Chương 1 CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG DÙNG TRÊN Ô TÔ Mục đích: Trong chương này, chúng ta khảo sát các đặc tính của động cơ theo quan điểm coi động cơ là nguồn sức kéo của ô tô. Các phân tích phần lớn tập trung vào các loại động cơ đốt trong kiểu piston. Mục tiêu: Sau khi học xong chương này, các sinh viên có khả năng: Trình bày được những yêu cầu đối với động cơ dùng trên ô tô. Nêu được các khái niệm về đặc tính công suất của động cơ.
Vẽ được các đường đặc tính ngoài của động cơ đốt trong trên ô tô. Áp dụng được công thức S.Lây Đécman để xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ. Trình bày được đặc tính tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất của động cơ. Vẽ và giải thích được đường đặc tính lý tưởng của động cơ dùng trên ô tô.
NHỮNG YÊU CẦU ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ DÙNG TRÊN Ô TÔ Động cơ dùng trên ô tô phải đáp ứng được các yêu cầu sau: Cung cấp cho xe một công suất cần thiết đủ để khắc phục các lực cản chuyển động và thay đổi được vận tốc của xe theo yêu cầu. Phải có hiệu suất lớn nhất có thể được. Lượng nhiên liệu tiêu hao càng ít càng tốt. Có khối lượng và thể tích nhỏ nhất.
Phải có độ bền và độ tin cậy cao khi làm việc. Tạo điều kiện dễ dàng cho công việc bảo dưỡng và sữa chữa. Phải giảm tối đa lượng khí thải độc hại và tiếng ồn. Có giá thành thấp để tăng tính cạnh tranh trên thị trường.
CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.Đặc tính công suất Để xác định được lực hoặc mômen tác dụng lên các bánh xe chủ động của ô tô, chúng ta cần phải nghiên cứu đặc tính công suất của động cơ đốt trong loại piston. Đặc tính công suất mô tả quan hệ giữa công suất Pe và hai thành phần của nó là mômen Me và tốc độ góc e (hay số vòng quay ne). Thông thường nó được biểu diễn qua đặc tính tốc độ của mômen Me( e) hay đặc tính tốc độ của công suất P e ( e). Mối quan hệ giữa Pe, Me, e được biểu diễn theo công thức: Pe = Me e (1.1) Me – Mômen xoắn của động cơ.
Pe – Công suất của động cơ. e – Vận tốc góc của động cơ. Thông thường chúng ta hay sử dụng đặc tính Pe, Me( e ) khi động cơ làm việc ở chế độ cung cấp nhiên liệu lớn nhất, thường gọi là đặc tính ngoài. Chế độ danh định là một điểm trên đặc tính ngoài, thông thường ứng với công suất cực đại, lúc đó các thông số có ký hiệu: P emax, Mep, ep.
Chế độ mômen xoắn cực đại ứng với các thông số Pem, Memax, em và ta có một số khái niệm sau đây: Hệ số đàn hồi (thích ứng) của động cơ theo mômen: M emax Km = (1.2) M ep Memax – Mômen xoắn cực đại của động cơ. Km – Hệ số thích ứng của động cơ theo mômen. Đối với từng loại động cơ, hệ số thích ứng theo mômen có giá trị sau: Động cơ xăng: Km = 1,1 ÷ 1,35 Động cơ diesel không có phun đậm đặc: K m = 1,1 ÷ 1,15 Động cơ diesel có phun đậm đặc: Km = 1,1 ÷1,25 Hệ số đàn hồi (thích ứng) theo tốc độ: ω em Kn = P (1.3) ωe 6 Ở chế độ danh định, khi biết Km thì: Pemax Memax = Km.4) ω eP Ta xây dựng đường đặc tính bằng cách thử động cơ trên bệ thử trong các điều kiện thử xác định, nhưng công suất động cơ trên bệ thử khác với công suất sử dụng thực tế của động cơ đặt trên xe. Vì vậy, ta đưa ra thông số hệ số công suất hữu ích ηp: P = P’ηp (1.5) P’ – Công suất thử.
P – Công suất thực tế.6) ηp’ = 0,92 ÷ 0,96 – Đặc trưng cho sai biệt công suất do thay đổi một số trang bị của động cơ khi thử. ηp’’ – Đặc trưng cho ảnh hưởng của môi trường khi thử. Động cơ diesel: ηp’’ = 1 q 293 Động cơ xăng: ηp’’= 0,101 273 t Với: q (MPa), t (0C) là áp suất và nhiệt độ phòng thử. Khi tính toán lực kéo hoặc mômen xoắn chủ động ở các bánh xe, chúng ta cần phải có đặc tính ngoài của động cơ đốt trong.
Đặc tính ngoài của động cơ cho các trị số lớn nhất của mômen, công suất ở số vòng quay xác định. Các trị số nhỏ hơn của mômen hoặc công suất có thể nhận được bằng cách giảm mức cung cấp nhiên liệu. Dưới đây là các đặc tính ngoài của các loại động cơ khác nhau: Hình 1.1: Đặc tính ngoài của động cơ xăng không hạn chế số vòng quay. 7 Động cơ xăng không có bộ phận hạn chế số vòng quay thường dùng cho xe du lịch.
Để giảm tải trọng và mài mòn, giá trị ωe max thường không vượt quá ωep từ 10 ÷ 20%.2: Đặc tính ngoài của động cơ xăng có hạn chế số vòng quay. Động cơ xăng có bộ phận hạn chế số vòng quay thường dùng trên xe tải nhằm tăng tuổi thọ của động cơ, thường chọn e max = (0,8 0,9) ep .3: Đặc tính ngoài của động cơ diesel. 8 Động cơ diesel dùng ở ô tô đều được trang bị bộ điều tốc. Bộ điều tốc sẽ giữ cho chế độ làm việc của động cơ ở vùng tiêu hao nhiên liệu riêng ít nhất.
Chú ý: Tiêu chuẩn thử động cơ để nhận được đường đặc tính ngoài ở mỗi nước một khác, vì vậy mà cùng một động cơ nhưng thử ở những nước khác nhau sẽ cho giá trị công suất khác nhau. Khi không có đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ bằng thực nghiệm, ta có thể xây dựng đường đặc tính nói trên nhờ công thức kinh nghiệm của S. Việc sử dụng quan hệ giải tích giữa công suất, mômen xoắn với số vòng quay của động cơ theo công thức Lây Đécman để tính toán sức kéo sẽ thuận lợi hơn nhiều so với khi dùng đồ thị đặc tính ngoài bằng thực nghiệm, nhất là hiện nay việc sử dụng máy vi tính đã trở nên phổ cập.Lây Đécman có dạng như sau: 2 3 n ne ne Pe = Pemax a p b p c p e (1.7) n e ne n e Pe, ne – Công suất hữu ích của động cơ và số vòng quay của trục khuỷu ứng với một điểm bất kỳ của đồ thị đặc tính ngoài; Pemax, n eP – Công suất có ích cực đại và số vòng quay ứng với công suất nói trên a, b, c: Các hệ số thực nghiệm được chọn theo loại động cơ như sau: Đối với động cơ xăng: a = b = c = 1 Đối với động cơ điêden 2 kỳ: a = 0,87 ; b = 1,13 ; c = 1 Đối với động cơ điêden 4 kỳ có buồng cháy trực tiếp: a = 0,5 ; b = 1,5 ; c = 1 Đối với động cơ điêden 4 kỳ có buồng cháy dự bị: a = 0,6 ; b = 1,4 ; c = 1 Đối với động cơ điêden 4 kỳ có buồng cháy xoáy lốc: a = 0,7 ; b = 1,3 ; c = 1 Cho các trị số n e khác nhau, dựa theo công thức (1.7) sẽ tính được công suất Pe tương ứng và từ đó vẽ được đồ thị Pe = f(ne). 9 Có các giá trị Pe và ne có thể tính được các giá trị mômen xoắn M e của động cơ theo công thức sau: 10 4 Pe Me = (1.8) 1,047 n e Pe – Công suất của động cơ ( kW) ne – Số vòng quay của trục khuỷu ( vg/ph) Me – Mômen xoắn của động cơ (N.m) Có các giá trị Pe, Me tương ứng với các giá trị n e ta có thể vẽ đồ thị Pe = f(ne) và đồ thị Me = f’(ne).
Như vậy, sau khi xây dựng được đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ, chúng ta mới có cơ sở để nghiên cứu tính chất động lực học của ô tô. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất của động cơ Tính kinh tế của động cơ khi làm việc được đánh giá qua các thông số sau đây: Tiêu hao nhiên liệu theo thời gian tính theo khối lượng, ký hiệu Q. Tiêu hao nhiên liệu theo thời gian tính theo thể tích, ký hiệu Q v.9) – Khối lượng riêng của nhiên liệu (kg/m3). Q – Có đơn vị là kg/s, g/s, kg/h.
Qv – Có đơn vị là m3/s, cm3/s, dm3/s. Tiêu hao nhiên liệu theo khối lượng q (kg/J, g/MJ, g/kWh).10) Pe Chuyển đổi đơn vị: 1g/MJ=3,6g/kWh=2,65g/m. Hiệu suất của động cơ được đánh giá thông qua quá trình biến đổi hóa năng thành cơ năng. Hiệu suất biến đổi hóa năng thành cơ năng được xác định: Pe Pe 1 = (1.11) Ph H n Q H n q Ph – Là hóa năng của động cơ tính trên một đơn vị thời gian.
10 Hn – Là năng lượng riêng theo khối lượng của nhiên liệu. Hn – Có đơn vị là J/kg hay MJ/kg. Đối với các đơn vị thực tế hay dùng thì ta có: 1000 Với: H n (MJ/kg), q (g/MJ). Hn q Hoặc: 3600 Với: H n (MJ/kg), q (g/kWh).
ĐẶC TÍNH LÝ TƢỞNG CỦA ĐỘNG CƠ DÙNG TRÊN Ô TÔ VÀ KHUYNH HƢỚNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1. Đặc tính lý tƣởng của động cơ dùng trên ô tô Đặc tính công suất lý tưởng của động cơ có dạng như sau: Hình 1.4: Đặc tính công suất lý tưởng của các động cơ dùng trên ô tô. Ở tốc độ e max của động cơ, ô tô sẽ đạt tốc độ cực đại theo yêu cầu, còn tại giá trị Memax, ô tô sẽ đạt được độ dốc cực đại hay gia tốc chuyển động cực đại. Tất nhiên, ô tô không thể cùng lúc leo được độ dốc cực đại với vận tốc cực đại ( ứng với công suất P’ emax nào đó).
Công suất cực đại thực tế được chọn ở chế độ ( Memax, ωem max ) và ở chế độ ( Mevmax , ωe max) và trong khoảng hai chế độ này công suất Pemax phải được duy trì không đổi. Các động cơ dùng trên ô tô không có đặc tính lý tưởng như vậy, vì thế trên xe luôn phải có hệ thống truyền lực với nhiều cấp số thay đổi. Khuynh hƣớng sử dụng động cơ điện Ngày nay, động cơ điện cũng được dùng nhiều trên ô tô. Có nhiều loại động cơ điện khác nhau, nhưng ở đây chúng ta chỉ tìm hiểu đường đặc tính của động cơ điện một chiều vì chúng được dùng phổ biến trên ô tô nhất.