ỨNG DỤNG MÁY TÍNH TRONG MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

ỨNG DỤNG MÁY TÍNH TRONG MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG TS LÝ VĨNH ĐẠT 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 3 LỜI NÓI Đ.

ỨNG DỤNG MÁY TÍNH TRONG MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

TS LÝ VĨNH ĐẠT

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 lực- Trường 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

Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về:

Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

Email: datckd@gmail.com hoặc datlv@hcmute.edu.vn

Tác giả

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

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

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

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

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ, cụm từ viết tắt Viết đầy đủ

Avg In Vel Average Intake Velocity

Avg Ex Vel Average Exhaust Velocity

Act In FlowArea Actual Intake FlowArea

Act Ex FlowArea Actual Exhaust FlowArea

A/F Mxtr Qlty Air/Fuel Mixture Quality

BSFC, lb/HP-hr Brake Specific Fuel Consumption,

pound/Horse Power-hour

Từ, cụm từ viết tắt Viết đầy đủ

Eff Rckr Arm Stffnss Effective Rocker Arm Stiffness

Injctr Dty Cyc Injector Duty Cycle

In Port Temp Intake Port Temperature

Inj Plse Wdth Inject Pulse Width

In Tune Prs Intake Tune Pressure

Mx Cyl Pres Max Cylinder Pressure

Từ, cụm từ viết tắt Viết đầy đủ

Open @ 10, BTDC Open at deg 10, Before Top Dead Center

ĐƠN VỊ ĐO

Đại lượng Ký

hiệu

Đơn vị viết tắt

Đơn vị viết đủ Hệ số chuyển đổi

Liter Cubic inch square inchs

1 cu in = 16,387 CCs

1 cu in = 60.9615 Liters

1 in = 0.0254 m

1 ft = 12 in

1 ft = 0.0348 m Khối

lượng

Kg gms

pound kilogram gram

Poud Square inch Pascan

Square meter Square inch Square feet Square centimeter

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

Đại lượng Ký

hiệu

Đơn vị viết tắt

Đơn vị viết đủ Hệ số chuyển đổi

giữa đơn vị

Công suất P KW

HP J/s

Kilo-Oat Horse Power Jun/second

Newton meter Pound * feet Kilogram centimeter Pound * inch

1Nm = 0.73756 Lb*ft 1Nm = 10.1971 Kgcm 1Nm = 8.85 Lb*in

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

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…

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

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

- 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

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

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

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

Với N là tốc độ động cơ [vòng/giây]

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

động cơ hoạt động ở tốc độ cao hơn, sẽ có nguy cơ làm hỏng các chi tiết trong động cơ Từ biểu thức S̅pcó thể thấy rằng phạm vi của tốc độ piston

có thể chấp nhận được dựa trên một phạm vi nhất định của tốc độ động

cơ và tùy thuộc vào loại động cơ, kích thước động cơ Có một mối tương quan tỷ lệ nghịch giữa kích thước động cơ và tốc độ hoạt động Động cơ với kích thước rất lớn (như động cơ tàu thủy, …) thường hoạt động trong phạm vi 200÷400 vòng/phút, trong khi các công cụ rất nhỏ (mô hình máy bay, động cơ nhỏ,…) hoạt động ở tốc độ 9000÷12.000 vòng/phút hoặc cao hơn Động cơ ô tô thường hoạt động trong phạm vi tốc độ 500÷5000 vòng/phút Theo một số điều kiện sử dụng với thiết kế và vật liệu đặc biệt, động cơ thử nghiệm hiệu suất cao đã được vận hành với tốc

độ piston trung bình lên đến 25m/s

- Lý do thứ hai là do luồng khí vào và ra khỏi các xylanh Tốc độ piston xác định tốc độ dòng chảy tức thời của không khí - nhiên liệu vào xylanh và lưu lượng khí thải ra khỏi xylanh trong kỳ xả Tốc độ piston cao hơn sẽ yêu cầu xú páp nạp - xả lớn hơn để cho phép tốc độ dòng chảy cao hơn

c Khi thay đổi theo thời gian, tốc độ tức thời của piston:

1.2.2.2 Công, công suất và mômen xoắn

Trong thử nghiệm động cơ, mô men xoắn của động cơ thường được

đo bằng lực kế (dynamometer) Động cơ được đặt trên băng thử, trục của động cơ được kết nối với rotor của bộ phận đo lực Hình 1.3 cho thấy

nguyên tắc hoạt động của một lực kế Các roto được điều khiển bằng điện

từ, thủy lực hoặc do ma sát cơ khí đến stator Mô men xoắn tác dụng lên staror làm quay cánh quạt được đo bằng cách cân bằng stator với trọng lượng, lò xo, hoặc các thiết bị khí nén

Công suất là đại lượng đặc trưng cho số cơ năng mà động cơ phát

ra trong một chu trình công tác hoặc trong một đơn vị thời gian Các đại lượng được dùng để đánh giá công suất của ĐCĐT bao gồm: áp suất trung bình, công, mômen xoắn

Hình 1.3 Xác định công suất, mômen xoắn trong thử nghiệm động cơ

a Công (W)

Các thông số áp suất khí thể trong xylanh của mỗi chu kỳ hoạt động của động cơ có thể được sử dụng để tính toán công sinh ra từ việc đốt cháy hỗn hợp không khí - nhiên liệu

Hình 1.4 Đồ thị công trên một chu kỳ

Áp suất xylanh và thể tích xylanh tương ứng trong mỗi chu kỳ hoạt động của động cơ có thể được vẽ trên một đồ thị (đồ thị công P – V) như

F

Bộ phận đo lực Stator

thể hiện trên Hình 1.4 Công sinh ra trong mỗi chu kỳ thu được bằng cách tích hợp các đường cong trên đồ thị

𝑊𝑐,𝑖 = ∮ 𝑝 𝑑𝑉 (1.9) Với động cơ hai kỳ (Hình 1.4a), áp dụng công thức (1.9) Với việc

bổ sung vào kỳ nạp và kỳ xả cho động cơ bốn kỳ, một số định nghĩa gần đúng được sử dụng phổ biến như sau:

- Công toàn bộ có ích 𝑊𝑐,𝑖𝑔 (hoặc Công chỉ thị tổng cộng) là công của quá trình nén và quá trình giãn nở

- Công toàn bộ trên một chu trình 𝑊𝑐,𝑖𝑛là công toàn bộ của các quá trình hút, nén, nổ, xả trên động cơ bốn kỳ

- Công suất của mỗi xylanh trong một chu trình làm việc (𝑃𝑖):

𝑃𝑖 = 𝑊𝑐,𝑖 𝑁

𝑛𝑅 [𝐾𝑊] (1.10) Trong đó: 𝑛𝑅 – Số vòng quay trục khuỷu

N – Tốc độ động cơ [vòng/giây]

Cần phân biệt các loại công như sau:

- Công có ích (𝑊𝑏): là công thu được ở đầu ra của trục khuỷu Đó là phần cơ năng thực tế có thể sử dụng được

- Công tổn thất cơ học (𝑊𝑚): là công tiêu hao do các hoạt động mang tính chất cơ học khi thực hiện một chu trình công tác Các dạng tổn thất năng lượng sau đây thường được tính vào công tổn thất cơ học:

+ Tổn thất do ma sát giữa các chi tiết của động cơ chuyển động tương đối với nhau

+ Phần năng lượng tiêu hao cho việc dẫn động các thiết bị và cơ cấu của bản thân động cơ, như: bơm nhiên liệu, bơm dầu bôi trơn, bơm nước làm mát, cơ cấu phân phối khí,…

+ Tổn thất bơm (phần cơ năng tiêu hao cho quá trình thay đổi khí)

- Công chỉ thị (Wig): là công do môi chất công tác sinh ra trong một chu trình thực tế, trong đó bao gồm cả phần tổn thất cơ học

𝑊𝑖𝑔 = 𝑊𝑏+ 𝑊𝑚 (1.11)

b Công suất động cơ (P),mômen xoắn T

 Công suất (P)

Công suất là tốc độ thực hiện công Trị số công suất của động cơ cho ta biết động cơ đó mạnh hay yếu

𝑃 = 2𝜋 𝑁 𝑇 10−3[𝑘𝑊] (1.12) Trong đó: P – Công suất (Kw);

N – Tốc độ quay (vòng/giây);

T – Mô men xoắn (N.m)

Từ phương trình (1.12) có thể suy ra mô men xoắn của động cơ T:

2𝜋 𝑁 10−3 [𝑁 𝑚]

Cần phân biệt các khái niệm công suất sau đây của ĐCĐT:

- Công suất chỉ thị (𝑃𝑖𝑔): là tốc độ thực hiện công chỉ thị của động

cơ Nói cách khác, công suất chỉ thị là công suất của động cơ, trong

1.2.2.3 Áp suất trung bình (mep)

Áp suất trung bình của chu trình (mep) là đại lượng được xác định

bằng tỷ số giữ công sinh ra trong một chu trình và dung tích công tác của

xy lanh

 Công sinh ra trong một chu trình hoạt động của động cơ:

𝑊𝑐 = 𝑃 𝑛𝑅

𝑁Trong đó nR là số vòng quay trục khuỷu

1.3 HIỆU SUẤT

1.3.1 Hiệu suất lý thuyết (𝜼𝒕), hiệu suất chỉ thị (𝜼𝒊𝒈)

Hiệu suất chỉ thị (ηig) là hiệu suất nhiệt của chu trình nhiệt động thực tế

Đại lượng ηig = Wig/Wt được gọi là hệ số diện tích đồ thị công, nó đặc trưng cho mức độ khác nhau giữa diện tích đồ thị công chỉ thị và đồ thị công lý thuyết

1.3.2 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 của động cơ về phương diện cơ học Nó được xác định bằng công thức:

1𝑠𝑓𝑐 𝑄𝐻𝑉 (1.19) Trong đó: 𝑊𝑐 – Công trên một chu trình công tác

𝑄𝐻𝑉 – Nhiệt trị của nhiên liệu (MJ/kg)

𝑚̇𝑓 –Lưu lượng nhiên liệu trên một đơn vị thời gian

𝑚𝑓 – Khối lượng của nhiên liệu trong mỗi chu kỳ

1.3.5 Hệ số nạp(𝜼𝒗)

Trong hệ thống nạp, bộ lọc không khí, bộ chế hòa khí, van tiết lưu, đường ống nạp, cổng nạp, xú páp nạp kìm hãm một lượng không khí di chuyển trong khi động cơ hoạt động Thông số để đo lường tính hiệu quả của quá trình nạp gọi là hệ số nạp

Hệ số nạp chỉ dùng cho động cơ bốn kỳ Nó được định nghĩa là tỷ

lệ lưu lượng dòng khí vào hệ thống nạp chia cho khối lượng không khí được thay thế bởi các piston

𝑚𝑎 – Khối lượng không khí vào xylanh trong mỗi chu

kỳ (kg/chu trình)

𝑚̇𝑎 – Lưu lượng không khí trên một đơn vị thời gian (kg/s)

1.4 SUẤT TIÊU THỤ NHIÊN LIỆU (𝒔𝒇𝒄)

Hiệu quả biến đổi nhiệt năng thành cơ năng của ĐCĐT cũng đồng nghĩa với khái niệm “tính tiết kiệm nhiên liệu” của nó Trong thực tế, 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 (𝑚̇𝑓) 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

Trong đó: P – Công suất (KW)

𝑚̇𝑓− Lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một đơn vị thời gian (kg/s)

sfc– Suất tiêu thụ nhiên liệu (mg/J)

1.5 TỶ LỆ KHÔNG KHÍ – NHIÊN LIỆU

Trong thử nghiệm động cơ, cả hai thông số lưu lượng khí 𝑚̇𝑎và lưu lượng nhiên liệu 𝑚̇𝑓 thường được đo Tỷ lệ không khí – nhiên liệu rất hữu ích trong việc xác định tình trạng hoạt động của động cơ

Tỷ lệ không khí – nhiên liệu(𝐴/𝐹) α =𝑚̇𝑎

𝑚̇𝑓 (1.22)

Tỷ lệ nhiên liệu – không khí (𝐹/𝐴) 𝜙 = 𝑚̇𝑓

𝑚̇𝑎 (1.23)

Tỷ lệ không khí – nhiên liệu thông thường đối với động cơ xăng là

12 ≤ α ≤ 18 (0,056 ≤ 𝜙 ≤ 0,083) Đối với động cơ Diesel là 18 ≤ α ≤ 70(0,014 ≤ 𝜙 ≤ 0,056)

Để đánh giá thành phần hỗn hợp hòa khí, người ta thường căn cứ vào thông số của α hoặc 𝜙

- Đối với hỗn hợp nghèo: 𝜙 < 1, 𝛼 > 1

- Đối với hỗn hợp lý tưởng: 𝜙 = 𝛼 = 1

- Đối với hỗn hợp giàu: 𝜙 > 1, 𝛼 < 1

Chương 2 MATLAB CƠ BẢN TRONG TOÁN HỌC VÀ ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ

Mục tiêu:

Sau khi học chương này sinh viên có thể:

- Biết áp dụng một số hàm tính cơ bản của Matlab để vận dụng trong

các tính toán cơ bản

- Biết được cách vẽ một đồ thị cơ bản

- Biết được cách tính và vẽ các đường đặc tính ngoài của một động

cơ cụ thể

2.1 MATLAB VÀ MỘT SỐ HÀM TÍNH CƠ BẢN

2.1.1 Tổng quan về Matlab

MATLAB là một môi trường tính toán số và lập trình, được thiết

kế bởi công ty MathWorks MATLAB cho phép tính toán số với ma trận,

vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác MATLAB giúp đơn giản hóa việc giải quyết các bài toán tính toán kỹ thuật so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++.MATLAB được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý tín hiệu và ảnh, truyền thông, thiết kế điều khiển tự động, đo lường kiểm tra, phân tích mô hình tài chính, hay tính toán sinh học Với hàng triệu kỹ sư và nhà khoa học làm việc trong môi trường công nghiệp cũng như ở môi trường hàn lâm, MATLAB là ngôn ngữ của tính toán khoa học

Toolbox là một công cụ rất quan trọng trong MATLAB, nó là công

cụ để phân tích, thiết kế, mô phỏng Ta có thể tìm một số toolbox trong môi trường làm việc của nó như: logic mờ, Simulink, mạng nơ-ron Hệ thống MATLAB được chia ra làm 5 hệ thống giao diện chính, bao gồm:

 Môi trường phát triển

Đây là nơi chứa các công cụ, các phương tiện giúp chúng ta sử dụng các lệnh và các file, bao gồm:

+ Desktop

+ Command Windown

+ Command History

+ Browser for wiewing help

 Thư viện các hàm toán học

Bao gồm các hàm tính toán từ đơn giản đến phức tạp, các phép tính như ma trận, tuyến tính, ma trận nghịch đảo, trị riêng, chuyển đổi Furier, Laplace

 Ngôn ngữ MATLAB

Đây là ngôn ngữ bậc cao về ma trận và mảng, các dòng lệnh của các hàm cấu trúc dữ liệu đầu vào có thể lập trình hướng đối tượng

 Đồ họa trong MATLAB

Bao gồm các đồ họa 2D và 3D, cung cấp giao diện tương tác giữa người và máy tính

 Giao tiếp với các ngôn ngữ khác

MATLAB có thể cho phép tương tác với các ngôn ngữ khác như C, Fortran

Chương trình MATLAB là một chương trình viết cho máy tính PC nhằm hỗ trợ cho các tính toán khoa học và kỹ thuật với các phần tử cơ bản là ma trận trên máy tính cá nhân do công ty “ The MATHWORKS” viết ra

Thuật ngữ MATLAB có được là do hai từ MATRIX và LABORATORY ghép lại Chương trình này hiện nay đang được sử dụng nhiều trong việc nghiên cứu các vấn đề tính toán của các bài toán kỹ thuật như: lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật xác suất thống kê, xử lý các tín hiệu số, phân tích dữ liệu, dự báo chuỗi quan sát, v.v

MATLAB được điều khiển bởi các tập lệnh, tác động qua bàn phím Nó cũng cho phép một khả năng lập trình với cú pháp thông dịch lệnh – còn gọi là Script file Các lệnh hay bộ lệnh của MATLAB lên đến

số hàng trăm và ngày càng được mở rộng bởi các phần TOOLS BOX (thư viện trợ giúp) hay thông qua các hàm ứng dụng từ người sử dụng MATLAP có hơn 25 TOOLS BOX để trợ giúp cho việc khảo sát những vấn đề có liên quan trên TOOLS BOX SIMULINK là phần mở rộng của MATLAB, sử dụng để mô phỏng các hệ thống động học một cách nhanh chóng và tiện lợi

Hình 2.1 Giao diện biểu tượng của MATLAB (Version 8.1)

Việc khởi động MATLAB trên mỗi hệ thống khác nhau Trong môi trường WINDOWS hay MACINTOSH, chương trình thường được khởi động thông qua việc nhắp chuột trên các icon hay còn gọi là biểu tượng Còn với môi trường UNIX, MS-DOS, việc khởi động thông qua dòng lệnh:

- Cửa sổ lệnh dùng để đưa lệnh và dữ liệu vào đồng thời in ra kết quả

- Cửa sổ đồ thị trợ giúp cho việc truy xuất đồ họa để thể hiện những lệnh hay kết quả đầu ra dưới dạng đồ họa

Hình 2.3.Giao diện cửa sổ đồ thị của MATLAB

Việc ngắt chương trình đang được thực hiện hoặc các chương trình

không đúng theo yêu cầu được thực hiện thông qua phím nóng Ctrl + C

Để thoát khỏi chương trình MATLAB ta có thể dùng lệnh

>>exit ↲ hoặc>>quit↲(↲: nhấn ENTER)

Hoặc từ menu thả xuống hoặc nhấn vào trên góc phải màn hình của cửa sổ chính MATLAB

MATLAB được điều khiển bằng những câu lệnh được kết hợp theo một trật tự nhất định được gọi là chương trình Chương trình chứa nhiều câu lệnh và những hàm chức năng để giải những bài toán lớn hơn

Các câu lệnh trong MATLAB rất mạnh và có những vấn đề chỉ cần một câu lệnh là đủ giải quyết bài toán Mô phỏng trong MATLAB sẽ cho

ta hình ảnh tọa độ không gian hai chiều (2D) và ba chiều (3D)

2.1.2 Matlab trong toán học

MATLAB cũng sử dụng các phép toán thông thường, được liệt kê

ở bảng sau:

Các hàm tính toán thông thường trong MATLAB cũng được liệt kê

ở bảng sau:

abs(x) Tính Argument của số phức x

acos(x) Hàm ngược của cosin

angle(x) Tính góc của số phức x

asin(x) Hàm ngược của sin

atan(x) Hàm ngược của tan

fix(x) Xấp xỉ không

round(x) Hàm làm tròn về số nguyên tố

log(x) Hàm logarithm tự nhiên

log10(x) Hàm logarithm cơ số 10

sin(x) Hàm sin của x

cos(x) Hàm cosin của x

tan(x) Hàm tangent của x

sqrt(x) Hàm căn bậc hai

floor(x) Xấp xỉ âm vô cùng

conj(x) Số phức liên hợp

Sau đây là các ví dụ ứng dụng một số hàm của MATLAB để giải một số bài toán đại số Việc ứng dụng các lệnh này giúp cho quá trình tính toán trở nên dễ dàng, chính xác, tiết kiệm thời gian

1) Giải phương trình vi phân bằng MATLAB

Ví dụ 2.1 Giải phương trình vi phân: X’=-a*X

Ta tiến hành gõ lệnh trong môi trường Command Windown như sau: X=dsolve('Dx=-a*x')Enter được nghiệm X =C2/exp(a*t)

Ví dụ 2.2 Giải phương trình vi phân: Y’=y+sin(t)

Ta tiến hành gõ lệnh trong môi trường Command Windown như sau: Y=dsolve('Dy=y+sin(t)')

Enter được nghiệm Y =C4*exp(t) - sin(t)/2 - cos(t)/2

Ví dụ 2.3 Giải hệ phương trình vi phân: X’=y, y’=-x

Ta tiến hành gõ lệnh trong môi trường Command Windown như sau: Z=dsolve('Dx=y','Dy=-x')(ta dùng 1 biến Z để làm trung gian)

Z = x: [1x1 sym]

y: [1x1 sym]

Rồi bấm tiếp Z.xEnter thì được Z.x enter

ans =C6*cos(t) + C5*sin(t) ->>>>Vậy suy ra được nghiệm x= C6*cos(t) + C5*sin(t) Đây chính là nghiệm x

Bấm Z.yEnter

ans =C5*cos(t) - C6*sin(t) ->>>>Vậy suy ra nghiệm của y = C5*cos(t) - C6*sin(t) Đây chính là nghiệm y

2) Tính giá trị của hàm số tại 1 điểm

Ban đầu ta phải khai báo tất cả các biến có trong hàm số

Ví dụ 2.4 Tính giá trị của hàm số f=2*x 2 +1 tại điểm x=2

Ta tiến hành thực hiện các lệnh như sau:

Syms x(Lệnh này dùng để khai báo biến trong hàm số f)

>> f=2*x^2+1 (Nhập hàm số f)

F =2*x^2 + 1

>> subs(f,x,2)(Đây là tính giá trị của hàm tại x=2)

ans =9

Ngoài ra ta có thể mở rộng tính giới hạn của hàm số trên tại điểm x=0

3) Tính giới hạn của hàm số

- Tính giới hạn của hàm số tại 1 điểm

Ví dụ 2.5 Tính giới hạn của hàm số từ ví dụ 2.4 tại điểm 0

Ta tiến hành nhập lệnh giới hạn trong môi trường Command Windown Cú pháp như sau:

>> limit(f,x,0) Enter

ans =1(Đây chính là kết quả giới hạn của hàm số f tại x=0)

Tương tự cho việc tính giới hạn của hàm số ví dụ như: limit(sin(x)/x,0) thì được 1,miễn là khai báo biến symsxy

Trong MATLAB giá trị vô cùng được thực hiện bởi inf

Nhớ là khai báo biến syms x y

Cú pháp limit(((1+x)./x).^x,x,inf) được kết quả exp(1)

- Tính giới hạn của hàm số về phía trái và về phía phải

Syms x y

Cú pháp f=x^2 -3*x+1

>> limit(f,x,0,'left')

ans =1

Tương tự cho trường hợp tính giới hạn của hàm số về bên phải

Cú pháp được nhập như sau:

limit(f,x,0,'right') Enter

ans=1

4) Tính đạo hàm của hàm số

- Đạo hàm cấp 1

Ví dụ 2.6 Tính đạo hàm cấp 1 của hàm số f= sin(x)

Việc đầu tiên là khai báo biến x

Cú pháp được nhập như sau:

Syms x y

f=sin(x) (Khai báo hàm)

Diff(f,x) Enter (Cú pháp tính đạo hàm cấp 1)

ans =cos(x)(Đây chính là kết quả)

Sau đó tính tiếp đạo hàm cấp 2 từ kết quả trên

int (f,x,0,2)(Cú pháp tính tích phân của một hàm số)

7) Tính giá trị của một hàm chứa các biến x, y tại 1 điểm

Ví dụ 2.9.Tính giá trị của hàm số đã cho trong ví dụ 2.7tại x=2 và y=3

Hàm f=x^2*y^3 -3*x*y^2

Cú pháp nhập như sau:

Subs(subs(f,x,2),y,3) được kết quả 54 hoặc cách hay hơn là: Subs(f,{x,y},{2,3}) Việc tính giá trị của hàm này là đơn giản, với các

hàm phức tạp ta ứng dụng cú pháp như trên và tính ra kết quả chính xác trong thời gian ngắn

8) Tính giá trị của đa thức và các vấn đề về đa thức:

Ví dụ 2.10 P 1 =2*x 2 + 2*x-1,tính giá trị của biểu thức này tại x=2

Ví dụ 2.12 Phân tích đa thức sau thành nhân tử f=x^6+1

Tiến hành như sau:

để dấu ngoặc vuông cho dễ thấy:

- Ngoài ra còn có hàm linspace cú pháp như sau: A=linspace(a,b,c) trong đó a là giá trị đầu, b là giá trị cuối và c là số giá trị cần chia giữa hai giá trị đầu và cuối

A*B : hai ma trận nhân với nhau

A.*B : từng phần tử trong ma trận A nhân với ma trận B

Với ma trận trên A ở trên bây giờ ta thực hiện phép tính nhân hai

ma trận với nhau và nhân từng phần tử trong ma trận A với ma trận A và tính định thức của ma trận

11) Vẽ đồ thị

Vẽ đồ thị thường được ứng dụng nhiều nhất trong kỹ thuật, việc vẽ

đồ thị giúp người dùng đánh giá được tính năng cụ thể của một vấn đề nào đó tại 1 điểm hoặc trên toàn miền, từ đó đưa ra các biện pháp cải tiến khác nhau

Nhập biến chạy, dùng lệnh plot

Cú pháp chung: plot (trục hoành, trục tung, ’màu đồ thị’)

Một số lệnh vẽ cơ bản cần nhớ trong MATLAB:

plot(x,y,'r'): lệnh này dùng để vẽ đồ thị ứng với đường màu gì tùy thích, 'r' ở đây là màu đỏ

xlabel('gia tri x'): tên của trục hoành được hiển thị trên đồ thị ylabel('gia tri y'): tên của trục tung được hiển thị trên hình

title('do thi xy'): tên của đồ thị cần vẽ

grid on: tạo lưới cho đồ thị cần vẽ

grid off: bỏ lưới cho đồ thị

Hold on: vẽ hai đồ thị lên cùng hệ trục tọa độ

Legend (‘đối tượng cần chú thích’): chú thích đồ thị đã vẽ vị trí này được phần mềm mặc định tại một chỗ

Gtext (‘đối tượng cần chú thích’): chú thích đối tượng đã vẽ bất cứ

Cú pháp như sau: khai báo hàm số cần vẽ, tiếp theo là dùng lệnh fplot(hàm cần vẽ,[đoạn cần vẽ])

Ví dụ 2.15.Vẽ đồ thị của hàm số sin(x) khi x chạy từ 0 đến pi

- Muốn biết chi tiết về một đối tượng nào đó thì gõ theo cú pháp: doc

A trong đó A là đối tượng cần tìm hiểu, ex: doc plot…

- Hai đồ thị nằm trên hai hình khác nhau thì thay lệnh hold on thành figure

title('do thi cos')

Ví dụ 2.17 Vẽ đồ thị sin(x) và cos(x) ở 2 cửa sổ riêng biệt: