Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật ô tô và động lực học động cơ đốt trong, việc tính toán chu trình nhiệt động kết hợp phân tích động học, động lực học của cơ cấu piston - trục khuỷu - thanh truyền đóng vai trò nền tảng nhằm xác định các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, độ bền cơ học và đặc tính làm việc của động cơ. Đề tài được nhóm tác giả thực hiện dưới dạng Báo cáo Bài tập lớn môn học Tính toán Động cơ đốt trong tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt vào tháng 11 năm 2022.

Đối tượng nghiên cứu trọng tâm của công trình là động cơ Diesel tăng áp Smartstream D2.2 trang bị trên dòng xe du lịch Hyundai Santa Fe. Động cơ có các thông số cơ bản gồm: 4 kỳ ($\tau = 4$), 4 xylanh thẳng hàng ($i = 4$), tổng thể tích công tác danh định $V_d = 2151\text{ cm}^3$, đường kính xylanh thiết kế $B = 89,9\text{ mm}$, hành trình piston $S = 110\text{ mm}$, tỉ số nén $\varepsilon = 18:1$, làm mát bằng nước. Động cơ đạt công suất định mức ở số vòng quay $n = 3800\text{ vòng/phút}$ và mô-men xoắn cực đại $T_{max} = 440\text{ Nm}$ tại $n = 2750\text{ vòng/phút}$.

Nhiệm vụ nghiên cứu được quy định cụ thể theo các đề mục:

  1. Xác định và lựa chọn hệ thống thông số nhiệt động ban đầu cho động cơ Diesel tăng áp trong điều kiện vận hành tại Việt Nam.
  2. Thực hiện tính toán nhiệt chu trình công tác theo từng quá trình (nạp, nén, cháy, giãn nở) và kiểm nghiệm sai số nhiệt độ khí sót.
  3. Tính toán các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật (áp suất chỉ thị, áp suất có ích, hiệu suất nhiệt, suất tiêu hao nhiên liệu) và xác định kích thước hình học kết cấu xylanh - piston.
  4. Xây dựng và hiệu chỉnh đồ thị công chỉ thị $P - V$ của chu trình động cơ bằng công cụ tính toán giải tích kết hợp phần mềm MATLAB.
  5. Tính toán động học (chuyển vị, vận tốc, gia tốc piston) và động lực học (lực khí thể, lực quán tính, các thành phần lực tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết chu trình công tác động cơ đốt trong theo phương pháp giải tích truyền thống của ngành kỹ thuật nhiệt động cơ, kết hợp với các công thức bán thực nghiệm để tính toán chu trình cấp nhiệt hỗn hợp (chu trình Sabathé) cho động cơ Diesel tăng áp.

Phương pháp nghiên cứu chính gồm:

  • Phương pháp tính toán nhiệt giải tích: Mô hình hóa các quá trình nhiệt động bao gồm nạp hòa khí, nén đa biến, cháy đẳng tích kết hợp đẳng áp, giãn nở đa biến và thải tự do/cưỡng bức. Tỷ nhiệt của môi chất công tác (khí nạp mới và sản vật cháy) được tính toán phụ thuộc vào nhiệt độ và hệ số dư lượng không khí $\alpha$.
  • Phương pháp động lực học giải tích cơ cấu thanh truyền - trục khuỷu phẳng: Xác định quy luật động học piston ($S_p, V_p, J_p$) theo góc quay trục khuỷu $\alpha$ thông qua phương pháp khai triển chuỗi lượng giác với thông số kết cấu $\lambda = R/L$. Quy đổi khối lượng chuyển động tịnh tiến ($m_j$) và khối lượng chuyển động quay ($m_r$) theo đơn vị diện tích đỉnh piston để xác định hệ lực tổng hợp ($P_{kt}, P_j, P_1, N, T, Z$).
  • Phương pháp mô phỏng số và đồ họa kỹ thuật: Sử dụng phần mềm MATLAB để giải hệ phương trình đường cong nén, giãn nở đa biến, nội suy các điểm chuyển tiếp theo pha phối khí và xuất đồ thị công chỉ thị $P - V$ cùng các đường đặc tính động lực học.

Nguồn dữ liệu đầu vào phục vụ tính toán gồm thông số kỹ thuật xuất xưởng của động cơ Hyundai Smartstream D2.2 kết hợp bảng tra cứu tiêu chuẩn nhiệt động của nhiên liệu Diesel (thành phần $C = 0,870\text{ kg}$, $H = 0,126\text{ kg}$, $O = 0,004\text{ kg}$; nhiệt trị thấp $Q_H = 42530\text{ kJ/kg}$).

Thông số ban đầu Ký hiệu Giá trị danh định Đơn vị
Loại động cơ - Diesel 4 kỳ, tăng áp -
Số xylanh $i$ 4 Xylanh
Thể tích công tác tổng $V_d$ 2151 $\text{cm}^3$
Hành trình piston $S$ 110 $\text{mm}$
Đường kính xylanh $B$ 89,9 $\text{mm}$
Tỉ số nén $\varepsilon$ 18 : 1 -
Tốc độ quay định mức $n$ 3800 $\text{vòng/phút}$
Góc mở sớm xupap nạp $\alpha_1$ 40 Độ (trước ĐCT)
Góc đóng muộn xupap nạp $\alpha_2$ 30 Độ (sau ĐCD)
Góc mở sớm xupap xả $\beta_1$ 65 Độ (trước ĐCD)
Góc đóng muộn xupap xả $\beta_2$ 20 Độ (sau ĐCT)
Góc phun dầu sớm $\theta$ 20 Độ (trước ĐCT)

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Các thông số cần thiết cho tính toán nhiệt

Chương này tập trung xác định các thông số trạng thái môi trường và lựa chọn hệ số thực nghiệm phù hợp với điều kiện vận hành tại miền Nam Việt Nam ($t_{kk} = 29^\circ\text{C} \Rightarrow T_0 = 302\text{ K}$, áp suất khí quyển $P_0 = 0,1013\text{ MN/m}^2$). Do động cơ trang bị hệ thống tăng áp làm mát khí nạp, áp suất khí nạp trước xupap được chọn $P_k = 0,17\text{ MN/m}^2$, nhiệt độ khí nạp sau làm mát đạt $T_k = 343,88\text{ K}$ (với độ chênh lệch nhiệt độ làm mát $\Delta T_m = 15\text{ K}$, chỉ số nén máy nén $m = 1,5$).

Các thông số nhiệt động và hệ số thực nghiệm được lựa chọn bao gồm:

  • Áp suất cuối quá trình nạp: $P_a = 0,9 P_k = 0,153\text{ MN/m}^2$.
  • Áp suất khí sót: $P_r = 0,11\text{ MN/m}^2$; nhiệt độ khí sót giả định ban đầu: $T_r = 800\text{ K}$.
  • Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới do sấy nóng từ vách xylanh: $\Delta T = 20^\circ\text{C}$.
  • Hệ số nạp thêm $\lambda_1 = 1,04$; hệ số quét buồng cháy $\lambda_2 = 0,3$; hệ số hiệu đính tỷ nhiệt $\lambda_t = 1,11$.
  • Hệ số lợi dụng nhiệt: tại điểm bắt đầu cháy đẳng áp $\xi_z = 0,80$; tại điểm cuối quá trình cháy $\xi_b = 0,90$.
  • Hệ số dư lượng không khí: $\alpha = 1,75$ (phù hợp buồng cháy thống nhất có tăng áp).
  • Hệ số điền đầy đồ thị công: $\varphi_d = 0,95$; tỷ số tăng áp khi cháy: $\lambda = 1,60$.

Chương 2: Tính toán nhiệt

Chương 2 trình bày chi tiết các bước tính toán nhiệt động học qua từng chu trình công tác của động cơ Diesel Smartstream D2.2:

  • Quá trình nạp: Xác định hệ số nạp $\eta_v = 0,92$, hệ số khí sót $\gamma_r = 0,0053$, nhiệt độ môi chất cuối nạp $T_a = 367\text{ K}$.
  • Quá trình nén: Xác định tỷ nhiệt trung bình của môi chất nén ($a_v' = 19,81$, $b_v' = 4,2 \times 10^{-3}$), chỉ số nén đa biến trung bình $n_1 = 1,365$. Áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén đạt giá trị $P_c = 7,9\text{ MPa}$ ($79\text{ bar}$) và $T_c = 1054\text{ K}$.
  • Quá trình cháy: Lượng không khí lý thuyết $M_0 = 0,4946\text{ kmol kk/kg nl}$, lượng khí nạp thực tế $M_1 = 0,865\text{ kmol/kg nl}$, lượng sản vật cháy $M_2 = 0,897\text{ kmol/kg nl}$. Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết $\beta_0 = 1,037$, thực tế $\beta = 1,037$, và tại thời điểm kết thúc cấp nhiệt đẳng tích $\beta_z = 1,03$. Nhiệt độ cực đại cuối quá trình cháy đạt $T_z = 2344\text{ K}$, áp suất cực đại chu trình $P_z = \lambda P_c = 12,64\text{ MPa}$ ($126,4\text{ bar}$).
  • Quá trình giãn nở: Tỷ số giãn nở đầu $\rho = 1,43$, tỷ số giãn nở sau $\delta = 12,60$, chỉ số giãn nở đa biến trung bình $n_2 = 1,26$. Trạng thái cuối quá trình giãn nở có nhiệt độ $T_b = 1213\text{ K}$ và áp suất $P_b = 0,52\text{ MPa}$.
  • Kiểm nghiệm khí sót: Nhiệt độ khí sót tính toán thực tế $T_r = 722,75\text{ K}$, cho thấy sai số so với giá trị giả định ban đầu ($800\text{ K}$) là $\Delta T_r = 9,65%$, thỏa mãn điều kiện sai số cho phép ($\le 10%$).
  • Chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật: Áp suất chỉ thị trung bình tính toán $P_i' = 1,52\text{ MPa}$, áp suất chỉ thị thực tế $p_i = 1,44\text{ MPa}$, áp suất tổn thất cơ khí $P_m = 0,144\text{ MPa}$, áp suất có ích trung bình $P_e = 1,30\text{ MN/m}^2$. Hiệu suất cơ giới $\eta_m = 0,90$, hiệu suất chỉ thị $\eta_i = 0,54$, hiệu suất có ích $\eta_e = 0,48$. Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị $g_i = 0,16\text{ kg/kW.h}$ và suất tiêu hao nhiên liệu có ích $g_e = 0,18\text{ kg/kW.h}$.
  • Kích thước kết cấu tính toán: Thể tích buồng cháy $V_c = 0,05\text{ dm}^3$, thể tích công tác 1 xylanh tính toán $V_h = 0,79 \div 0,90\text{ dm}^3$, đường kính piston tính toán $D = 0,96\text{ dm}$ ($96\text{ mm}$), hành trình piston $S = 1,1\text{ dm}$ ($110\text{ mm}$).
Đại lượng tính toán nhiệt Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Hệ số nạp $\eta_v$ 0,92 -
Hệ số khí sót $\gamma_r$ 0,0053 -
Áp suất cuối nén $P_c$ 7,90 $\text{MPa}$
Nhiệt độ cuối nén $T_c$ 1054 $\text{K}$
Áp suất cực đại chu trình $P_z$ 12,64 $\text{MPa}$
Nhiệt độ cực đại chu trình $T_z$ 2344 $\text{K}$
Áp suất cuối giãn nở $P_b$ 0,52 $\text{MPa}$
Nhiệt độ cuối giãn nở $T_b$ 1213 $\text{K}$
Nhiệt độ khí sót tính toán $T_r$ 722,75 $\text{K}$
Áp suất chỉ thị trung bình $p_i$ 1,44 $\text{MPa}$
Áp suất có ích trung bình $P_e$ 1,30 $\text{MN/m}^2$
Hiệu suất cơ giới $\eta_m$ 0,90 -
Hiệu suất có ích $\eta_e$ 0,48 -
Suất tiêu hao nhiên liệu có ích $g_e$ 0,18 $\text{kg/kW.h}$

Chương 3: Bản vẽ đồ thị

Chương 3 trình bày phương pháp dựng và hiệu chỉnh đồ thị công chỉ thị $P - V$ dựa trên 5 điểm trạng thái nhiệt động then chốt:

  • Điểm cuối nạp $a$: $V_a = 0,953\text{ dm}^3$, $P_a = 0,153\text{ MPa}$.
  • Điểm cuối nén $c$: $V_c = 0,050\text{ dm}^3$, $P_c = 7,90\text{ MPa}$.
  • Điểm áp suất cực đại $z$: $V_z = 0,072\text{ dm}^3$, $P_z = 12,64\text{ MPa}$.
  • Điểm cuối giãn nở $b$: $V_b = 0,953\text{ dm}^3$, $P_b = 0,52\text{ MPa}$.
  • Điểm cuối xả $r$: $V_r = 0,050\text{ dm}^3$, $P_r = 0,11\text{ MPa}$.

Quá trình hiệu chỉnh đồ thị công thực tế được xử lý theo các góc phối khí:

  1. Đoạn nạp: Đường đẳng áp nạp ($0,153\text{ MN/m}^2$) từ góc mở sớm xupap nạp đến điểm đóng muộn ($180^\circ \div 240^\circ$).
  2. Đoạn nén: Dựng theo phương trình đa biến $p_{xn} = p_a (V_a / V_{xn})^{1,365}$ từ góc đóng xupap nạp đến góc phun sớm $\theta = 20^\circ$ trước ĐCT ($340^\circ$).
  3. Đoạn cháy: Nội suy làm tròn từ $340^\circ$ đến $360^\circ$ (ĐCT), đoạn cháy đẳng tích $V_c = \text{const}$ từ $7,9\text{ MPa}$ lên $12,64\text{ MPa}$, và đoạn cháy giãn nở từ $360^\circ$ đến $380^\circ$.
  4. Đoạn giãn nở: Dựng theo đường cong đa biến $p_{xg} = p_z (V_z / V_{xg})^{1,26}$ từ $380^\circ$ đến góc mở sớm xupap xả $475^\circ$ ($65^\circ$ trước ĐCD).
  5. Đoạn xả: Nội suy chuyển tiếp áp suất từ $475^\circ$ đến $560^\circ$ và duy trì đường đẳng áp xả ($0,11\text{ MN/m}^2$) đến $720^\circ$.

Toàn bộ tọa độ các điểm được nhóm tác giả lập bảng giá trị áp suất theo thể tích và góc quay trục khuỷu, sau đó xuất giản đồ chỉ thị hoàn chỉnh qua thuật toán xử lý trong MATLAB.

Chương 4: Tính toán động học, động lực học cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền

Chương 4 thực hiện phân tích cơ học hoàn chỉnh cho cơ cấu piston - trục khuỷu - thanh truyền:

  • Động học piston:
    • Chuyển vị: $S_p = R \left[(1 - \cos\alpha) + \frac{\lambda}{4}(1 - \cos 2\alpha)\right]$.
    • Vận tốc: $V_p = R\omega \left(\sin\alpha + \frac{\lambda}{2}\sin 2\alpha\right)$.
    • Gia tốc: $J_p = R\omega^2 (\cos\alpha + \lambda\cos 2\alpha)$.
  • Khối lượng cơ cấu quy dẫn:
    • Nhóm piston bằng hợp kim nhôm: $m_{np} = 18\text{ g/cm}^2$.
    • Nhóm thanh truyền: $m_{tt} = 30\text{ g/cm}^2$, phân bố khối lượng về đầu nhỏ $m_A = 0,3 m_{tt} = 9\text{ g/cm}^2$ và đầu to $m_B = 0,7 m_{tt} = 21\text{ g/cm}^2$.
    • Trục khuỷu bằng thép/gang đúc: $m_k = 18\text{ g/cm}^2$.
    • Tổng khối lượng chuyển động tịnh tiến: $m_j = m_{np} + m_A = 27\text{ g/cm}^2$.
    • Tổng khối lượng chuyển động quay: $m_r = m_k + m_B = 39\text{ g/cm}^2$.
  • Động lực học hệ lực tác dụng:
    • Lực khí thể: $P_{kt} = (p_{kt} - P_0) \frac{\pi D^2}{4}$, biến thiên theo góc quay trục khuỷu $\alpha$ trích xuất từ đồ thị công chỉ thị.
    • Lực quán tính chuyển động tịnh tiến: $P_j = -m_j R\omega^2 (\cos\alpha + \lambda\cos 2\alpha)$.
    • Lực ly tâm của khối lượng quay: $P_k = -m_r R\omega^2 = \text{const}$.
    • Lực tổng cộng tác dụng lên chốt piston: $P_1 = P_{kt} + P_j$.
    • Các thành phần phân rã lực: Lực ngang ép sát vách xylanh $N = P_1 \tan\beta$; Lực tiếp tuyến tạo mô-men quay trục khuỷu $T = P_1 \frac{\sin(\alpha+\beta)}{\cos\beta}$; Lực pháp tuyến gây nén/uốn trục khuỷu $Z = P_1 \frac{\cos(\alpha+\beta)}{\cos\beta}$ (với góc lắc thanh truyền $\beta = \arcsin(\lambda \sin\alpha)$).

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành toàn bộ khối lượng tính toán lý thuyết và mô phỏng đồ thị cho động cơ Diesel tăng áp Hyundai Smartstream D2.2 với các kết quả cụ thể:

  1. Xác lập chu trình nhiệt động chuẩn xác: Xây dựng thành công bộ thông số trạng thái tại mọi điểm nút chu trình, chứng minh tính phù hợp của tỷ số tăng áp $\lambda = 1,60$ và hệ số nạp $\eta_v = 0,92$. Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót cho sai số $9,65%$, nằm trong giới hạn kỹ thuật tiêu chuẩn ($\le 10%$).
  2. Định lượng các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật: Động cơ đạt áp suất có ích trung bình $P_e = 1,30\text{ MN/m}^2$, hiệu suất có ích cao $\eta_e = 0,48$ ($48%$) và suất tiêu hao nhiên liệu có ích tối ưu $g_e = 0,18\text{ kg/kW.h}$ ($180\text{ g/kW.h}$), phản ánh đặc tính tiết kiệm nhiên liệu của thế hệ động cơ Smartstream Diesel.
  3. Mô hình hóa động lực học hoàn chỉnh: Xác định chính xác quy luật phân bố khối lượng ($m_j = 27\text{ g/cm}^2$, $m_r = 39\text{ g/cm}^2$), xây dựng thành công các hàm giải tích lực khí thể, lực quán tính và hệ lực tiếp tuyến, pháp tuyến tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền.
  4. Ứng dụng phần mềm tính toán: Ứng dụng MATLAB để giải quyết bài toán nội suy đồ thị công $P - V$ và động học piston theo góc quay trục khuỷu $\alpha$, giảm thiểu sai số của phương pháp vẽ tay truyền thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Báo cáo chỉ dừng lại ở bài toán tính toán nhiệt lý thuyết chu trình ổn định tại chế độ công suất cực đại ($n = 3800\text{ vòng/phút}$) mà chưa mở rộng khảo sát các đường đặc tính ngoài và đặc tính tải ở các dải tốc độ khác nhau; các hệ số thực nghiệm chủ yếu dựa trên bảng tra định mức chuẩn.
  • Hướng mở rộng: Nghiên cứu có thể phát triển theo hướng lập trình giao diện mô phỏng nhiệt động đa chế độ trên phần mềm chuyên dụng (như AVL Boost hoặc GT-Power), kết hợp tính toán bền kiểm nghiệm chi tiết trục khuỷu, thanh truyền và nắp máy chịu tải trọng cơ - nhiệt liên hợp.

Giá trị tham khảo

Báo cáo bài tập lớn này là tài liệu tham khảo trực tiếp và hữu ích cho sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô và Kỹ thuật Nhiệt khi thực hiện đồ án môn học Động cơ đốt trong hoặc khóa luận tốt nghiệp về tính toán thiết kế động cơ Diesel. Các phần có giá trị tham khảo cao bao gồm phương pháp lập bảng tra tỷ nhiệt môi chất biến thiên theo nhiệt độ, thuật toán nội suy hiệu chỉnh đồ thị công $P - V$ theo góc phối khí và quy trình phân rã hệ lực động lực học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền bằng công cụ MATLAB.

Câu hỏi thường gặp

1. Nhiệt độ và áp suất cực đại của chu trình công tác trong động cơ Smartstream D2.2 đạt bao nhiêu?
Áp suất cực đại của chu trình đạt $P_z = 12,64\text{ MPa}$ ($126,4\text{ bar}$) tại thời điểm kết thúc cháy đẳng tích, và nhiệt độ cực đại đạt $T_z = 2344\text{ K}$ ở cuối giai đoạn cấp nhiệt hỗn hợp.

2. Tỉ số nén và hệ số nạp tính toán của động cơ là bao nhiêu?
Tỉ số nén danh định của động cơ là $\varepsilon = 18:1$, và hệ số nạp tính toán của chu trình đạt $\eta_v = 0,92$.

3. Sai số kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót $T_r$ có đạt yêu cầu kỹ thuật không?
Nhiệt độ khí sót tính toán thực tế đạt $T_r = 722,75\text{ K}$ so với nhiệt độ giả định ban đầu là $800\text{ K}$, cho mức sai lệch tương đối $\Delta T_r = 9,65%$, đạt yêu cầu tiêu chuẩn kỹ thuật (sai số cho phép $\le 10%$).

4. Khối lượng quy dẫn chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay được phân bổ như thế nào?
Khối lượng chuyển động tịnh tiến quy dẫn về chốt piston là $m_j = 27\text{ g/cm}^2$ (gồm piston $18\text{ g/cm}^2$ và đầu nhỏ thanh truyền $9\text{ g/cm}^2$). Khối lượng chuyển động quay quy dẫn về cổ khuỷu là $m_r = 39\text{ g/cm}^2$ (gồm trục khuỷu $18\text{ g/cm}^2$ và đầu to thanh truyền $21\text{ g/cm}^2$).

5. Suất tiêu hao nhiên liệu có ích $g_e$ và hiệu suất có ích $\eta_e$ tính toán được là bao nhiêu?
Động cơ đạt hiệu suất có ích $\eta_e = 0,48$ (tương đương $48%$) và suất tiêu hao nhiên liệu có ích $g_e = 0,18\text{ kg/kW.h}$ ($180\text{ g/kW.h}$).

Kết luận

Báo cáo Bài tập lớn của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã thực hiện một cách có hệ thống quá trình tính toán nhiệt động và phân tích động học, động lực học cho động cơ Diesel tăng áp Smartstream D2.2. Các kết quả tính toán chu trình nhiệt phản ánh chính xác các thông số chỉ thị và có ích của động cơ, đồng thời kiểm nghiệm thành công sai số khí sót trong giới hạn kỹ thuật cho phép. Việc ứng dụng công cụ MATLAB vào giải tích động lực học và xây dựng đồ thị công $P - V$ tạo cơ sở kỹ thuật tin cậy phục vụ nghiên cứu và giảng dạy chuyên ngành Cơ khí Động lực.