Đồ án: Ứng dụng Matlab GUI tính toán động học và động lực học động cơ

Đồ án ứng dụng Matlab GUI tính toán động học và động lực học động cơ đốt trong. Phân tích chi tiết, mô phỏng đồ thị và xây dựng đặc tính động cơ.

• Tác giả: Đoàn Minh Quân
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Quốc Ấm
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Ứng dụng Matlab (GUI) trong tính toán động học và động lực học động cơ đốt trong
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Matlab GUI và Ứng dụng trong Tính toán Động cơ

Matlab GUI (Graphical User Interface) là công具 mạnh mẽ cho phép các kỹ sư và nhà khoa học tạo ra các ứng dụng tính toán với giao diện người dùng thân thiện. Trong lĩnh vực động học động cơ đốt trong, việc ứng dụng Matlab GUI giúp đơn giản hóa các phép tính phức tạp liên quan đến chuyển động piston, thanh truyền và khuỷu trục. Công cụ này cho phép người dùng nhập các thông số động cơ, tính toán tự động các đặc tính động lực học, và hiển thị kết quả thông qua các đồ thị trực quan. Ứng dụng Matlab GUI trong tính toán động lực học động cơ giúp rút ngắn thời gian thiết kế, tăng độ chính xác và tạo điều kiện cho việc so sánh các phương án khác nhau.

1.1. Khái niệm về Matlab Guide và các tính năng cơ bản

Matlab Guide là bộ công cụ phát triển giao diện đồ họa giúp tạo các ứng dụng Windows chuyên nghiệp. Các tính năng chính bao gồm: khả năng vẽ đồ thị động, xử lý dữ liệu số, tích hợp phương trình toán học phức tạp. Với giao diện trực quan, người dùng có thể thiết kế các button, text field, dropdown menu để nhập liệu và hiển thị kết quả tính toán động cơ đốt trong một cách hiệu quả.

1.2. Lợi thế của GUI trong tính toán động lực học

Sử dụng Matlab GUI mang lại nhiều lợi thế như giao diện user-friendly, tự động hóa quá trình tính toán động học và động lực học, khả năng tạo đồ thị chi tiết, lưu trữ và xuất dữ liệu linh hoạt. Điều này giúp sinh viên kỹ thuật, nhà thiết kế động cơ có công cụ hỗ trợ đắc lực trong quá trình tính toán động cơ đốt trong.

II. Cơ sở Lý thuyết về Động học Cơ cấu Piston Khuỷu trục Thanh truyền

Động học của cơ cấu piston-khuỷu trục-thanh truyền là nền tảng cơ bản trong thiết kế động cơ đốt trong. Cơ cấu này chịu trách nhiệm chuyển chuyển động quay của khuỷu trục thành chuyển động tuyến tính của piston. Phân tích động học động cơ yêu cầu xác định vị trí, vận tốc và gia tốc của piston tại mỗi độ quay của khuỷu trục. Các thông số quan trọng bao gồm hành trình piston (S), tỷ số khuỷu trục (r), tỷ số thanh truyền (λ), và góc quay khuỷu trục (φ). Việc tính toán chính xác những thông số này là cần thiết để đánh giá hiệu suất động cơ và thiết kế các thành phần cơ học phù hợp.

2.1. Phương trình động học của piston theo phương pháp giải tích

Phương pháp giải tích trong tính toán động học piston sử dụng các phương trình toán học để xác định vị trí tức thời. Công thức chính là x = r(1 - cosφ) + λr(1 - √(1 - sin²φ/λ²)), trong đó x là vị trí piston, r là bán kính khuỷu trục, φ là góc quay. Gia tốc piston được tính từ đạo hàm cấp hai của vị trí, điều này rất quan trọng trong tính toán động lực học động cơ.

2.2. Các tham số đặc trưng của cơ cấu truyền động

Các tham số chính bao gồm tỷ số khuỷu trục λ (thanh truyền/khuỷu trục), hành trình S = 2r, và tỷ số nén ε. Những thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất động lực học động cơ đốt trong, lực tác dụng lên các bộ phận, và độ mòn của cơ cấu. Việc lựa chọn các tham số này là bước quan trọng trong thiết kế động cơ.

III. Tính toán Động lực học và Xây dựng Đường Đặc tính Ngoài

Động lực học của cơ cấu khuỷu trục liên quan đến việc phân tích các lực tác dụng lên piston, thanh truyền, và khuỷu trục. Trong động cơ đốt trong, lực áp suất gas từ quá trình cháy, lực quán tính của các bộ phận chuyển động, tạo ra momen cộng với lực cản từ ma sát. Đường đặc tính ngoài của động cơ thể hiện mối quan hệ giữa công suất, momen, suất tiêu hao nhiên liệu theo tốc độ quay. Việc xây dựng đường đặc tính này giúp đánh giá hiệu suất làm việc của động cơ ở các chế độ khác nhau. Sử dụng Matlab GUI cho phép tính toán nhanh chóng các giá trị và vẽ đồ thị đặc tính một cách chính xác.

3.1. Phân tích lực và momen trong cơ cấu khuỷu trục

Trong tính toán động lực học, cần xác định tất cả lực tác dụng bao gồm: lực áp suất gas Pgas, lực quán tính Jm, lực ma sát Ff. Momen tác dụng trên khuỷu trục được tính từ tích của lực tiếp tuyến và bán kính. Momen hữu ích (Me) là tham số quan trọng thể hiện khả năng cung cấp năng lượng của động cơ đốt trong. Việc tính toán chính xác giúp đảm bảo độ bền và hiệu suất của động cơ.

3.2. Xây dựng và phân tích đường đặc tính ngoài

Đường đặc tính ngoài được xây dựng bằng cách tính toán công suất hữu ích (Ne), momen có ích (Me), và suất tiêu hao nhiên liệu (ge) tại các tốc độ quay khác nhau từ không tải đến tốc độ định mức. Các thông số này cho phép xác định tốc độ hoạt động tối ưu của động cơ, phạm vi điều khiển, và hiệu suất năng lượng. Matlab GUI giúp tạo các biểu đồ chi tiết và so sánh các phương án khác nhau.

IV. Thiết kế và Triển khai Giao diện Matlab GUI cho Tính toán Động cơ

Thiết kế giao diện Matlab GUI cho ứng dụng tính toán động học động lực học động cơ đòi hỏi sự kết hợp giữa giao diện người dùng trực quan và các thuật toán tính toán chính xác. Giao diện nên bao gồm các phần nhập liệu cho các thông số động cơ (đường kính xilanh, hành trình, tỷ số nén, v.v.), phần hiển thị kết quả tính toán, và phần vẽ đồ thị các đặc tính động lực học. Ứng dụng Matlab GUI cho phép tự động hóa toàn bộ quá trình từ nhập dữ liệu đến hiển thị kết quả, giúp tiết kiệm thời gian và tăng độ chính xác. Các chức năng như lưu kết quả, xuất báo cáo, so sánh các phương án cũng nên được tích hợp để tạo ra một công cụ hoàn chỉnh cho tính toán động cơ đốt trong.

4.1. Các thành phần chính của giao diện GUI

Giao diện GUI cần bao gồm: vùng nhập dữ liệu động cơ, button tính toán, vùng hiển thị kết quả số, và vùng vẽ đồ thị. Mỗi thành phần cần được bố trí hợp lý để người dùng dễ dàng thao tác. Việc sử dụng các label, text box, pop-up menu giúp giao diện Matlab GUI trở nên chuyên nghiệp. Đồ thị động học và đồ thị momen nên được hiển thị rõ ràng để hỗ trợ phân tích kết quả tính toán.

4.2. Tích hợp thuật toán tính toán và xử lý dữ liệu

Phần code chính của Matlab GUI sử dụng callback functions để xử lý các sự kiện nhập liệu. Các phương trình động học và động lực học được lập trình để tính toán tự động khi người dùng nhấn nút tính toán. Hàm vẽ đồ thị trong Matlab giúp hiển thị kết quả một cách trực quan. Việc tích hợp các thuật toán sao cho chính xác và hiệu quả là chìa khóa để ứng dụng Matlab GUI thành công trong tính toán động cơ đốt trong.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Trong quá trình học tập và thì chúng em đã trãi qua môn học “Tính toán động cơ đốt trong”, em cảm thấy quá trình tính toán động cơ rất hay và hữu ích tuy nhiên còn nhiều bất cập như các thông số khi thay đổi sẽ buộc chúng ta tính toán lại từ đầu và việc nhìn nhận sự thay đổi của thông số dẫn đến thay đổi các đặc tính của động cơ là hết sức khó khăn. Bên cạnh đó, qua các môn học thì chúng em đã được tiếp xúc nhiều với phần mềm Matlab, trong phần mềm này có một ứng dụng là Guide một ứng dụng hỗ trợ mô phỏng giao diện người dùng rất độc đáo và rất phù hợp để giải quyết các vấn đề khi tính toán và kiểm nghiệm động cơ. Từ những điều kiện trên , cùng với sự hướng dẫn của thầy TS.

Đỗ Quốc Ấm, chúng em đã lựa chọn đề tài “Ứng dụng Matlab (Guide) trong tính toán động học và động lực học của động cơ đốt trong” nhằm nghiên cứu và trang bị kiến thức thiết kế và tính toán một động cơ đốt trong. Mục tiêu nghiên cứu - Hiểu được ý nghĩa của các thông số ban đầu và thông số được chọn. - Trình bày được các phương trình liên quan đến tính toán nhiệt, động học và động lực học của động cơ đốt trong. -Vẽ được các đồ thị.

- Ứng dụng được phần mềm Matlab/Guide vào đề tài. Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng các thông số lý thuyết sẵn có của xe và các thông số tính toán được để xây dựng đồ thị công, đường dặc tính ngoài, tính toán động học và động lực học của động cơ - Sử dụng phần mềm Matlab(Guide) để thực hiện xây dựng giao diện tính toán vẽ đồ thị một cách tổng quát. 1 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu đối tượng nghiên cứu Trong khuôn khổ của đề tài được giao chúng em lựa chọn dòng xe Toyota Vios 2019 với mã động cơ 2NR-FE không tăng áp để nghiên cứu, dựa trên các thông số kỹ thuật từ nhà sản xuất.

Động cơ 2NR-FE là dạng động cơ 1.5L một biến thể của động cơ loạt NR. Giới thiệu lần đầu tiên quý 4 năm 2010 cho Toyota Etios. Một dạng đổi mới của động cơ này là tích hợp các ống xả vào đầu xilanh để giảm lượng khí thải. Thông số cho trước của động cơ Bảng 2.1 Các thông số cho trước của động cơ Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị 2NR-FE Kiểu động cơ (không tăng áp) Số kỳ τ 4 Số xilanh i 4 Thứ tự công tác 1-3-4-2 Hành trình piston S 90,6 mm Đường kính xylanh D 72,5 mm Góc mở sớm xupap nạp φ1 10 Độ Góc đóng muộn xupap nạp φ2 40 Độ Góc mở sớm xupap xả φ3 60 Độ Góc đóng muộn xupap xả φ4 7 Độ Góc phun sớm φi 20 Độ Công suất định mức Ne 79 kW Số vòng quay định mức n 6000 Vòng/phút Tỷ số nén  11,5 140 Moment xoắn Me Nm /(4200v/p) Làm mát bằng Kiểu làm mát nước 3 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN NHIỆT, XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH NGOÀI, TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐỘNG CƠ 3.

Tính toán nhiệt 3. Các thông số cho trước của động cơ Chọn các thông số cho trước của động cơ để xây dựng lý thuyết đồ thị công chỉ thị của một động cơ cụ thể thông qua các quá trình tính toán nhằm để kiểm nghiệm động cơ so với các phép thử thực tế trên băng tải Trường hợp cụ thể chọn xe, chọn xe Toyota Vios 2019 với mã động cơ 2NR-FE không tăng áp để kiểm nghiệm. Bảng thông số của động cơ 2NR-FE xem bảng 2. Chọn các thông số tính toán nhiệt Trong trường hợp tính toán nhiệt trong bài bài báo cáo này là dùng để kiểm nghiệm động cơ bằng cách sử dụng các thông số đã chọn để tính toán chuyển vị piston, thể tích và áp suất trong lòng xi lanh ở các kì - Áp suất không khí nạp (po) Áp suất của khí nạp (po) (thường là không khí) được nạp vào xi lanh trong quá trình hoạt động của động cơ.

Trong hệ thống động cơ đốt trong, khí nạp được hút vào xi lanh qua hệ thống hút khí hoặc hệ thống turbo. Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển, giá trị po phụ thuộc vào độ cao so với mực nước biển. Càng lên cao thì po càng giảm do không khí càng loãng, tại độ cao so với mực nước biển. po = 0,1 (MN/m2 ) - Nhiệt độ khí nạp mới (To) Nhiệt độ của khí nạp mới (To) trong ô tô là nhiệt độ của không khí sau khi nó đã được nén bởi hệ thống nạp, như là một phần của quá trình làm tăng áp suất trong buồng đốt của động cơ.

Đây là nhiệt độ mà không khí nạp đạt được sau khi nén và trước khi được đưa vào buồng đốt để đốt cháy với nhiên liệu. Nhiệt độ này có thể dao động theo điều kiện hoạt động của động cơ và cũng được kiểm soát để đảm bảo hiệu suất và độ an toàn của hệ thống. Nhiệt độ không khí nạp mới phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ trung bình của môi trường, nơi xe được sử dụng. Điều này hết sức khó khăn đối với xe thiết kế để sử dụng ở 4 những vùng có khoảng biến thiên nhiệt độ trong ngày lớn.

Miền Nam nước ta thuộc khi vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn to=20oC To = to+273 = 20+273 (oK)=293(K) (3.1) - Áp suất khí nạp trước xupap nạp (pk) Áp suất khí nạp trước xupap (pk) (còn được gọi là áp suất nạp) là áp suất của không khí hoặc hỗn hợp khí nén trong hệ thống nạp trước khi nó được đưa vào buồng đốt của động cơ xe ô tô. Áp suất khí nạp trước xupap quyết định lượng khí được đưa vào buồng đốt, ảnh hưởng đến hiệu suất và công suất của động cơ. Điều chỉnh áp suất khí nạp là một trong những yếu tố quan trọng để tối ưu hoá hoạt động của động cơ và đạt được hiệu suất tốt nhất. Xe Vios sử dụng động cơ 4 kỳ không tăng áp nên pk= po= 0,1 (MN/m2) - Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (Tk) Nhiệt độ khí nạp trước xupap (Tk) (còn gọi là nhiệt độ nạp) là nhiệt độ của không khí hoặc hỗn hợp khí nén trong hệ thống nạp trước khi nó được đưa vào buồng đốt của động cơ xe ô tô.

Động cơ 4 kỳ không tăng áp: Tk=To= 293 K - Áp suất cuối quá trình nạp (pa) Áp suất cuối của quá trình nạp (pa) là áp suất của khí nạp sau khi đã được nén hoặc nạp vào hệ thống. Là áp suất cuối cùng của khí sau khi đã trải qua quá trình nạp. Đây có thể là áp suất cuối cùng được đo khi quá trình nạp hoàn tất. Đối với động cơ không tăng áp, áp suất cuối quá trình nạp trong xilanh thường nhỏ hơn áp suất khí quyển, do tổn thất trên ốp nạp và tại bầu lọc gây nên Đối với động cơ 4 kỳ không tăng áp: pa = (0,8÷ 0,95).2) Ta chọn pa = 0,8.0,1 = 0,08 (MN/m2) - Áp suất khí sót (pr) Cuối quá trình thải, trong xilanh còn lưu lại một ít sản vật cháy, được gọi là khí sót.

Trong quá trình nạp số khí sót trên sẽ giãn nở chiếm chỗ trong xilanh và trộn với khí nạp mới làm giảm lượng khí nạp mới. 5 Áp suất khí sót (pr) là áp suất của khí còn sót lại sau khi thải qua xupap xả vì không thải hết sản phẩm cháy ra ngoài Đối với động cơ xăng: pr = (0,11 ÷ 0,12) MN/m2 Ta chọn : pr = 0,12 (MN/m2) - Nhiệt độ khí sót (khí thải) (Tr) Nhiệt độ khí sót (Tr) là nhiệt độ của khí còn sót lại sau khi thải qua xupap xả vì không thải hết sản phẩm cháy ra ngoài phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp khí , mức độ giãn nỡ của sản vật cháy và sự trao đổi nhiệt giữa sản vật cháy và thành xilanh trong quá trình giãn nỡ và thải. Khi tính toán, người ta thường lấy giá trị Tr ở cuối quá trình thải cưỡng bức Giá trị của Tr phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như tỷ số nén, thành phần hỗn hợp, tốc độ quay, góc đánh lửa sớm Giá trị của tỷ số nén càng cao thì khí cháy giãn nở nhiều nên Tr thấp. Trong động cơ xăng thành phần hòa khí ít thay đổi nên giảm tải, Tr cũng giảm nhưng giảm ít.

Nếu các góc đánh lửa sớm quá nhỏ thì quá trình cháy rớt tăng nên Tr cao Động cơ xăng: Tr = 900 ÷ 1100 K Ta chọn Tr = 1100 K - Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới (ΔT) Khí nạp mới khi chuyển động trong đường ống nạp vào trong xylanh của động cơ do tiếp xúc với vách nóng nên được sấy nóng lên một trị số nhiệt độ là ΔT. Mức độ sấy nóng khí nạp mới phụ thuộc vào tốc độ lưu thông của khí nạp, thời gian nạp dài hay ngắn, ngoài ra cũng phụ thuộc vào mức độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt tiếp xúc của xilanh với khí nạp. Nếu nhiệt độ của môi chất mới tăng sẽ làm giảm mật độ và do đó làm giảm khối lượng môi chất mới nạp vào động cơ. Vì vậy trong động cơ xăng, số nhiệt lượng cần thiết để sấy nóng môi chất mới chỉ nhằm làm cho xăng dễ bay hơi trên đường nạp, nếu quá mức ấy sẽ làm giảm lượng môi chất mới nạp vào động cơ Khi tiến hành tính toán nhiệt của động cơ người ta thường chọn trị số ΔT căn cứ vào số liệu thực nghiệm.

Đối với động cơ xăng: 6 ΔT = 0 ÷ 20 (℃) Ta chọn ΔT = 19 (℃) - Hệ số nạp thêm (λ1) Hệ số nạp thêm (λ1) biểu thị sự tương quan lượng tăng tương đối của hỗn hợp khí công tác sau khi nạp thêm so với với khí công tác chiếm chỗ ở thể tích Va Hệ số nạp thêm λ1 phụ thuộc chủ yếu vào pha phân phối khí. Thông thường có thể chọn: λ1 = 1,02 ÷ 1,07, chọn λ1 = 1,04 - Hệ số quét buồng cháy (λ2) Hệ số quét buồng cháy (λ2) (còn được gọi là tỷ lệ quét buồng cháy hoặc tỷ lệ quét) là một thước đo quan trọng trong thiết kế động cơ đốt trong. Nó đo lường mức độ mở rộng của không gian buồng cháy trong xilanh so với thể tích tối đa có thể đạt được khi piston (xilanh) ở vị trí trên cùng của hành trình chứa nhiên liệu. Đối với động cơ không tăng áp chọn λ2 = 1.