khi đóng mở van, động cơ bố trí con đội thủy lực tự động điều chỉnh khe hở hoạt động dựa trên áp lực dầu bôi trơn và lò xo ép.
3. Ở chế độ kiểm nghiệm $M_{e\max}$, áp suất chỉ thị trung bình ($p_i$) và áp suất có ích trung bình ($p_e$) được tính toán bằng bao nhiêu?
Kết quả tính toán xác định áp suất chỉ thị trung bình thực tế $p_i = 1,892\text{ MPa}$ (ứng với hệ số điền đầy $\varphi_d = 0,96$). Áp suất tổn thất cơ khí trung bình ở vận tốc pít tông $8\text{ m/s}$ là $p_{co} = 0,186\text{ MPa}$, dẫn đến áp suất có ích trung bình đạt $p_e = 1,706\text{ MPa}$.
4. Khối lượng chuyển động tịnh tiến ($m_j$) quy dẫn của cơ cấu sinh công có giá trị bao nhiêu và gồm những thành phần nào?
Tổng khối lượng chuyển động tịnh tiến là $m_j = 1,16\text{ kg}$, bao gồm: nhóm pít tông ($0,72\text{ kg}$), các xéc-măng ($0,06\text{ kg}$), chốt pít tông kèm vòng khóa hãm ($0,105\text{ kg}$) và phần khối lượng thanh truyền quy dẫn về tâm chốt pít tông ($0,275\text{ kg}$).
5. Đồ thị đặc tính ngoài theo phương pháp Khơ-lư-stốp Lay-đéc-man ghi nhận điểm làm việc có suất tiêu hao nhiên liệu thấp nhất ở tốc độ nào?
Theo bảng tính đặc tính ngoài từ $600$ đến $3600\text{ vòng/phút}$, suất tiêu hao nhiên liệu có ích đạt giá trị nhỏ nhất tại số vòng quay $n = 2700\text{ vòng/phút}$ với $g_e = 108,234\text{ g/kWh}$, tương ứng mô-men xoắn đạt đỉnh $315,158\text{ Nm}$ và công suất có ích đạt $79,688\text{ kW}$.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp đã trình bày chi tiết bức tranh kỹ thuật toàn diện về kết cấu động cơ diesel hiện đại TOYOTA 2AD-FTV trang bị trên xe Toyota RAV4 đời 2007. Bằng việc áp dụng các mô hình nhiệt động và động học kinh điển kết hợp với công thức thực nghiệm chuyên ngành, nghiên cứu đã kiểm nghiệm thành công chu trình công tác ở chế độ mô-men xoắn cực đại, xây dựng đường đặc tính ngoài và xác lập biểu đồ phụ tải tác dụng lên cơ cấu biên - trục khuỷu. Kết quả tính toán cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật tin cậy phục vụ nghiên cứu học thuật, giảng dạy cũng như định hướng khai thác, bảo dưỡng hiệu quả dòng động cơ này trong thực tế.
