Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại, việc phát triển các dòng động cơ đốt trong nhiều xy-lanh dung tích lớn vừa phải đảm bảo công suất kéo mạnh mẽ, vừa phải đáp ứng các quy định nghiêm ngặt về khí thải và tiết kiệm nhiên liệu. Động cơ 1UR-FE của tập đoàn Toyota/Lexus là dòng động cơ xăng V8 dung tích 4,6 lít (4608 $\text{cm}^3$), được ứng dụng trên các mẫu xe thể thao đa dụng (SUV) và sedan cao cấp như Lexus LX 570 (Land Cruiser J200), Lexus LS460/LS460L, GS460, GX460 cũng như các dòng xe bán tải/SUV cỡ lớn Toyota Tundra, Sequoia và Land Cruiser.

Trên dòng xe Lexus LX 570 ra mắt tại Triển lãm Ô tô Quốc tế New York năm 2007 (do Shinichi Hiranaka thiết kế, thay thế dòng LX 470), động cơ 1UR-FE đạt tiêu chuẩn khí thải ULEV II, sản sinh công suất định mức 310 HP (231 kW tại 5600 v/ph) và mô-men xoắn cực đại 443 N.m tại 3400 v/ph, cho phép xe mang tải trọng toàn bộ lên tới 3900 kg kết hợp cùng hộp số tự động 6 cấp và hệ thống dẫn động 4 bánh toàn thời gian sử dụng vi sai trung tâm Torsen. Việc tìm hiểu nguyên lý kết cấu và thiết lập chu trình tính toán nhiệt động lực học cho động cơ 1UR-FE là nhiệm vụ trọng tâm nhằm nắm vững công nghệ và đánh giá khả năng làm việc của động cơ.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Khảo sát tổng quan về dòng xe Lexus LX 570 và phân tích kết cấu chi tiết các cụm cơ cấu chính (cơ cấu khuỷu trục thanh truyền, cơ cấu phân phối khí) cùng các hệ thống phụ trợ (bôi trơn, làm mát, nạp - xả, cung cấp nhiên liệu, đánh lửa) trên động cơ 1UR-FE.
  2. Thực hiện tính toán nhiệt chu trình công tác của động cơ ở chế độ công suất cực đại ($N_{emax} = 231\text{ kW}$ tại $n = 5600\text{ v/ph}$), xác định các chỉ tiêu chỉ thị, chỉ tiêu có ích và kiểm nghiệm độ chính xác của các thông số chọn trước.
  3. Dựng đồ thị công chỉ thị lý thuyết và thực tế ($p-V$), xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ trong dải vòng tua từ $600\text{ v/ph}$ đến $5600\text{ v/ph}$, đồng thời triển khai tính toán động lực học cơ cấu trục khuỷu thanh truyền ở chế độ $N_{emax}$.
  4. Thiết lập quy trình tính toán nhiệt chu trình công tác, dựng đồ thị công chỉ thị và tính toán động lực học ở chế độ mô-men xoắn cực đại ($M_{emax} = 443\text{ N.m}$ tại $n = 3400\text{ v/ph}$).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ xăng V8 4,6L 1UR-FE và các hệ thống trang bị trên xe Lexus LX 570.
  • Phạm vi nghiên cứu: Đặc tính kết cấu cơ khí, hệ thống điều khiển nạp/xả/nhiên liệu/đánh lửa; tính toán nhiệt động lực học và động lực học cơ cấu phát lực ở hai chế độ định mức $N_{emax}$ và $M_{emax}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Đề tài áp dụng hệ thống lý thuyết chuyên ngành Động cơ đốt trong và Động lực học ô tô:

  • Lý thuyết chu trình công tác nhiệt động học: Sử dụng phương pháp cân bằng nhiệt động và tương quan nhiệt hóa để xác định lượng môi chất, hệ số biến đổi phân tử, nhiệt dung mol đẳng tích của hỗn hợp công tác và khí cháy, từ đó giải phương trình cháy để tìm nhiệt độ và áp suất môi chất tại các điểm đặc trưng của chu trình (cuối quá trình nạp $a$, cuối quá trình nén $c$, cuối quá trình cháy $z$, cuối quá trình giãn nở $b$ và cuối quá trình thải $r$).
  • Lý thuyết động lực học cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền: Triển khai áp suất khí thể trong xy-lanh thành đồ thị lực tác dụng lên đỉnh piston $P_k$ theo góc quay trục khuỷu $\alpha$; quy dẫn khối lượng các chi tiết chuyển động tịnh tiến ($m_{pt}$) và chuyển động quay ($m_{k}$); phân tích các thành phần lực quán tính cấp 1, cấp 2, lực tiếp tuyến $T$, lực pháp tuyến $Z$, hợp lực tác dụng lên cổ biên và cổ trục chính để xác định véc-tơ phụ tải và độ mài mòn cổ trục.
  • Mô hình đường đặc tính ngoài: Áp dụng các công thức kinh nghiệm để xác định sự phụ thuộc của công suất có ích $N_e$, mô-men xoắn $M_e$, suất tiêu hao nhiên liệu có ích $g_e$ và lượng tiêu hao nhiên liệu theo giờ $G_{nl}$ vào tốc độ vòng quay trục khuỷu $n$.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp kỹ thuật: Phân tích nguyên lý hoạt động, giải pháp vật liệu và công nghệ chế tạo của từng cụm chi tiết cơ khí và hệ thống điều khiển điện tử dựa trên tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất.
  • Phương pháp tính toán giải tích: Thiết lập chuỗi phương trình toán học giải tích nhiệt động học và động lực học, tính toán kiểm nghiệm các sai số tương đối giữa giá trị tính toán và giá trị giả định ban đầu (yêu cầu sai số $\Delta T_r < 3%$ và $\Delta N_e < 3%$).
  • Phương pháp đồ thị: Xây dựng đồ thị công chỉ thị trên hệ tọa độ $p-V$, hiệu chỉnh các điểm mở sớm - đóng muộn xupap và góc đánh lửa sớm; đồ thị véc-tơ phụ tải và đường cong mài mòn cổ khuỷu.

Nguồn dữ liệu

  • Dữ liệu thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của động cơ Toyota/Lexus 1UR-FE: đường kính xy-lanh $D = 94\text{ mm}$, hành trình piston $S = 83\text{ mm}$, tỷ số nén $\varepsilon = 10,2$, góc pha phối khí và thứ tự nổ $1-8-7-3-6-5-4-2$.
  • Số liệu điều kiện khí hậu và nhiên liệu sử dụng tại Việt Nam: Nhiệt độ môi trường $T_0 = 297\text{ K}$ ($24^\circ\text{C}$), áp suất khí quyển $p_0 = 0,103\text{ MN/m}^2$, nhiệt trị thấp của xăng $Q_t = 44 \times 10^3\text{ kJ/kg}$, trọng lượng phân tử nhiên liệu $\mu_{nl} = 114\text{ kg/kmol}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Giới thiệu chung về động cơ 1UR-FE

Chương I trình bày tổng quan về mẫu xe Lexus LX 570 cùng phân tích kết cấu cơ khí và các hệ thống phụ trợ của động cơ 1UR-FE.

1. Tổng quan xe Lexus LX 570 và thông số động cơ

Xe Lexus LX 570 có kích thước tổng thể dài $\times$ rộng $\times$ cao là $5005 \times 1971 \times 1920\text{ mm}$, chiều dài cơ sở $2950\text{ mm}$, khoảng sáng gầm xe $226\text{ mm}$, dung tích bình nhiên liệu $93\text{ lít}$. Xe sử dụng hệ thống treo điện - thủy lực điều khiển chiều cao chủ động (AHC) với 6 cấp điều khiển (nâng $76\text{ mm}$, hạ $51\text{ mm}$) kết hợp hệ thống treo biến thiên (AVS), hệ thống hỗ trợ vượt địa hình (Crawl Control), hệ thống hỗ trợ khởi hành ngang dốc (HAC) và hệ thống điều hòa 4 vùng độc lập với 28 cửa gió.

Thông số kỹ thuật Giá trị
Kiểu động cơ V8, 8 xy-lanh bố trí chữ V góc $90^\circ$, 32 xupap DOHC
Dung tích công tác ($V_h$) $4608\text{ cm}^3$
Đường kính $\times$ Hành trình piston ($D \times S$) $94 \times 83\text{ mm}$
Tỷ số nén ($\varepsilon$) $10,2$
Công suất tối đa $231\text{ kW}$ ($310\text{ HP}$) tại $5600\text{ v/ph}$
Mô-men xoắn tối đa $443\text{ N.m}$ tại $3400\text{ v/ph}$
Hệ thống phân phối khí DOHC 32 van, dẫn động xích, trang bị Dual VVT-i
Hệ thống cung cấp nhiên liệu Phun xăng đa điểm SFI, vòi phun 12 lỗ
Hệ thống đánh lửa Đánh lửa trực tiếp DIS (8 bô-bin tích hợp IC)
Thứ tự làm việc $1 - 8 - 7 - 3 - 6 - 5 - 4 - 2$
Góc mở/đóng xupap nạp Mở $22^\circ$ trước ĐCT đến $18^\circ$ sau ĐCT; Đóng $30^\circ$ đến $70^\circ$ sau ĐCD
Góc mở/đóng xupap xả Mở $30^\circ$ đến $62^\circ$ trước ĐCD; Đóng $8^\circ$ trước ĐCT đến $24^\circ$ sau ĐCT
Tiêu chuẩn khí thải LEVII-ULEV, SFTP; Khí thải bay hơi LEVII, ORVR
Khối lượng động cơ $216,1\text{ kg}$

2. Phân tích kết cấu các cụm chi tiết và hệ thống

  • Nhóm chi tiết cố định: Nắp che bằng nhôm chịu lực tích hợp đường dẫn dầu bôi trơn và tấm ngăn làm giảm vận tốc dòng khí sót lọt các-te; gioăng đệm nắp máy gồm 3 lớp thép cán mỏng phủ cao su tổng hợp chứa flo; nắp máy bằng hợp kim nhôm với buồng đốt dạng vát nghiêng (pentroof), cửa nạp - xả bố trí dạng dòng ngang (cross-flow); thân máy hợp kim nhôm có góc nghiêng chữ V $90^\circ$, độ lệch tâm giữa hai dãy xy-lanh là $21\text{ mm}$, khoảng cách tâm xy-lanh cùng dãy là $105,5\text{ mm}$; ống lót xy-lanh kiểu khô có bề mặt ngoài gai nhám tăng độ bám dính và khả năng tản nhiệt; áo nước làm mát có các vòng đệm plastic phân luồng dòng chảy; các-te dầu số 1 bằng hợp kim nhôm đúc liền khối tăng độ cứng vững.
  • Nhóm chi tiết chuyển động: Piston bằng hợp kim nhôm với đỉnh lõm kết hợp gờ côn chống kích nổ, thân piston phủ lớp nhựa dẻo giảm ma sát, xéc măng phủ màng bảo vệ bằng công nghệ lắng đọng vật lý (PVD); thanh truyền bằng thép rèn, nửa đầu to định vị bằng chốt và liên kết bằng bulông có đầu bọc nhựa; trục khuỷu bằng thép rèn gồm 5 cổ trục chính, 4 cổ biên và 6 đối trọng.
  • Cơ cấu phân phối khí: 4 xupap cho mỗi xy-lanh (2 nạp, 2 xả); sử dụng cò mổ con lăn gắn ổ đũa kim; con đội thủy lực tự động khử khe hở nhiệt bằng áp lực dầu và lò xo; trục cam nạp mỗi dãy dẫn động bằng xích cam riêng, trục cam xả dẫn động từ trục cam nạp qua xích phụ; cụm điều khiển van biến thiên kép Dual VVT-i gắn ở đầu các trục cam.
  • Hệ thống bôi trơn: Chu trình tuần hoàn cưỡng bức khép kín; bơm dầu rô-to xicloit dẫn động từ đầu trục khuỷu tích hợp mạch tự bổ sung dầu; 4 vòi phun dầu làm mát đáy piston có van một chiều duy trì áp suất hệ thống; cốc lọc dầu vỏ nhựa có van xả cặn, sử dụng lõi giấy lọc thân thiện với môi trường.
  • Hệ thống làm mát: Kiểu tuần hoàn cưỡng bức có bình giãn nở phụ; đường phân phối nước làm mát đặt ở giữa hai dãy xy-lanh làm mát trực tiếp thân và nắp máy; van hằng nhiệt đặt ở cửa nạp bơm nước; két nước tản nhiệt bằng nhôm; quạt làm mát 2 cấp gắn khớp nối chất lỏng; dung dịch làm mát chuyên dụng Toyota màu đỏ.
  • Hệ thống nạp và thải: Bướm ga điện tử thông minh ETCS-i sử dụng môtơ DC điều khiển bởi ECM; đường ống nạp bằng nhựa tổng hợp tích hợp cơ cấu chiều dài biến thiên ACIS hàn laser; lọc gió vải không dệt tích hợp tấm hấp phụ than hoạt tính; van tuần hoàn khí thải EGR điều khiển bằng động cơ bước kết hợp bộ làm mát khí thải tuần hoàn 4 tầng nước; cổ góp xả thép không gỉ bọc tấm cách nhiệt nhôm dập sóng và bộ lọc xúc tác 3 thành phần bằng sứ.
  • Hệ thống nhiên liệu và đánh lửa: Phun xăng điện tử SFI với vòi phun 12 lỗ; mạch ngắt bơm xăng tự động khi kích hoạt túi khí; hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS gồm 8 bô-bin độc lập tích hợp IC; bugi chân ren dài có điện cực trung tâm bằng Iridium đạt tuổi thọ hoạt động $200.000\text{ km}$.

Chương II: Tính toán chế độ Nemax

Chương II thực hiện tính toán nhiệt, dựng đồ thị chỉ thị, xây dựng đường đặc tính ngoài và tính toán động lực học ở chế độ công suất cực đại $N_{emax} = 231\text{ kW}$ tại vòng tua $n = 5600\text{ v/ph}$.

1. Chọn số liệu ban đầu và tính toán nhiệt chu trình

  • Thông số chọn ban đầu: Số kỳ $\tau = 4$; Số xy-lanh $i = 8$; Tốc độ trung bình piston $C_{TB} = 15,49\text{ m/s}$; Hệ số kết cấu $\lambda = 0,3$; Tỷ số nén $\varepsilon = 10,2$; Hệ số dư lượng không khí $\alpha = 0,85$; Hệ số nạp $\eta_v = 0,82$; Áp suất khí thải cuối quá trình $p_r = 0,12\text{ MN/m}^2$; Nhiệt độ khí thải $T_r = 1100\text{ K}$; Độ tăng nhiệt nạp $\Delta T = 15\text{ K}$; Chỉ số nén đa biến $n_1 = 1,37$; Chỉ số giãn nở đa biến $n_2 = 1,23$; Hệ số sử dụng nhiệt $\xi_z = 0,92$.
  • Quá trình nạp: Hệ số khí sót $\gamma_r = 0,042$; Nhiệt độ cuối nạp $T_a = 343,762\text{ K}$; Áp suất cuối nạp $p_a = 0,092\text{ MN/m}^2$.
  • Quá trình nén: Áp suất cuối nén $p_c = 2,22\text{ MN/m}^2$; Nhiệt độ cuối nén $T_c = 811,78\text{ K}$.
  • Quá trình cháy: Lượng không khí lý thuyết $M_0 = 0,512\text{ kmol/kg}$; Lượng không khí thực tế $M_t = 0,4352\text{ kmol/kg}$; Lượng môi chất nạp $M_1 = 0,444\text{ kmol/kg}$; Sản vật cháy $M_2 = 0,488\text{ kmol/kg}$; Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết $\beta_0 = 1,10$; Hệ số biến đổi phân tử thực tế $\beta = 1,096$; Nhiệt độ cháy cực đại $T_z = 2984,34\text{ K}$; Tỷ số tăng áp $\lambda_p = 4,029$; Áp suất cháy cực đại $p_z = 8,944\text{ MN/m}^2$.
  • Quá trình giãn nở và kiểm nghiệm nhiệt: Áp suất cuối giãn nở $p_b = 0,514\text{ MN/m}^2$; Nhiệt độ cuối giãn nở $T_b = 1749,32\text{ K}$. Nhiệt độ khí sót kiểm nghiệm $T_{r(kt)} = 1077,15\text{ K}$, cho sai số tương đối $\Delta T_r = \frac{1100 - 1077,15}{1100} \times 100% = 2,078% < 3%$ (đạt yêu cầu).
  • Các thông số chỉ thị và có ích:
    • Áp suất chỉ thị trung bình thực tế: $p_i = 1,315\text{ MN/m}^2$.
    • Hiệu suất chỉ thị: $\eta_i = 0,397$; Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị: $g_i = 206,028\text{ g/kWh}$.
    • Áp suất tổn hao cơ giới: $p_{cơ} = 0,04 + 0,0135 \times 15,49 = 0,249\text{ MN/m}^2$.
    • Áp suất có ích trung bình: $p_e = p_i - p_{cơ} = 1,066\text{ MN/m}^2$.
    • Hiệu suất cơ giới: $\eta_{cơ} = 0,811$; Hiệu suất có ích: $\eta_e = 0,322$.
    • Suất tiêu hao nhiên liệu có ích: $g_e = 254,04\text{ g/kWh}$.
    • Công suất có ích tính toán: $N_{e(tt)} = 229,233\text{ kW}$; Sai số công suất so với giá trị định mức ($231\text{ kW}$) là $\Delta N_e = 0,765% < 3%$ (hợp lý).

2. Dựng đồ thị công chỉ thị p-V và đường đặc tính ngoài

  • Thể tích công tác một xy-lanh $V_h = 0,576\text{ dm}^3$; Thể tích buồng cháy $V_c = 0,0626\text{ dm}^3$; Thể tích toàn phần $V_a = 0,6386\text{ dm}^3$. Khoảng cách dời tâm trục đồ thị $OO' = 6,225\text{ mm}$.
  • Xác định tọa độ các điểm trên đường nén đa biến ($n_1 = 1,37$) và đường giãn nở đa biến ($n_2 = 1,23$).
  • Hiệu chỉnh đồ thị công chỉ thị thực tế theo góc pha phối khí: Xupap nạp mở sớm $50^\circ$, đóng muộn $64^\circ$; xupap xả mở sớm $45^\circ$, đóng muộn $55^\circ$.
  • Dựng đường đặc tính ngoài trong khoảng tốc độ vòng quay từ $n_{min} = 600\text{ v/ph}$ đến $n_{max} = 5600\text{ v/ph}$ dựa trên các giá trị chuẩn hóa tại điểm $N_{emax}$: mô-men xoắn $M_{eN} = 357,6849\text{ Nm}$, suất tiêu hao nhiên liệu $g_{eN} = 286,16\text{ g/kWh}$.

3. Tính toán động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền

  • Triển khai áp suất khí thể $p_k$ theo góc quay trục khuỷu $\alpha$ từ $0^\circ$ đến $720^\circ$.
  • Tính toán khối lượng quy dẫn chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay.
  • Tổng hợp lực quán tính $P_j$, lực tiếp tuyến $T$, lực pháp tuyến $Z$, xây dựng đồ thị véc-tơ phụ tải tác dụng lên bề mặt cổ khuỷu, đồ thị mài mòn cổ trục và đường cong mô-men xoắn tổng của động cơ 8 xy-lanh.

Chương 3: Tính toán chế độ Memax

Chương 3 áp dụng quy trình tính toán nhiệt động lực học và động lực học cơ cấu tại chế độ mô-men xoắn cực đại $M_{emax} = 443\text{ N.m}$ ở tốc độ vòng quay $n = 3400\text{ v/ph}$.

  • Thiết lập bảng số liệu nhiệt động đầu vào phù hợp với chế độ tải lớn và tốc độ trung bình (thay đổi hệ số nạp $\eta_v$, hệ số dư lượng không khí $\alpha$ và áp suất khí thải $p_r$).
  • Tính toán các thông số của chu trình nạp, nén, cháy, giãn nở tại chế độ $M_{emax}$, xác định các giá trị áp suất chỉ thị $p_i$, áp suất có ích $p_e$, hiệu suất có ích $\eta_e$ và kiểm nghiệm sai số nhiệt động.
  • Dựng đồ thị công chỉ thị $p-V$ tại chế độ mô-men cực đại, so sánh diễn biến áp suất cháy $p_z$ và đường nén/nở so với chế độ $N_{emax}$.
  • Tính toán động lực học, biểu diễn phụ tải tác dụng lên cổ trục, cổ biên và đồ thị mô-men xoắn tổng ứng với chế độ phát huy lực kéo lớn nhất của động cơ.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán nhiệt chu trình công tác

Đại lượng nhiệt động Ký hiệu Đơn vị Giá trị chế độ $N_{emax}$ ($5600\text{ v/ph}$)
Áp suất cuối quá trình nạp $p_a$ $\text{MN/m}^2$ $0,092$
Nhiệt độ cuối quá trình nạp $T_a$ $\text{K}$ $343,762$
Hệ số khí sót $\gamma_r$ - $0,042$
Áp suất cuối quá trình nén $p_c$ $\text{MN/m}^2$ $2,22$
Nhiệt độ cuối quá trình nén $T_c$ $\text{K}$ $811,78$
Áp suất cực đại của chu trình $p_z$ $\text{MN/m}^2$ $8,944$
Nhiệt độ cháy cực đại $T_z$ $\text{K}$ $2984,34$
Tỷ số tăng áp $\lambda_p$ - $4,029$
Áp suất cuối quá trình giãn nở $p_b$ $\text{MN/m}^2$ $0,514$
Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở $T_b$ $\text{K}$ $1749,32$
Áp suất có ích trung bình $p_e$ $\text{MN/m}^2$ $1,066$
Hiệu suất chỉ thị $\eta_i$ - $0,397$
Hiệu suất cơ giới $\eta_{cơ}$ - $0,811$
Hiệu suất có ích $\eta_e$ - $0,322$
Suất tiêu hao nhiên liệu có ích $g_e$ $\text{g/kWh}$ $254,04$
Công suất có ích tính toán $N_e$ $\text{kW}$ $229,233$
Sai số kiểm nghiệm công suất $\Delta N_e$ $%$ $0,765$
Sai số kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót $\Delta T_r$ $%$ $2,078$

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Hệ thống hóa toàn bộ tài liệu cấu tạo và nguyên lý làm việc của dòng động cơ hiện đại 1UR-FE trên nền tảng xe Lexus LX 570, làm rõ cấu trúc buồng đốt vát nghiêng pentroof, cơ chế làm kín 3 lớp gioăng kim loại bọc flo, giải pháp phủ thân piston bằng nhựa dẻo và xéc măng PVD.
  • Làm sáng tỏ hoạt động đồng bộ của các hệ thống điều khiển điện tử gồm điều khiển van biến thiên thông minh kép (Dual VVT-i), bướm ga điện tử (ETCS-i), đường ống nạp biến thiên (ACIS), hệ thống tuần hoàn khí thải có làm mát (EGR) và đánh lửa trực tiếp độc lập (DIS).
  • Xây dựng thành công mô hình tính toán nhiệt và động lực học hoàn chỉnh cho động cơ V8 góc nghiêng $90^\circ$ tại hai chế độ công tác quan trọng nhất ($N_{emax}$ và $M_{emax}$), kiểm nghiệm tính hội tụ của bài toán nhiệt động với sai số dưới $3%$.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Quá trình tính toán chu trình công tác nhiệt động học dựa trên các phương pháp giải tích và công thức thực nghiệm nửa kín, chưa kết hợp mô phỏng số động lực học dòng khí 1D/3D (như các phần mềm chuyên dụng GT-Power hoặc AVL Boost) để khảo sát hiện tượng sóng áp suất trong đường ống nạp ACIS và phân bố nhiệt độ cục bộ trong buồng cháy. Các kết quả động lực học phụ tải cổ trục chưa được đối chứng trực tiếp với thực nghiệm đo áp suất chỉ thị trên băng thử động cơ (Dynamometer).
  • Hướng phát triển: Ứng dụng các phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) để phân tích ứng suất nhiệt và biến dạng cơ học của cụm piston - xéc măng - xy lanh khi động cơ vận hành ở chế độ quá tải; nghiên cứu sâu hơn về thuật toán điều khiển tối ưu góc pha cam Dual VVT-i trong quá trình chuyển tiếp chế độ tải.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Đồ án là tài liệu học thuật hữu ích cho sinh viên, giảng viên ngành Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, chuyên ngành Động cơ đốt trong và Máy động lực.
  • Giá trị thực tiễn:
    • Phần phân tích kết cấu cung cấp cơ sở dữ liệu chuyên sâu phục vụ công tác chẩn đoán kỹ thuật, bảo dưỡng, sửa chữa hệ thống động cơ trên các dòng xe Lexus LX 570, GX460, LS460 và Toyota Land Cruiser.
    • Phần tính toán chu trình nhiệt động và động lực học cung cấp bảng biểu mẫu tính toán, các bước giải tích và phương pháp dựng đồ thị công chỉ thị thực tế áp dụng cho các đồ án môn học Động cơ đốt trong hoặc đồ án tốt nghiệp kỹ sư ô tô.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ 1UR-FE trang bị trên xe Lexus LX 570 có những thông số kết cấu cơ bản nào?
Động cơ 1UR-FE là loại động cơ xăng 4 kỳ, 8 xy-lanh xếp chữ V góc $90^\circ$, dung tích $4608\text{ cm}^3$, đường kính xy-lanh $94\text{ mm}$, hành trình piston $83\text{ mm}$, tỷ số nén $10,2$, công suất cực đại $231\text{ kW}$ ($310\text{ HP}$) tại $5600\text{ v/ph}$ và mô-men xoắn cực đại $443\text{ N.m}$ tại $3400\text{ v/ph}$. Khối lượng động cơ là $216,1\text{ kg}$, thứ tự nổ $1-8-7-3-6-5-4-2$.

2. Động cơ 1UR-FE sử dụng các giải pháp kỹ thuật nào để giảm ma sát và tăng tuổi thọ chi tiết?
Động cơ sử dụng piston hợp kim nhôm có phần thân dưới phủ lớp nhựa dẻo, xéc măng phủ màng bảo vệ bằng phương pháp lắng đọng hơi vật lý (PVD), bạc lót thanh truyền bằng nhôm phủ lớp nhựa đặc biệt, cò mổ kiểu con lăn gắn ổ đũa kim, vách xy-lanh dạng ống lót khô có bề mặt gai nhám giữ màng dầu bôi trơn và bugi có cực trung tâm bằng Iridium với độ bền lên đến $200.000\text{ km}$.

3. Kết quả tính toán chu trình công tác ở chế độ $N_{emax}$ xác định các giá trị áp suất và nhiệt độ cực đại là bao nhiêu?
Tại chế độ công suất cực đại $N_{emax}$ ($5600\text{ v/ph}$), áp suất cuối quá trình nén đạt $p_c = 2,22\text{ MN/m}^2$, nhiệt độ cuối nén $T_c = 811,78\text{ K}$; áp suất cháy cực đại đạt $p_z = 8,944\text{ MN/m}^2$ với tỷ số tăng áp $\lambda_p = 4,029$; nhiệt độ cháy cực đại đạt $T_z = 2984,34\text{ K}$; áp suất cuối giãn nở $p_b = 0,514\text{ MN/m}^2$ và nhiệt độ cuối giãn nở $T_b = 1749,32\text{ K}$.

4. Sai số kiểm nghiệm nhiệt động học của đồ án có nằm trong giới hạn cho phép không?
Kết quả tính toán kiểm nghiệm cho thấy sai số giữa nhiệt độ khí sót tính toán ($1077,15\text{ K}$) so với giả định ($1100\text{ K}$) là $\Delta T_r = 2,078%$; sai số giữa công suất tính toán ($229,233\text{ kW}$) so với công suất định mức ($231\text{ kW}$) là $\Delta N_e = 0,765%$. Cả hai sai số đều nhỏ hơn giới hạn kỹ thuật cho phép ($3%$), chứng minh tính hợp lý của các thông số giả định ban đầu.

5. Cơ cấu phối khí của động cơ 1UR-FE có điểm gì đặc biệt trong việc dẫn động trục cam?
Động cơ sử dụng 32 van (4 van/xy-lanh). Hai trục cam nạp ở hai dãy xy-lanh được dẫn động độc lập bởi 2 xích cam riêng biệt từ trục khuỷu nhằm đảm bảo độ chính xác thời điểm đóng mở van. Mỗi trục cam xả sau đó được dẫn động tiếp từ trục cam nạp cùng dãy thông qua một xích cam phụ. Hệ thống Dual VVT-i được tích hợp trực tiếp trên đầu cả 4 trục cam nạp và xả.

Kết luận

Đồ án đã phân tích chi tiết kết cấu kỹ thuật và nguyên lý làm việc của động cơ xăng V8 1UR-FE trang bị trên xe Lexus LX 570, đồng thời thực hiện chu trình tính toán nhiệt động lực học và động lực học cơ cấu ở hai chế độ $N_{emax}$ và $M_{emax}$. Các chỉ tiêu tính toán nhiệt đạt độ chính xác cao với sai số kiểm nghiệm công suất $0,765%$ và sai số nhiệt độ khí sót $2,078%$. Công trình là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho công tác nghiên cứu, học tập và ứng dụng thực hành trong ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực và Kỹ thuật Ô tô.