Giáo trình Ứng dụng máy tính trong mô phỏng động cơ đốt trong

TS LÝ VĨNH ĐẠT

ỨNG DỤNG MÁY TÍNH
TRONG MƠ PHỎNG
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG


TS LÝ VĨNH ĐẠT

ỨNG DỤNG MÁY TÍNH
TRONG MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ
ĐỐT TRONG

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 2017


LỜI NĨI ĐẦU
Trong những năm gần đây, cơng nghệ ơ 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 cơng 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 cơng đoạn quan trọng khơng thể bỏ
qua, đó chính là bước mơ phỏng trên máy tính, từ các mơ 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 mơ phỏng và các
phần mềm mơ phỏng chính như Matlab, ESP, Advisor, Engine Analyzer...
Để giúp cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên đang học theo ngành Cơng nghệ
Kỹ thuật Ơ tơ 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 mơ 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 tịi, 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 mơ phỏng.
Ngồi ra, cuốn giáo trình cịn 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 mơ 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 cịn 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: hoặc
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 thơng 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 mơmen 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 khơng khí -nhiên liệu ............................................................ 27

Chương 2: MATLAB CƠ BẢN TRONG TỐN HỌC VÀ
ỨNG DỤNG TÍNH TỐN 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. Mơ 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 hồn 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 mơ 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 TỐN MƠ 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 khơng 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 tốn ...................................................................... 209
5.2.5.1.Điều kiện tính tốn ........................................................... 209
5.2.5.2. Tiến hành q trình tính tốn .......................................... 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 khơng 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 thơng 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
hồ khí (khơng 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, cơng 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
thơng 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 hịa khí đơn giản) vào một chiếc xe
coòng ba bánh và thực hiện thành cơng chuyến đi mang tính lịch sử
với qng đường 80km.
- 1864: Siegfried Marcus, kỹ sư người Áo đã chế tạo một loại động
cơ xy lanh với bộ chế hịa khí rất thơ 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 tồn 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 lị. Khơng thể chắc chắn
rằng những gì ơng 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 cịn 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 hịa 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 ơng 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 cơng 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 ơtơ với động cơ đốt trong.
1.2. CÁC THƠNG 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 cơng tác.

Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo động cơ đốt trong
c. Thể tích buồng cháy (𝐕𝐜 )

Thể tích buồng cháy là khoảng khơng 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 cơng tác (𝐕𝐝 )

Thể tích cơng tác là khoảng không gian trong xylanh được giới hạn
bởi hai mặt cắt vng góc với đường tâm xylanh qua hai điểm chết.
- Đối với động cơ chỉ có một xylanh thì thể tích cơng tác được tính
như sau:
𝑉𝑑 =

𝜋.𝐵2 .𝐿

(1.2)

4

- Đối với động cơ có Nc xylanh thì thể tích cơng tác của động cơ là:

Trong đó:

𝑉𝑑 = 𝑁𝑐

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 tồn bộ (𝐕𝐚 )

Thể tích tồn bộ là khoảng khơng 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

1.2.2. 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 ):

(1.4)

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 thơng 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


động cơ hoạt động ở tốc độ cao hơn, sẽ có nguy cơ làm hỏng các chi tiết
trong động cơ. Từ biểu thức S̅p có 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 vịng/phút, trong khi các cơng cụ rất nhỏ (mơ hình
máy bay, động cơ nhỏ,…) hoạt động ở tốc độ 9000÷12.000 vịng/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 dịng chảy tức thời của khơng 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:
𝑆𝑝 =

𝑑𝑠
𝑑𝑡

(1.5)

d. Tỷ lệ tốc độ piston tức thời chia cho tốc độ piston trung
bình:
𝑆𝑝 𝜋
𝑐𝑜𝑠𝜃
= 𝑠𝑖𝑛𝜃 [1 + (
)]
2
𝑆𝑝̅
√𝑅2 − 𝑠𝑖𝑛2 𝜃

𝑉ớ𝑖 𝑅 =

𝑙
𝑎

(1.6)

Với R là tỷ lệ giữa chiều dài thanh truyền và bán kính quay của
trục khuỷu.
e. Thể tích xylanh (V)ở bất kỳ góc quay nào của trục khuỷu:
𝜋. 𝐵2
. (𝑙 + 𝑎 − 𝑠)
𝑉 = 𝑉𝑐 +
4
f. Khoảng cách từ trục khuỷu đến chốt piston (s):
𝑠 = 𝑎. 𝑐𝑜𝑠𝜃 + √𝑙2 − 𝑎2 . 𝑠𝑖𝑛2 𝜃

1.2.2.2. Công, công suất và mômen xoắn

(1.7)
(1.8)

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
21


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. Mơ 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.
Cơng 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, cơng, mơmen xoắn.
Stator
Bộ phận đo lực

F

Hình 1.3. Xác định cơng suất, mơmen xoắn trong thử nghiệm động cơ
a. Cơng (W)
Các thơng số áp suất khí thể trong xylanh của mỗi chu kỳ hoạt
động của động cơ có thể được sử dụng để tính tốn cơng sinh ra từ việc
đốt cháy hỗn hợp khơng khí - nhiên liệu.

Hình 1.4. Đồ thị cơng 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
22


thể hiện trên Hình 1.4. Cơng 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 cơng 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:
- Cơng tồn bộ có ích 𝑊𝑐,𝑖𝑔 (hoặc Cơng chỉ thị tổng cộng) là cơng
của q trình nén và q trình giãn nở.

- Cơng tồn bộ trên một chu trình 𝑊𝑐,𝑖𝑛 là cơng tồn bộ của các quá
trình hút, nén, nổ, xả trên động cơ bốn kỳ.

- Cơng suất của mỗi xylanh trong một chu trình làm việc (𝑃𝑖 ):
Trong đó:

𝑃𝑖 =

𝑊𝑐,𝑖 . 𝑁
[𝐾𝑊]
𝑛𝑅

𝑛𝑅 – Số vịng quay trục khuỷu.

(1.10)

N – Tốc độ động cơ [vòng/giây].

Cần phân biệt các loại cơng như sau:

- Cơng 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 cơng tiêu hao do các hoạt động
mang tính chất cơ học khi thực hiện một chu trình cơng 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 q trình thay đổi khí).
- Công chỉ thị (Wig ): là công do môi chất cơng tác sinh ra trong một
chu trình thực tế, trong đó bao gồm cả phần tổn thất cơ học.
𝑊𝑖𝑔 = 𝑊𝑏 + 𝑊𝑚

(1.11)
23


b. Công suất động cơ (P),mômen xoắn T
 Công suất (P)
Công suất là tốc độ thực hiện công. Trị số cơng suất của động cơ
cho ta biết động cơ đó mạnh hay yếu.
Trong đó:

𝑃 = 2𝜋. 𝑁. 𝑇. 10−3 [𝑘𝑊]

P – Cơng suất (Kw);

N – Tốc độ quay (vịng/giây);

(1.12)

T – Mơ men xoắn (N.m)
Từ phương trình (1.12) có thể suy ra mô men xoắn của động cơ T:

𝑃
[𝑁. 𝑚]

2𝜋. 𝑁. 10−3
Cần phân biệt các khái niệm công suất sau đây của ĐCĐT:
𝑇=

- Công suất chỉ thị (𝑃𝑖𝑔 ): là tốc độ thực hiện cơng chỉ thị của động
cơ. Nói cách khác, công suất chỉ thị là công suất của động cơ, trong
đó bao gồm cả phần tổn thất cơ học.
- Cơng suất có ích (𝑃𝑏 ): Cơng suất của động cơ được đo ở đầu ra của
trục khuỷu.
 Mô-men xoắn (T)
Trong đó:

𝑇 = 𝐹. 𝑏 [𝑁. 𝑚]

F –Lực tác dụng [N].

b – Cánh tay địn [m].

(1.13)

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 cơng tác của
xy lanh.
 Cơng sinh ra trong một chu trình hoạt động của động cơ:
𝑃. 𝑛𝑅
𝑁
Trong đó nR là số vịng quay trục khuỷu.
𝑊𝑐 =

 Áp suất trung bình:

24

𝑚𝑒𝑝 =

𝑊𝑐 𝑃. 𝑛𝑅
[𝑘𝑃𝑎]
=
𝑉𝑑 𝑁. 𝑉𝑑

(1.14)


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
𝑊𝑖𝑔
𝛥𝑄𝑖𝑔
=1−
(1.15)
𝜂𝑖𝑔 =
𝑄1
𝑄1

Cả hiệu suất lý thuyết (𝜂𝑡 )và hiệu suất chỉ thị (ηig ) đều là hiệu suất
nhiệt, tức là đại lượng đánh giá mức độ hoàn thiện của 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 gồm dạng tổn thất nhiệt năng theo quy định của luật nhiệt
động II – nhiệt năng phải truyền cho nguồn lạnh để có thể thực hiện một
chu trình nhiệt động lực.
Ta có cơng thức:
𝜂𝑖𝑔 =

𝑊𝑖𝑔 𝑊𝑖𝑔 𝑊𝑡
=
.
= 𝜂𝑡 . 𝜂𝑡−𝑖
𝑄1
𝑄1 𝑊𝑡

(1.16)

Trong đó: 𝑄1 − Lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn lượng
nhiên liệu đưa vào buồng đốt trong một chu trình công tác.

Đại lượng ηig = Wig /Wt được gọi là hệ số diện tích đồ thị cơng, nó
đặc trưng cho mức độ khác nhau giữa diện tích đồ thị cơng 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 cơng thức:
𝑃𝑓
𝑃𝑏

𝑊𝑏
𝑊𝑚
=1−
=
=1−
(1.17)
𝜂𝑚 =
𝑃𝑖𝑔
𝑃𝑖𝑔 𝑊𝑖𝑔
𝑊𝑖
Trong đó:

𝑊𝑚 − Cơng tổn thất cơ học.

𝑃𝑏 – Cơng suất có ích.

𝑊𝑖𝑔 − Công chỉ thị.

𝑃𝑓 – Công suất sinh ra do ma sát.

𝑊𝑏 − Cơng có ích.

𝑃𝑖𝑔 – Cơng suất chỉ thị.

25