Nghiên cứu ứng dụng ADVISOR tính toán suất tiêu hao nhiên liệu trên ô tô

Nghiên cứu chi tiết về ứng dụng phần mềm ADVISOR để tính toán suất tiêu hao nhiên liệu ô tô. Mô phỏng trên các chu trình thử nghiệm FTP và NEDC.

• Người hướng dẫn: TS. Lý Vĩnh Đạt
• Trường học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên cứu, ứng dụng Advisor trong việc tính toán suất tiêu hao nhiên liệu trên ô tô
• Loại tài liệu: Công trình nghiên cứu khoa học cấp trường
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về phần mềm ADVISOR

Phần mềm ADVISOR là một công cụ mô phỏng toàn diện được phát triển bởi Phòng Thí Nghiệm Năng Lượng Quốc Gia Mỹ (NREL). Đây là phần mềm chuyên dụng cho việc tính toán tiêu hao nhiên liệu ô tô và đánh giá hiệu suất hệ thống truyền lực. ADVISOR cho phép các kỹ sư và nhà nghiên cứu mô phỏng các loại xe khác nhau dưới các điều kiện lái xe thực tế. Phần mềm này được xây dựng trên cơ sở mô hình hệ thống truyền lực chi tiết, từ động cơ cho đến bánh xe, giúp dự đoán chính xác mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải. Việc ứng dụng ADVISOR mang lại hiệu quả cao trong giáo dục kỹ thuật ô tô, cho phép sinh viên và các chuyên gia nâng cao kiến thức về tối ưu hóa hiệu suất xe.

1.1. Cấu trúc và chức năng của ADVISOR

ADVISOR được thiết kế với cấu trúc mô-đun linh hoạt, cho phép người dùng thay đổi các thành phần xe một cách dễ dàng. Phần mềm bao gồm các mô-đun chính như động cơ, hộp số, bộ cố định lái, pin và động cơ điện. Giao diện của ADVISOR cung cấp khả năng nhập dữ liệu tham số của từng thành phần xe một cách trực quan và đơn giản.

1.2. Ưu điểm trong tính toán hiệu suất xe

Ưu điểm chính của ADVISOR trong tính toán tiêu hao nhiên liệu là độ chính xác cao và tiết kiệm thời gian. Phần mềm cho phép mô phỏng nhanh chóng mà không cần thử nghiệm thực tế tốn kém. Kết quả từ ADVISOR giúp các nhà phát triển đánh giá tác động của các cải tiến công nghệ lên mức tiêu thụ nhiên liệu.

II. Hiệu suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ xăng

Hiệu suất tiêu hao nhiên liệu là một trong những chỉ số quan trọng nhất trong lĩnh vực ô tô hiện đại. Để đánh giá chính xác mức tiêu thụ nhiên liệu ô tô, cần phải hiểu rõ các thông số hiệu suất của động cơ. Hiệu suất lý thuyết, hiệu suất chỉ thị và hiệu suất cơ học là những yếu tố quyết định đến lượng nhiên liệu tiêu thụ. Động cơ xăng thường có hiệu suất có ích khoảng 25-35%, phần còn lại tỏa ra dưới dạng nhiệt. Bằng cách ứng dụng phần mềm ADVISOR, các kỹ sư có thể tính toán chính xác các thông số này và tối ưu hóa thiết kế động cơ để giảm tiêu hao nhiên liệu một cách hiệu quả.

2.1. Hiệu suất lý thuyết và hiệu suất chỉ thị

Hiệu suất lý thuyết được tính dựa trên chu trình Ottô lý tưởng, trong khi hiệu suất chỉ thị tính đến các tổn thất từ quá trình đốt cháy thực tế. Sự chênh lệch giữa hai chỉ số này phản ánh mất mát hiệu suất trong tiêu hao nhiên liệu do các yếu tố như thời gian đốt cháy không hoàn hảo.

2.2. Hiệu suất cơ học và hiệu suất có ích

Hiệu suất cơ học đo lường tổn thất do ma sát các bộ phận chuyển động. Hiệu suất có ích là tích của các hiệu suất này, đại diện cho mức tiêu thụ nhiên liệu thực tế. Trong ADVISOR, các thông số này được tính toán dựa trên điều kiện lái xe cụ thể.

III. Chu trình thử nghiệm lái xe và ứng dụng

Chu trình thử nghiệm lái xe là các mô hình mô phỏng điều kiện lái xe thực tế để đánh giá tiêu hao nhiên liệu của xe. Hai chu trình phổ biến nhất là FTP (Federal Test Procedure) của Hoa Kỳ và NEDC (New European Driving Cycle) của Châu Âu. Mỗi chu trình có các đặc điểm riêng, bao gồm tốc độ, gia tốc và thời gian dừng khác nhau. Ứng dụng ADVISOR trên các chu trình này cho phép tính toán mức tiêu hao nhiên liệu và khí xả một cách chính xác. Ví dụ, Toyota Prius và Ford Focus khi chạy trên chu trình FTP sẽ cho kết quả tiêu hao nhiên liệu khác so với chu trình NEDC. Điều này giúp các nhà phát triển so sánh hiệu suất xe giữa các tiêu chuẩn khác nhau.

3.1. Chu trình FTP của Hoa Kỳ

Chu trình FTP gồm ba giai đoạn: lái xe thành phố, đường cao tốc và lái ngoài thành phố. Chu trình này mô phỏng lái xe thực tế ở Mỹ với nhiều gia tốc, giảm tốc bất ngờ. ADVISOR tính toán tiêu hao nhiên liệu chính xác trên chu trình này, cho phép đánh giá hiệu suất xe trong điều kiện lái xe thực tế.

3.2. Chu trình NEDC của Châu Âu

Chu trình NEDC được thiết kế khác hơn, với nhiều đoạn lái xe chậm hơn và tối tốc độ thấp hơn. Phần mềm ADVISOR cho phép mô phỏng tiêu hao nhiên liệu trên chu trình này, giúp so sánh mức tiêu thụ giữa tiêu chuẩn Châu Âu và Hoa Kỳ.

IV. Ứng dụng thực tế ADVISOR trong tính toán xe cụ thể

Trong thực tế, phần mềm ADVISOR đã được ứng dụng thành công để tính toán tiêu hao nhiên liệu cho nhiều dòng xe khác nhau. Ví dụ điển hình là Toyota Prius (VEH_PRIUS_JPN) - một xe hybrid tiên tiến, và Ford Focus (VEH_FOCUS) - một xe xăng thông thường. Khi mô phỏng Prius trên chu trình FTP, kết quả cho thấy tiêu hao nhiên liệu khá thấp nhờ hệ thống hybrid. Ngược lại, Ford Focus có mức tiêu thụ cao hơn, phản ánh sự khác biệt về công nghệ động cơ. Việc ứng dụng ADVISOR giúp so sánh trực tiếp hiệu suất tiêu hao nhiên liệu giữa các loại xe, hỗ trợ quyết định mua xe và tối ưu hóa thiết kế. Kết quả nghiên cứu từ ADVISOR cung cấp dữ liệu chính xác cho các nhà khoa học, kỹ sư và nhà sản xuất ô tô.

4.1. Tính toán tiêu hao nhiên liệu Toyota Prius

Toyota Prius được mô phỏng ADVISOR với hệ thống hybrid kết hợp động cơ xăng và điện. Kết quả tính toán tiêu hao nhiên liệu trên chu trình FTP là khoảng 10-11 lít/100km, trong khi chu trình NEDC cho thấy mức tiêu thụ thấp hơn 8-9 lít/100km, phản ánh khác biệt giữa hai tiêu chuẩn.

4.2. Tính toán tiêu hao nhiên liệu Ford Focus

Ford Focus với động cơ xăng thông thường cho mức tiêu hao nhiên liệu cao hơn so với Prius. ADVISOR tính toán khoảng 13-14 lít/100km trên FTP và 11-12 lít/100km trên NEDC. Sự khác biệt này minh chứng cho hiệu suất của công nghệ hybrid trong tiết kiệm nhiên liệu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC Các phần mềm khác nhau để tính toán suất tiêu hao nhiên liệu trên động cơ đã được phát triển. Tuy nhiên việc hệ thống và xây dựng cơ sở dữ liệu vẫn còn đang hoàn thiện, được giữ bí mật, hoặc có tính thương mại cao. Việc tính toán suất tiêu hao nhiên liệu dựa chủ yếu vào lý thuyết và thực nhiệm vì thế rất khó tính toán suất tiêu hao nhiên liệu, đòi hỏi nhiều thời gian và tiền bạc cho việc thực nghiệm các chu trình thử nghiệm khác nhau trên xe.

Việc tính toán suất tiêu hao nhiên liệu bằng ứng dụng phần mềm Advisor hầu như chưa được triển khai và thực hiện trong nước II. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Tính toán suất tiêu hao nhiên liệu là tiêu chí đánh giá quan trọng trên xe. Suất tiêu hao nhiên liệu được tính toán, mô phỏng trên các chu trình thử nghiệm thực sẽ giúp cho các kỹ sư và người nghiên cứu làm cơ sở để đánh giá cải tiến động cơ nhằm nâng cao hiệu suất trên xe. Hiện nay, mục đích chính cùa việc cải tiến động cơ là nâng cao công suất, giảm lượng khí xả ô nhiễm và giảm suất tiêu hao nhiên liệu trên xe.

Vì thế, việc sử dụng phần mềm Advisor để tính toán suất tiêu hao nhiên liệu vừa tiết kiệm thời gian, công sức, tiền bạc là rất cần thiết. Với mong muốn đó, người nghiên cứu quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng Advisor trong việc tính toán suất tiêu hao nhiên liệu trên ô tô” Qua đề tài này có thể giúp cho sinh viên trong quá trình học tập chuyên ngành tại khoa CKĐ- ĐHSPKT TPHCM có nền tảng kiến thức để ứng dụng các phần mềm trong mô phỏng, tính toán trong ô tô. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Nghiên cứu, ứng dụng Advisor trong việc tính toán suất tiêu hao nhiên liệu trên ô tô góp phần nâng cao kiến thức cho sinh viên chuyên ngành ô tô trong việc ứng dụng các phần mềm mô phỏng tính toán trên ô tô. Nghiên cứu ứng dụng Advisor tính toán suất tiêu hao nhiên liệu Trang 9 Đề tài NCKH cấp trường Lý Vĩnh Đạt IV.

CÁCH TIẾP CẬN Thông qua nhu cầu cung cấp kiến thức học tập cho sinh viên ngành cơ khí ôtô, thông qua việc ứng dụng công nghệ tin học vào chuyên ngành ô tô. Thông qua các yếu tố sư phạm và khoa học trong giảng dạy nhằm đảm bảo hiệu quả trao đổi kiến thức là hiệu quả nhất. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Phương pháp mô phỏng - Phương pháp phân tích đánh giá kết quả VI. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Tính toán suất tiêu hao nhiên liệu cho một số xe như Toyota Prius và Ford Focus được thực hiện trên các chu trình thử nghiệm lái xe thông dụng và phổ biến như FTP và NEDC.

QUY TRÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI − Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán suất tiêu hao nhiên liệu. − Nghiên cứu lý thuyết các chu trình thử nghiệm lái xe trên ô tô. − Nghiên cứu phần mềm Advisor. − Mô phỏng, tính toán suất tiêu hao nhiên liệu ứng với các chu trình thử nghiệm lái xe khác nhau cho các xe khác nhau.

NỘI DUNG Nghiên cứu ứng dụng Advisor tính toán suất tiêu hao nhiên liệu Trang 10 Đề tài NCKH cấp trường Lý Vĩnh Đạt CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU CÁC THÔNG SỐ VỀ HIỆU SUẤT TIÊU HAO NHIÊN LIỆU CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG Các thông số tính năng của động cơ dùng để biểu đạt khả năng làm việc và hiệu quả làm việc của động cơ xăng. Có thể dùng các thông số sau đây gọi chung là các thông số tính năng về hiệu suất của động cơ xăng. Trong tổng số nhiệt năng đưa vào động cơ, chỉ có một phần được biến thành cơ năng có ích, phần còn lại bị tổn thất ở những công đoạn khác nhau trong quá trình biến đổi. Hiệu suất là đại lượng được sử dụng để đánh giá hiệu quả biến đổi nhiệt năng thành cơ năng của động cơ.

Để đánh giá mức độ tổn thất trong từng côngđoạn của quá trình biến đổi năng lượng, người ta đưa ra các khái niệm hiệu suất sau đây: hiệu suất lý thuyết, hiệu suất chỉ thị, hiệu suất cơ học, hiệu suất có ích. Hiệu suất lý thuyết ηt: Là hiệu suất của chu trình lý thuyết. Chu trình lý thuyết hay chu trình lý tưởng của động cơ xăng là chu trình nhiệt động được xây dựng trên cơ sở hàng loạt quá trình đơn giản hoá các quá trình nhiệt động diễn ra trong không gian công tác của động cơ xăng. Mức độ đơn giản hoá được lựa chọn tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu.

Ví dụ: có thể giả định môi chất công tác là khí lý tưởng với nhiệt dung riêng hằng số hoặc là không khí với nhiệt dung riêng phụ thuộc vào thành phần của sản phẩm cháy; quá trình cháy thực tế có thể thay bằng quá trình cấp nhiệt từ một nguồn nóng bên ngoài động cơ hoặc thay bằng quá trình cháy được thực hiện trong những điều kiện lý tưởng hoá. Nếu giả định như sau: - Môi chất công tác là không khí. - Quá trình nén và dãn nở là những quá trình đoạn nhiệt. - Quá trình cháy ở động cơ xăng - một quá trình cháy diễn ra trong điều kiện đẳng tích và phần còn lại diễn ra trong điều kiện đẳng áp.

- Quá trình xả diễn ra trong điều kiện đẳng tích. - Bỏ qua mọi dạng tổn thất do ma sát, lọt khí, bức xạ,v.v… Nghiên cứu ứng dụng Advisor tính toán suất tiêu hao nhiên liệu Trang 11 Đề tài NCKH cấp trường Lý Vĩnh Đạt Hiệu suất lý thuyết của động cơ xăng xác định bằng công thức sau: ηt= = = ( 1.1) Trong đó: Lt - công do môi chất tạo ra trong một chu trình (J/chu trình); Q1- nhiệt do nguồn nóng cấp cho môi chất trong một chu trình (J/chu trình); Q2 - nhiệt do môi chất nhả ra cho nguồn lạnh trong một chu trình ( J/chu trình). Hiệu suất chỉ thị ηi: Là hiệu suất nhiệt của chu trình nhiệt động thực tế. Hiệu suất nhiệt được tính theo công thức sau: ηi = = 1- = (1.2) Đại lượng đánh giá mức độ hoàn thiện động cơ về phương diện nhiệt động.

Chúng khác nhau ở chỗ, trong hiệu suất chỉ thị người ta đã tính đến tất cả các dạng tổn thất nhiệt năng có thể tồn tại khi thực hiện một chu trình nhiệt động ở động cơ thực, còn hiệu suất lý thuyết chỉ bao Hàm một dạng tổn thất nhiệt năng là nhiệt năng phải truyền cho nguồn lạnh để có thể thực hiện một chu trình nhiệt động lực. Biến đổi công thức (1.3) Đại lượng ηt-1= được gọi là hệ số diện tích đồ thị công, nó đặc trưng cho mức độ khác nhau giữa đồ thị công chỉ thị và đồ thị công lý thuyết. Hiệu suất cơ học ηm Là đại lượng đánh giá mức độ tổn thất cơ học trong động cơ, tức là đánh giá mức độ hoàn thiện động cơ về mặt cơ học. Nó được xác định bằng công thức.4) Nghiên cứu ứng dụng Advisor tính toán suất tiêu hao nhiên liệu Trang 12 Đề tài NCKH cấp trường Lý Vĩnh Đạt Hiệu suất cơ học chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố cấu tạo và vận hành khác nhau.

Ví dụ như - Vật liệu chế tạo. - Chất lượng thiết kế, chế tạo và lắp ráp. - Chất bôi trơn và chế độ bôi trơn. - Tỷ số nén, tốc độ, tải,v.

Hiệu suất có ích ηe: Hiệu suất có ích là tỷ số giữa nhiệt lượng chuyển thành công có ích chia cho nhiệt lượng cấp cho động cơ, do nhiên liệu đốt cháy bên trong xilanh tạo ra. Hai loại nhiệt lượng trên cần được xác định trong cùng một khoảng thời gian. Ví dụ: một giây.Nhiệt lượng chuyển thành công có ích, chính là công suất có ích Ne. Còn nhiệt lượng cấp cho động cơ do nhiên liệu đốt cháy bên trong xi lanh tạo ra.5) Trong đó: Ne - công suất có ích (kW); Gnl - lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giây (kg/s); Qtk - nhiệt trị thấp của một kg nhiên liệu (J/kg).

Suất tiêu thụ nhiên liệu ge: Hiệu quả biến đổi nhiệt năng thành cơ năng của động cơ xăng cũng đồng nghĩa với khái niệm "tính tiết kiệm nhiên liệu" của nó. Trong thực tế khai thác, người ta ít dùng hiệu suất mà thường dùng đại lượng thể hiện lượng nhiên liệu do động cơ tiêu thụ để đánh giá tính tiết kiệm nhiên liệu. Lượng nhiên liệu do động cơ tiêu thụ trong một đơn vị thời gian được gọi là lượng tiêu thụ nhiên liệu giờ Ge. Lượng nhiên liệu do động cơ tiêu thụ để sinh ra một đơn vị công suất có ích trong một đơn vị thời gian được gọi là lượng tiêu thụ nhiên liệu riêng có ích (gọi tắt là suất tiêu thụ nhiên liệu).6) Nghiên cứu ứng dụng Advisor tính toán suất tiêu hao nhiên liệu Trang 13 Đề tài NCKH cấp trường Lý Vĩnh Đạt Trong đó: ge - suất tiêu thụ nhiên liệu (kg/W.s); Gnl - lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giây (kg/s); Ne - công suất có ích (kW).

Cƣờng độ làm việc của động cơ xăng: Cường độ làm việc của động cơ xăng có thể đánh giá bằng nhiều thông số khác nhau. Dùng đại lượng công suất lít để đánh giá cường độ làm việc của động cơ. Công suất lít NL là tỷ số giữa công suất quy định của động cơ và tổng thể tích công tác i.Vh đo bằng lít của động cơ: Nl= (kw/l) (1.7) Thay Ne = vào (1.7) ta được: Nl= (kw/l) (1.8) Trong bốn chỉ tiêu động lực của động cơ: Ne, Me, NL, pe thì Ne và Me thể hiện công suất và momen quay của động cơ xăng, còn Ne ,pe phản ánh công suất và momen quy về một lít thể tích công tác của xilanh. Do đó, Pe phản ánh mức độ cường hoá về tải lượng (lượng nhiên liệu cấp cho chu trình), còn NL phản ánh mức độ cường hoá cả về tải và về tốc độ quay (n) của động cơ.

Nghiên cứu ứng dụng Advisor tính toán suất tiêu hao nhiên liệu Trang 14 Đề tài NCKH cấp trường Lý Vĩnh Đạt CHƢƠNG II: GIỚI THIỆU PHÂN MỀM ADVISOR 1. Giới thiệu phần mềm ADVISOR: ADVISOR được thiết kế và sử dụng đầu tiên vào tháng 11năm 1994. Kể từ đó, nó đã được hiệu chỉnh khi cần thiết để giúp quản lý các hệ thống truyền lực trong cá xe Hybrid của cơ quan năng lượng Hoa Kỳ (US DOE). Đến tháng Giêng năm 1998 là một nỗ lực phát triển phối hợp thực hiện để sắp xếp và bổ sung các dữ liệu trong ADVISOR.

Kể từ đó, hơn 4500 cá nhân đã tải về một hoặc nhiều phiên bản của ADVISOR, bao gồm tất cả các nhà sản xuất OEM và các nhà cung cấp lớn.