Tài liệu Ứng dụng máy tính trong mô phỏng động cơ đốt trong

TS LÝ VĨNH ĐẠT ỨNG DỤNG MÁY TÍNH TRONG MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG TS LÝ VĨNH ĐẠT ỨNG DỤNG MÁY TÍNH TRONG MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 2017 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, công nghệ ô tô phát triển vượt bậc và trở thành một ngành công nghiệp chính của nước ta. Khi động cơ đốt trong ra đời, đó cũng chính là thời điểm mà nền công nghiệp bắt đầu phát triển mạnh mẽ. Trong những thập niên gần đây, mối quan tâm hàng đầu của các nhà sản xuất ô tô là làm sao chế tạo được ô tô đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, hạn chế tối đa mức phát thải ô nhiễm môi trường. Để giúp tạo ra các động cơ đốt trong với mức độ ô nhiễm môi trường thấp nhất nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật thì một công đoạn quan trọng không thể bỏ qua, đó chính là bước mô phỏng trên máy tính, từ các mô phỏng này chúng ta mới có thể đánh giá được tính năng của động cơ, từ đó đưa ra phương pháp cải tiến thích hợp. Ngày nay, động cơ đốt trong ngày càng phổ biến, để cho việc tiến hành mô phỏng đạt hiệu quả và kết quả chính xác, các cán bộ kỹ thuật và người học cần phải trang bị cho mình các kiến thức về mô phỏng và các phần mềm mô phỏng chính như Matlab, ESP, Advisor, Engine Analyzer... Để giúp cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên đang học theo ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô kịp thời nắm bắt kiến thức về mô phỏng động cơ đốt trong, tác giả biên soạn cuốn giáo trình “Ứng dụng máy tính trong mô phỏng động cơ đốt trong”. Giáo trình được biên soạn theo chương trình mới, theo phương pháp tiếp cận CDIO mà ở đó người học tự học là chính, tích cực, chủ động trong việc học tập, nghiên cứu, tìm tòi, rèn luyện kỹ năng làm việc nhóm và đặc biệt là thực hành cụ thể trên máy tính, viết báo cáo. Người học cần phải nắm bắt các kiến thức cơ bản về động cơ đốt trong, biết được các thông số cơ bản của một động cơ đốt trong, nắm bắt được các điều kiện biên khi mô phỏng và biết cách thiết lập các thông số khi mô phỏng cũng như nhận xét đánh giá về kết quả đã mô phỏng. Ngoài ra, cuốn giáo trình còn là tài liệu tham khảo chính cho sinh viên và học viên cao học trong việc nghiên cứu về lĩnh vực ứng dụng máy tính trong việc mô phỏng động cơ đốt trong. Tác giả xin chân thành cảm ơn sự cộng tác của KS Đỗ Tấn Thích và tập thể cán bộ giảng viên của Bộ môn Động cơ, Khoa Cơ khí Động lựcTrường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM. Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình biên soạn nhưng chắc rằng cuốn giáo trình vẫn còn những khiếm khuyết, rất mong nhận được sự đóng góp chân tình của bạn đọc để lần tái bản sau được hoàn thiện hơn. 3 Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về: Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM. Email: [email protected] hoặc [email protected] Tác giả 4 MỤC LỤC Lời nói đầu................................................................................................ 3 Danh mục từ viết tắt ................................................................................ 9 Đơn vị đo ................................................................................................. 12 Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN ............................................. 15 1.1. Khái quát về động cơ đốt trong ..................................................... 15 1.1.1. Giới thiệu về động cơ đốt trong .................................................... 15 1.1.2. Lịch sử hình thành động cơ đốt trong ............................................ 16 1.2. Các thông số đặc trưng của động cơ đốt trong ............................ 18 1.2.1. Định nghĩa và các khái niệm cơ bản trên động cơ đốt trong ........... 18 1.2.2. Các thông số đặc trưng của động cơ đốt trong .............................. 20 1.2.2.1. Tính chất hình học của động cơ đốt trong ......................... 20 1.2.2.2. Công, công suất và mômen xoắn ...................................... 21 1.2.2.3. Áp suất trung bình(mep) .................................................... 24 1.3. Hiệu suất .......................................................................................... 25 1.3.1. Hiệu suất lý thuyết ((𝜂𝑡 ), hiệu suất chỉ thị (𝜂𝑖𝑔 )............................ 25 1.3.2. Hiệu suất cơ học (𝜂𝑚 ) ................................................................... 25 1.3.3. Hiệu suất có ích (𝜂𝑏 ) ..................................................................... 26 1.3.4. Hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu (𝜂𝑓 )............................................ 26 1.3.5. Hệ số nạp (𝜂𝑣 ) ............................................................................... 26 1.4. Suất tiêu thụ nhiên liệu(𝑠𝑓𝑐) ......................................................... 26 1.5. Tỷ lệ không khí -nhiên liệu ............................................................ 27 Chương 2: MATLAB CƠ BẢN TRONG TOÁN HỌC VÀ ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ ...................................................................................... 28 2.1. Matlab và một số hàm tính cơ bản ................................................ 28 2.1.1. Tổng quan về Matlab ..................................................................... 28 5 2.1.2. Matlab trong toán học .................................................................... 32 2.2. Matlab Simulink ứng dụng mô phỏng động cơ đốt trong ........... 41 2.2.1. Tổng quan về Matlab Simulink ..................................................... 41 2.2.2. Giới thiệu một số khối cơ bản........................................................ 43 2.2.2.1. Thư viện Sources ............................................................... 43 2.2.2.2.Thư viện Sinks ................................................................... 46 2.2.2.3.Thư viện Math .................................................................... 49 2.2.2.4. Thư viện Ports và Subsystems .......................................... 52 2.2.2.5.Các khối thông dụng khác .................................................. 53 2.2.3. Mô hình hóa động cơ đốt trong và ứng dụng Simulink để mô phỏng ..................................................................................... 56 Chương 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ESP MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ................................................ 67 3.1. Giới thiệu khái quát và thành phần của ESP ............................... 67 3.2. ESPJAN và cách tạo tệp tin .ESJ .................................................. 68 3.2.1. Công dụng của ESP ....................................................................... 68 3.2.2. Cách sử dụng phần mềm ESP ........................................................ 68 3.3. ESPCAM và cách tạo tệp tin .ESV................................................ 73 3.3.1. Công dụng của ESPCAM ............................................................. 73 3.3.2. Cách sử dụng ESPCAM ................................................................ 73 3.4. ESP- cách chạy một chương trình hoàn chỉnh ............................. 77 Chương 4: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ADVISOR MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ................................ 89 4.1. Khái quát về phần mềm ADVISOR .............................................. 89 4.1.1. Giới thiệu phần mềm ADVISOR................................................... 89 4.1.2. Cấu trúc phần mềm ADVISOR ..................................................... 91 4.2. Cách sử dụng phần mềm ADVISOR ............................................ 93 4.2.1. Khởi động phần mềm ADVISOR .................................................. 93 4.2.2. Nhập thông tin xe........................................................................... 96 6 4.2.2.1. Giới thiệu mô hình của một số hệ thống truyền lực trong tùy chọn .................................................................. 97 4.2.2.2.Các biến tín hiệu đầu vào của xe ...................................... 103 4.2.2.3. Một số tùy chọn khác ...................................................... 106 4.3. Chạy mô phỏng ............................................................................. 108 4.3.1. Lựa chọn chu trình thử (Drive Cycle) ......................................... 109 4.3.2. Giới thiệu một số chu trình thử phổ biến ..................................... 109 4.3.3. Hiệu chỉnh trạng thái nạp (SOC Correct) .................................... 115 4.3.4. Tùy chọn độ dốc không đổi (Constant Road Grade) ................... 115 4.3.5. Tùy chọn nhiều chu kỳ ................................................................ 116 4.3.6. Tùy chọn quy trình thử nghiệm ................................................... 116 4.3.7. Kiểm tra khả năng tăng tốc (Acceleration Test) .......................... 116 4.3.8. Kiểm tra khả năng leo dốc (Gradeability Test) ........................... 117 4.3.9. Cài đặt tải mô phỏng (Load sim setup) ........................................ 118 4.3.10. Cài đặt tải phụ trợ (Auxiliary Loads)......................................... 118 4.3.11. Các biến tối ưu hóa trạng thái điều khiển (Optimize CS VARS)........................................................................................ 119 4.3.12. Lưu và chạy mô phỏng(Save và Run) ....................................... 119 4.4. Kết quả đầu ra .............................................................................. 119 Chương 5: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ENGINE ANALYZER PRO TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG .............................................. 121 5.1. Khái quát và chức năng chính về phần mềm ANALYZER PRO ................................................................... ..121 5.1.1. Khái quát ...................................................................................... 121 5.1.2. Các chức năng chính của phần mềm .......................................... 122 5.2. Cách sử dụng phần mềm ANALYZER PRO ............................. 134 5.2.1. Cách khởi động chương trình ...................................................... 134 5.2.2. Các thông số thân máy và cách thiết lập...................................... 135 5.2.3. Các thông số nắp máy và cách thiết lập ....................................... 145 7 5.2.3.1. Các thông số của hệ thống cửa nạp ................................. 145 5.2.3.2. Các thông số của hệ thống xả (Exhaust System Specs) ......... 159 5.2.3.3. Hệ thống phân phối khí ................................................... 159 5.2.3.4. Thông số cam và xú páp (Cam/Valve Train Specs) ........ 182 5.2.4. Hệ thống tăng áp (Turbo/Supercharge Specs) ............................. 195 5.2.4.1. Hệ thống không có tăng áp (none) .................................. 196 5.2.4.2. Tăng áp loại Roots Supercharger .................................... 196 5.2.4.3. Tăng áp loại Centrifugal .................................................. 201 5.2.4.4. Tăng áp loại Turbocharger .............................................. 204 5.2.4.5. Tăng áp loại hỗn hợp “Centrifugal Into Roots S/C” ......... 208 5.2.5. Tiến hành tính toán ...................................................................... 209 5.2.5.1.Điều kiện tính toán ........................................................... 209 5.2.5.2. Tiến hành quá trình tính toán .......................................... 219 Tài liệu tham khảo ............................................................................... 223 8 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết đầy đủ Từ, cụm từ viết tắt Avg In Vel Average Intake Velocity Avg Ex Vel Average Exhaust Velocity Act In FlowArea Actual Intake FlowArea Act Ex FlowArea Actual Exhaust FlowArea ATDC After Top Dead Center A/F Air/Fuel ABDC After Bottom Dead Center A/F Mxtr Qlty Air/Fuel Mixture Quality Alum Aluminium BSFC, lb/HP-hr Brake Specific Fuel Consumption, pound/Horse Power-hour BDC Bottom Dead Center BTDC Before Top Dead Center Brk Tq Brake Torque BMEP Brake Mean Effective Pressure Coef Coefficient Cyl Cylinder Carb Carburetor C.I Cast Iron Chev Chevy Comp. Ratio Compression Ratio Calc Calculate 9 Viết đầy đủ Từ, cụm từ viết tắt CFM Coefficient Fuel Mount Dia Diamter DOHC Double Over Head Cam EAP V3.3 Engine Analyzer Pro V3.3 EC Exhaust Close Eff Effective Eff Rckr Arm Stffnss Effective Rocker Arm Stiffness Exh Temp Exhaust Temperature Exh Pres Exhaust Pressure EFI Electronic Fuel Injection Fuel inj Fuel injection Frctn Tq Friction Torque Frctn HP Friction Horse Power FMEP Friction Mean Effective Pressure FC Flow Coefficient IO Intake Open Injctr Dty Cyc Injector Duty Cycle In Port Temp Intake Port Temperature Inj Plse Wdth Inject Pulse Width Int Vac Intake Vacuum IMEP Indicator Mean Effective Pressure In Tune Prs Intake Tune Pressure L/D Length Cylinder/ Diameter Cylinder Mech Eff Mech Effective Mx Cyl Pres Max Cylinder Pressure 10 Viết đầy đủ Từ, cụm từ viết tắt Mx Cyl Tmp Max Cylinder Temperature Ntrs Fuel Nitrous Fuel Open @ 10, BTDC Open at deg 10, Before Top Dead Center O.D Outside Diameter Piston Spd Piston Speed Pres Pressure Pk Peak Piston Ac Piston Accelration RPM Round Per Munite, Rotate per minute Spark Advnc Spark Advance Specs Specification Std Flywh Stand Flywheel Temp Temperature TDC Top Dead Center Vol Eff Volume Effective 11 ĐƠN VỊ ĐO Đại lượng Ký Đơn vị hiệu viết tắt Thể tích V Cu In CCs Lit cm3 Đơn vị viết đủ Hệ số chuyển đổi giữa đơn vị Cubic Inch Cubic Centimeter square Liter Cubic inch square inchs 1 cu in = 16,387 CCs 1 cu in = 60.9615 Liters 1 cu in = 16,387 cm3 Chiều dài l In Ft m Inch Feet meter 1 in = 0.0254 m 1 ft = 12 in 1 ft = 0.0348 m Khối lượng m Lb Kg gms pound kilogram gram 1 lb = 0,4535 kg 1 kg = 1000 gms Áp suất p N/m2 Psi Pa Newton/ Square meter Poud Square inch Pascan 1 N/m2 = 1Pa 1 N/m2 = 10-5kg/cm2 1 N/m2 = 14.5 Psi Diện tích S m2 In2 Ft2 cm² Square meter Square inch Square feet Square centimeter 1 m² = 10.764 feet² 1 m² = 1550.003 inch² 1 m² = 104 cm² Nhiệt độ T K F C Kenvil Fahrenheit Cenciut 10 C = 273K 10 C = 33.80 F Thời gian h hr min sec ms hour minute second milisecond 1hr = 60 min 1min = 60 second 1 second = 1000ms 12 Đại lượng Ký Đơn vị hiệu viết tắt Công suất P KW HP J/s Kilo-Oat Horse Power Jun/second 1 KW = 1.341 HP 1 KW = 1 KJ/s Mô men xoắn M Nm Lb*ft Kgcm 1Nm = 0.73756 Lb*ft 1Nm = 10.1971 Kgcm 1Nm = 8.85 Lb*in Lb*in Newton meter Pound * feet Kilogram centimeter Pound * inch Rpm Round per munite n = 2000 rpm Số vòng quay của động cơ n Đơn vị viết đủ Hệ số chuyển đổi giữa đơn vị 13 14 Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN Mục tiêu: Sau khi đọc chương này sinh viên có thể: - Định nghĩa được động cơ đốt trong, biết rõ về lịch sử hình thành và phát triển của động cơ đốt trong. - Hiểu được các định nghĩa và các khái niệm của động cơ đốt trong. - Định nghĩa được các thông số cơ bản của động cơ đốt trong. Phần đầu của chương giới thiệu khái quát về động cơ đốt trong, lịch sử hình thành và phát triển của động cơ đốt trong. Phần tiếp theo trình bày về các khái niệm được sử dụng và phần cuối cùng đề cập đến các thông số cơ bản của động cơ đốt trong. 1.1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1.1. Giới thiệu về động cơ đốt trong Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, tạo ra công cơ học bằng cách đốt nhiên liệu bên trong động cơ. Hỗn hợp không khí và nhiên liệu được đốt trong xy lanh của động cơ đốt trong. Khi đốt cháy, nhiệt độ tăng làm cho khí đốt giãn nở tạo nên áp suất tác dụng lên một piston, đẩy piston di chuyển sinh công. Chuyển động tịnh tiến của piston làm quay trục khuỷu, sau đó làm bánh xe chuyển động nhờ xích tải hoặc trục truyền động. Động cơ đốt trong là nguồn động lực chính để dẫn động cho các phương tiện giao thông vận tải, trong đó phổ biến nhất là dẫn động cho ô tô chuyển động. Động cơ đốt trong hiện nay gồm có: động cơ đốt trong piston tịnh tiến, piston quay và tua bin khí... Hiện nay về cơ bản động cơ sử dụng trên ô tô là động cơ đốt trong kiểu piston tịnh tiến, nhiên liệu sử dụng chủ yếu là xăng và diesel. Về nguyên lý hoạt động thì hai loại động cơ xăng và diesel là gần giống nhau, chúng chỉ khác nhau về phương pháp đốt cháy, hình thành hỗn hợp hoà khí (không khí – nhiên liệu). Động cơ xăng có tốc độ cao, rất cơ động, công suất phát ra lớn, buồng đốt gọn, được sử dụng rộng rãi ở các xe chở khách và xe tải 15 nhỏ…Động cơ diesel có hiệu suất nhiệt lớn, công suất cao hơn, tiết kiệm nhiên liệu và tốc độ động cơ nhỏ hơn động cơ xăng. Chính vì vậy nó thường được dùng để dẫn động trên các loại ô tô du lịch từ bảy chỗ trở lên, ô tô buýt, ô tô tải, các loại phương tiện thương mại… 1.1.2. Lịch sử hình thành động cơ đốt trong Ý tưởng về động cơ được hình thành từ năm 1506, từ những bức vẽ của danh họa nổi tiếng Leonardo da Vinci. Hơn một thế kỷ sau, nhà vật lý học người Đức Christiaan Huygens tiếp tục phát triển ý tưởng của Leonardo da Vinci khi thiết kế loại động cơ chạy bằng thuốc súng đầu tiên vào năm 1673. Tuy nhiên, loại động cơ này đã không được đưa vào sản xuất. Vào năm 1807, Francois Isaac De Rivaz, người Thụy Điển, đã phát minh ra loại động cơ đốt trong dùng hỗn hợp khí Hydro và Oxy làm nhiên liệu. Rivaz cũng thiết kế riêng một chiếc xe sử dụng động cơ này. Tuy nhiên, thiết kế của ông đã không thành công như mong đợi. Năm 1823, dựa trên ý tưởng của Leonardo, Samual Brown cho ra đời một loại động cơ được cải tiến từ động cơ hơi nước. Được chạy thử thành công trên một chiếc xe ở khu đồi Shooter (Anh) nhưng loại động cơ này đã không trở nên phổ biến vì nó khá lạc hậu so với tình hình giao thông lúc bấy giờ. Mãi tới năm 1860, lịch sử ngành động cơ xe hơi mới được chính thức bắt đầu khi chiếc xe chạy bằng động cơ đốt trong đầu tiên được cấp bằng sáng chế.  Động cơ đốt trong Động cơ đốt trong được phát minh vào năm 1860 bởi kỹ sư người Pháp có tên Jean Joseph Etienne Lenoir. Chiếc động cơ đầu tiên mà Lenoir chế tạo sử dụng nhiên liệu khí than và được trang bị một xylanh nằm ngang. Sau đó, vào năm 1864, Siegfried Marcus, người Áo, đã cải tiến động cơ đốt trong của Lenoir từ sử dụng nhiên liệu khí than sang sử dụng gas. Chiếc động cơ này được gắn vào một chiếc xe có thể vận hành với vận tốc 16km/h. Lịch sử động cơ đốt trong bao gồm những sự kiện đáng chú ý như sau: - 1680: Nhà vật lý học người Đức Christiaan Huygens thiết kế loại động cơ chạy bằng thuốc súng (loại động cơ này không được đưa vào sản xuất). - 1807: Francois Isaac De Rivaz người Thụy Điển phát minh loại động cơ đốt trong dùng hỗn hợp khí Hydro và Oxy làm nhiên liệu. 16 Rivaz thiết kế riêng một chiếc xe sử dụng động cơ này (chiếc xe đầu tiên gắn động cơ đốt trong), tuy nhiên thiết kế của ông đã không thành công như mong đợi. - 1824: Kỹ sư người Anh, Samuel Brown cải tiến một động cơ hơi nước cũ Newcomen thành động cơ chạy gas và thử nghiệm trên một chiếc xe trên khu đồi Shooter ở Anh. - 1858: Jean Joseph, một kỹ sư người Bỉ đã xin cấp bằng sáng chế cho chiếc xe động cơ đốt trong tác động kép, đánh lửa điện sử dụng nhiên liệu khí than (1860).1862: Kỹ sư người Pháp, ông Alphonse Beau De Rochas đệ đơn xin cấp bằng sáng chế động cơ bốn kỳ số 52593 ngày 16 tháng 01 năm 1862 (nhưng đã không sản xuất). - Vào năm 1863, Lenoir gắn động cơ này (đã được cải tiến, sử dụng nhiên liệu xăng và bộ chế hòa khí đơn giản) vào một chiếc xe coòng ba bánh và thực hiện thành công chuyến đi mang tính lịch sử với quãng đường 80km. - 1864: Siegfried Marcus, kỹ sư người Áo đã chế tạo một loại động cơ xy lanh với bộ chế hòa khí rất thô sơ và sau đó gắn lên một chiếc xe ngựa và đã vận hành thành công trên quãng đường đá dài 152,4m. Vài năm sau đó, Marcus thiết kế một chiếc xe có thể vận hành với tốc độ 16km/giờ và một số sử gia cho rằng đây mới chính là chiếc xe sử dụng động cơ xăng đầu tiên trên thế giới. - 1866: Hai kỹ sư người Đức, Eugen Langen và Nikolas August Otto đã cải tiến các thiết kế của Lenoir và De Rochas và đã tạo ra được động cơ chạy gas có hiệu suất lớn hơn. - 1873: Kỹ sư người Mỹ, George Brayton phát triển (nhưng không thành công) loại động cơ hai kỳ chạy dầu hỏa (loại động cơ này dùng hai xylanh bơm ngoài). Tuy vậy, loại động cơ này được coi như là động cơ dầu an toàn có giá trị ứng dụng đầu tiên. - 1876: Nikolas August Otto phát minh thành công và được cấp bằng sáng chế động cơ bốn kỳ thì - loại động cơ này thường được gọi là “Chu kỳ Otto” - 1876: Dougald Clerk chế tạo thành công động cơ hai kỳ đầu tiên - 1883: Kỹ sư người Pháp, ông Edouard Delamare – Deboutevile chế tạo động cơ 4 xy lanh chạy bằng gas đốt lò. Không thể chắc chắn rằng những gì ông làm có phải là chế tạo ôtô hay không, tuy nhiên, thiết kế của ông khá tiến bộ vào thời điểm đó, về một phương diện nào đó còn tiên tiến hơn cả thiết kế của Daimler và Benz, ít nhất là về lý thuyết. 17 - 1885: Gottlieb Daimler phát minh loại động cơ có thể được coi như là nguyên mẫu của động cơ xăng hiện nay với xylanh thẳng đứng và sử dụng bộ chế hòa khí (cấp bằng năm 1889). Daimler lần đầu tiên chế tạo xe hai bánh gắn động cơ có tên “Reitwagen”, một năm sau đó từ loại động cơ này ông đã chế tạo chiếc ôtô 4 bánh đầu tiên trên thế giới. - 1886: Vào ngày 29 tháng 01, Kar Benz nhận bằng sáng chế đầu tiên cho xe ôtô với động cơ xăng. - 1888: Daimler chế tạo động cơ bốn kỳ cải tiến có xupáp hình nấm và 2 xylanh nghiêng kiểu chữ V. Động cơ chữ V đầu tiên ra đời vào năm 1888, là sản phẩm của Gottlieb Daimler và Wilhelm Maybach. Động cơ có góc V (góc giữa hai hàng xylanh) bằng 170 dung tích 1050 cc, tạo công suất 4 mã lực tại 900 vòng/phút. - 1890: Wilhelm Mayback chế tạo động cơ bốn kỳ, 4 xylanh đầu tiên. Thiết kế động cơ và thiết kế ôtô là các công việc không thể tách rời, hầu hết các nhà thiết kế động cơ được nhắc đến ở trên kiêm luôn việc thiết kế xe ôtô và một số đã trở thành nhà sản xuất ôtô lớn nhất thế giới. Tất cả các sáng chế và phát minh của họ đều có đóng góp quan trọng trong tiến trình chế tạo ôtô với động cơ đốt trong. 1.2. CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.2.1. Định nghĩa và các khái niệm cơ bản trên động cơ đốt trong a. Điểm chết Hình 1.1. Khái niệm điểm chết trong động cơ đốt trong 18 Điểm chết là vị trí cuối cùng của piston khi chuyển động một hành trình trong xylanh. Tại đó vận tốc của piston bằng không và piston bắt đầu đổi chiều chuyển động. Như vậy, điểm chết có hai vị trí: - Điểm chết trên (ĐCT): là vị trí mà piston nằm xa trục khuỷu nhất. - Điểm chết dưới (ĐCD): là vị trí piston nằm gần tâm trục khuỷu nhất. b. Hành trình của piston (L) Hành trình của piston là khoảng cách dịch chuyển của piston giữa hai điểm chết trên và điểm chết dưới, ký hiệu là L 𝐿 = 2. 𝑎 (1.1) Với a là bán kính quay của trục khuỷu. B - Đường kính xylanh. L - Hành trình piston. l - Chiều dài thanh truyền. a – Bán kính quay của trục khuỷu. 𝜃 – Góc khuỷu. Vc – Thể tích buồng cháy. Vd – Thể tích công tác. Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo động cơ đốt trong c. Thể tích buồng cháy (𝐕𝐜 ) Thể tích buồng cháy là khoảng không gian trong xylanh được giới hạn bởi đỉnh piston, thân máy và nắp máy khi piston ở điểm chết trên, ký hiệu là 𝑉𝑐 . 19 d. Thể tích công tác (𝐕𝐝 ) Thể tích công tác là khoảng không gian trong xylanh được giới hạn bởi hai mặt cắt vuông góc với đường tâm xylanh qua hai điểm chết. - Đối với động cơ chỉ có một xylanh thì thể tích công tác được tính như sau: 𝑉𝑑 = 𝜋.𝐵2 .𝐿 (1.2) 4 - Đối với động cơ có Nc xylanh thì thể tích công tác của động cơ là: 𝑉𝑑 = 𝑁𝑐 Trong đó: 𝜋.𝐵2 .𝐿 4 (1.3) B – Đường kính của xylanh [m]. L – Hành trình của piston [m]. Nc – Số xylanh của động cơ. e. Thể tích toàn bộ (𝐕𝐚 ) Thể tích toàn bộ là khoảng không gian trong xylanh được giới hạn bởi đỉnh piston, thân máy và nắp máy khi piston ở điểm chết dưới, ký hiệu là 𝑉𝑡 . 𝑉𝑎 = 𝑉𝑑 + 𝑉𝑐 (1.4) 1.2.2. Các thông số đặc trưng của động cơ đốt trong 1.2.2.1. Tính chất hình học của động cơ đốt trong a. Tỷ số nén (𝐫𝐜 ): 𝑉𝑑 + 𝑉𝑐 𝑉𝑐 b. Tốc độ trung bình của piston(𝐒̅𝐩 ): 𝑟𝑐 = 𝑁 [𝑚/𝑠] 30 Với N là tốc độ động cơ [vòng/giây]. 𝑆𝑝̅ = 𝐿. Tốc độ trung bình của tất cả các động cơ đốt trong thông thường sẽ nằm trong khoảng từ 5 ÷ 15m/s. Có hai lý do để tốc độ động cơ phải nằm trong khoảng này: - Đây là giới hạn an toàn của tốc độ mà các chi tiết trong động cơ có thể chịu được. Ở tốc độ động cơ điển hình là 3000 vòng/phút, mỗi lần hoạt động kéo dài 0.02 giây (0.005 giây đối với 12.000 vòng/phút). Nếu 20