CHƯƠNG 1 CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG DÙNG TRÊN Ô TÔ Mục tiêu : Sau khi học xong chương này các sinh viên có khả năng: 1. 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 ngồi của động cơ đốt trong trên ô tô.
Áp dụng được công thức S.Lây Đécman để xây dựng đường đặc tính ngồi 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 ωe (hay số vòng quay ne). Thông thường nó được biểu diễn qua đặc tính tốc độ của mômen Me(ωe) hay đặc tính tốc độ của công suất Pe (ωe). Mối quan hệ giữa Pe, Me, ωe được biểu diễn theo công thức: Pe = Meωe (1.1) Với : Me – Mômen xoắn của động cơ. Pe – Công suất của động cơ.
ωe – Vận tốc góc của động cơ. Thông thường chúng ta hay sử dụng đặc tính Pe, Me(ωe) khi động cơ làm việc ở chế độ cung cấp nhiên liệu lớn nhất, thường gọi là đặc tính ngồi. Chế độ danh định là một điểm trên đặc tính ngồi, thông thường ứng với công suất cực đại, lúc đó các thông số có ký hiệu: Pemax, Mep, ωep. Chế độ mômen xoắn cực đại ứng với các thông số Pem, Memax, ωem 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 Ở đây : 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 như sau: – Động cơ xăng: Km = 1,1 ÷ 1,35 – Động cơ diesel không có phun đậm đặc: Km = 1,1 ÷ 1,15 – Động cơ diesel có phun đậm đặc: Km = 1,1 ÷1,25 8 * Hệ số đàn hồi (thích ứng) theo tốc độ: ω em Kn = (1.3) ω eP 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 p: P = P’ p (1.5) Trong đó: P’– công suất thử. P – công suất thực tế.6) Trong đó : ’ p= 0,92 ÷ 0,96 – Đặc trưng cho sai biệt công suất do thay đổi một số trang bị của động cơ khi thử.
’’ p – Đặc trưng cho ảnh hưởng của môi trường khi thử. – Động cơ diesel: p’’ = 1 q 293 – Động cơ xăng: p’’= 0,101 273 t 0 Với: q (MPa), t ( C) là áp suất và nhiệt độ phòng thử. ính tốn lực kéo hoặc mômen xoắn chủ động ở các bánh xe chúng ta cần phải có đặc tính ngồi của động cơ đốt trong. Đặc tính ngồi 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 ngồi của các loại động cơ khác nhau : Pe Me Pemax Pe Pem Memax Me 9 ω em Hình 1.1: Đặc tính ngồi của động cơ xăng không hạn chế số vòng quay. 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%.
Pe M ep Me Pemax Pe 0 ωe ωe min ω p e ωe max Me 0 ω ep ωe m ωe min ω e ωe max Hình 1.2: Đặc tính ngồi 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. Pe Me ge Pemax M emax M ep 0 ge ωmin gemin ωe max 0 ωe ωHình ω em ngồiωcủa e min 1.3: Đặc tính p e động cơ diesel. 10 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 ngồi 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 ngồi 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 tốn sức kéo sẽ thuận lợi hơn nhiều so với khi dùng đồ thị đặc tính ngồi 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 Ở đây : 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 ngồi; 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 xốy lốc : a = 0,7 ; b = 1,3 ; c = 1 Cho các trị số ne khác nhau, dựa theo công thức (1.7) sẽ tính được công suất Pe ương ứng và từ đó vẽ được đồ thị Pe = f(ne).
Có các giá trị Pe và ne có thể tính được các giá trị mômen xoắn Me của động cơ theo công thức sau : 10 4 Pe Me = (1.8) 1,047 n e Ở đây : Pe – công suất của động cơ ( kW) ne – số vòng quay của trục khuỷu ( v/ph) Me – mômen xoắn của động cơ (N.m) 11 Có các giá trị Pe , Me tương ứng với các giá trị ne 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 ngồi 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 Qv.9) Ở đây : – 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 Ở đây: Ph – Là hóa năng của động cơ tính trên một đơn vị thời gian. 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: Hn (MJ/kg), q (g/MJ).
Hn q Hoặc: 3600 Với: Hn (MJ/kg), q (g/kWh). ĐẶC TÍNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ DÙNG TRÊN Ô TÔ VÀ KHUYNH HƯỚNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN : 1. Đặc tính lý tưởng của động cơ dùng trên ô tô : 12 Đặc tính công suất lý tưởng của động cơ có dạng như sau: Me Pe P’max Mmax P’max Pmax=const Pmax Mvmax 0 ωe 0 ωe ωem max ωe max ωem max ωe max Hình 1.4: Đặc tính công suất lý tưởng của các động cơ dùng trên ôtô. Ở tốc độ ωe max của động cơ, ôtô sẽ đạt tốc độ cực đại theo yêu cầu, còn tại giá trị Mmax , ôtô sẽ đạt được độ dốc cực đại hay gia tốc chuyển động cực đại.
Tất nhiên, ôtô không thể cùng lúc leo được độ dốc cực đại với vận tốc cực đại ( ứng với công suất P’max nào đó). Công suất cực đại thực tế được chọn ở chế độ ( Mmax , ωem max ) và ở chế độ (Mvmax , ωe max) và trong khoảng hai chế độ này thì công suất Pmax phải được duy trì không đổi.