941 10chuong v qfwjp 20130111020258

CHƯƠNG V
XÂY DỰNG CHU TRÌNH CƠNG TÁC VÀ KHẢO SÁT ẢNH
HƯỞNG CỦA GĨC ĐÁNH LỬA SỚM TỚI CƠNG SUẤT CỦA
ĐỘNG CƠ
5.1 Lựa chọn phương pháp tính tốn chu trình cơng tác của động cơ
Mục đích của việc tính tốn chu trình cơng tác là xác định các chỉ tiêu về
kinh tế, và hiệu quả của động cơ khi sử dụng ở mơi trường trong nước. Để chúng
ta nắm được tình trạng kỹ thuật của xe, thuận lợi cho việc khai thác và sử dụng
một cách hiệu quả nhất.
Có nhiều phương pháp được áp dụng để tính tốn chu trình cơng tác của
động cơ như phương pháp truyền thống (được sử dụng trong đồ án mơn học kết
cấu tính tốn động cơ), hoặc sử dụng các phần mềm chuyên dụng như AVL
Boost, Lotus Engine Simulation, GT-Power...
Trong nội dung đồ án này, tơi sử dụng phần mềm GT- Power để tính tốn
chu trình cơng tác của động cơ và khảo sát ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm tới
các chỉ tiêu cơng tác của động cơ. Vì ưu điểm của phương pháp này là phần mềm
được xây dựng trên thực nghiệm, các chỉ tiêu khảo sát nhiều hơn (biên dạng cam,
chiều dài đường ống, tổn thất nhiệt, tổn thất khí động trên đường ống nạp, tổn
hao cơ giới...), kết quả thu được trực quan bằng các bảng và đồ thị.
Các bước được tiến hành theo sơ đồ 5.1

67


Bắt đầu
Lựa chọn các phần tử mơ hình
thích hợp với động cơ tính tốn
Xây dựng mơ hình tính tốn phù
hợp
Nhập dữ liệu cho từng phần tử của
mơ hình

Chạy mơ hình tính tốn
Kiểm tra sơ bộ kết quả

Khảo sát đánh giá
Xử lý kết quả, vẽ đồ thị

Kết thúc
H×nh 5.1: Sơ đồ các bước thực hiện tính CTCT của động cơ bằng phần mềm GT – Power

5.2 Xây dựng mơ hình và nhập dữ liệu tính tốn động cơ Toyota 7M- GTE
bằng phần mềm GT – Power
Động cơ Toyota 7M- GTE là loại động cơ 1 hàng 6 xi lanh, nhiên liệu
được phun trước xu páp nạp. Ta xây dựng mơ hình phù cho 1 xy lanh, sau đó tính
các chỉ tiêu cho tồn bộ động cơ.
Mơ hình tính tốn cho 1 xy lanh của động cơ được thể hiện hình 5.2:

68


Hình 5.2: Mơ hình tính cho động cơ Toyota 7M- GTE cho 1 xy lanh bằng GT- power

Các phần tử của mơ hình được giới thiệu trong bảng 5.1
Bảng 5.1: Các phần tử chính của mơ hình tính tốn

1

Phần tử

Mơ tả

Các thông số đầu vào

2

Env-01

mô tả điều kiện môi

áp suất nạp, nhiệt độ khơng

trường, dịng vào.

khí nạp, Thành phần khơng
khí nạp...

3
4
5

Env-02
Intruner01
Exhtruner 01

mơ tả điều kiện mơi

áp suất nhiệt động dịng khí

trường, dịng ra.

thải.

mơ tả đoạn ống

đường kính vào ra, chiều dài,

trước vịi phun

độ nhám bề mặt…

mơ tả đoạn ống ra

đường kính vào ra, chiều dài,
độ nhám bề mặt…

6

Si-inject 01

mơ tả vịi phun

lượng nhiên liệu cung cấp
cho một chu trình, góc phun
sớm, nhiệt độ nhiên liệu,

69


đường kính lỗ phun số lỗ
phun...
7

Intvalev01

Xu páp nạp

đường kính tán nấm supap,
độ nâng xu páp, hệ số tiết lưu.

8

Exhvalev01

Xu páp thải

đường kính tán nấm supap,
độ nâng xu páp, hệ số tiết lưu.

9

Cylinder

phần tử xy lanh

các kích thước hình học, các
thơng số q trình cháy, cac
thơng số q trình chuyền
nhiệt...

10 Engine

mơ tả phần tử trục

số xy lanh, bố trí, chế độ tính

khuỷu của động cơ

tốn, tổn hao cơ giới, thứ tự
làm việc của các xy lanh...

5.3 Kết quả tính tốn
Chu trình cơng tác của động cơ Toyota 7M- GTE tính cho 1 xy lanh ở chế
độ công suất lớn nhất Nemax= 179kW tại nne= 5800 (vg/phút) bằng phần mềm GTPower được các kết quả cho dưới dạng bảng và đồ thị dưới đây:
Bảng 5.2: Kết quả tính tốn chu trình cơng tác động cơ Toyota 7M- GTE

Brake Power [kW]

cơng suất có ích

30,2

Brake Power [HP]

cơng suất có ích theo đơn vị mã lực

40,5

Brake Torque [N-m]

mơ men xoắn có ích

49,7

IMEP [bar]

áp suất chỉ thị trung bình (Pi)

15,97

FMEP [bar]

áp suất tổn thất ma sát trung bình (Pm) 3,29

70


PMEP [bar]

áp suất tổn thất bơm

-0,66

Air Flow Rate [kg/hr]

lưu lượng khí nạp

117,2

BSAC [g/kW-h]

suất tiêu hao khí nạp

3882

Fuel Flow Rate [kg/hr]

lưu lượng nhiên liệu (Gnl)

8,5

BSFC [g/kW-h]

suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge)

281,3

Volumetric Efficiency [%] hệ số nạp ( )

88,8

A/F Ratio

tỉ số khơng khí/ nliệu

13,80

Brake Efficiency [%]

hiệu suất có ích

29,2

Hình 5.3: Đồ thị diễn biến áp suất trong xy lanh theo thể tích cơng tác

71


Hình 5.4: Đồ thị diễn biến áp suất trong xy lanh theo góc quay trục khuỷu

Hình 5.5: Đồ thị diễn biến nhiệt độ trong xy lanh theo góc quay trục khuỷu

72


5.4 Khảo sát ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm tới công suất của động cơ
Phần mềm GT- Power không thể khảo sát ảnh hưởng của góc đánh lửa
sớm tới công suất của động cơ bằng thông số trực tiếp ( góc đánh lửa sớm ) tuy
nhiên có thể khảo sát ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm tới cơng suất thông qua
đại lượng quan hệ tương đường là Anchor Angle ( góc quay của trục khuỷu ứng
với 50% nhiên liệu bị cháy hết. Hai đại lượng này quan hệ với nhau theo quy luật
của hàm toán học Wiebe được xây dựng trên cơ sở thực nghiệm. Bằng việc thay
đổi các thông số hiệu chỉnh hàm Wiebe ta thu được hàm tốn học mơ tả diễn biến
q trình tỏa nhiệt khi cháy sát với thực nghiệm nhất.
SI Wiebe Burn Rate & Comparison
0.060
SI Wiebe Heat
Release

Normalized Heat Release Rate

0.050

Heat Release from
Experiment

0.040
0.030
0.020
0.010
0.000
-40

-20

-0.010

0

20

40

60

80

100

Crank Angle wrt TDC (degrees)

Hình 5.6: Đồ thị quan hệ giữa quá trình tỏa nhiệt khi cháy thực nghiệm và khi xây dựng bằng

hàm Wiebe.

Trên cơ sở giải hàm Wiebe thu được ta được tương ứng các giá trị của lt
( góc đánh lửa sớm nhiên liệu theo lý thuyết) và tt ( góc đánh lửa sớm nhiên liệu
thực tế) theo Anchor Angle (bằng phần mềm GT-Power) biểu diễn dưới bảng 5.3
dưới đây.

73


Bảng 5.3: Giá trị góc đánh lửa sớm tương ứng với số vòng quay mà 50% nhiên liệu cháy hết

Anchor Angle

lt

tt

3

-12,206

-24

5

-10,46

-22

7

-8,46

-20

9

-6,46

-18

11

-5,46

-17

13

-4,46

-16

15

-3,46

-15

Trên cơ sở biến thiên của góc quay tương ứng với 50% nhiên liệu được
cháy hết ( Anchor Angle) ta sử dụng phần mềm GT - Power khảo sát ảnh hưởng
của góc đánh lửa sớm tt tới các chỉ tiêu đánh giá của động cơ.
Bảng kết quả khảo sát Ne, ge , MN khi thay đổi 3 – 15 độ góc quay trục
khuỷu bằng phần mềm GT – Power được thể hiện trên hình 5.7 và 5.8

Hình 5.7: Kết quả khảo sát ge theo góc quay ứng với 50% lượng nhiên liệu cháy hết

74


Hình 5.8: Kết quả khảo sát Ne, Me theo góc quay ứng với 50% lượng nhiên liệu cháy hết

Từ bảng kết quả trên hình 5.7 và 5.8 ta thu được các kết quả dưới dạng
bảng và đồ thị dưới đây:
Bảng 5.4: Giá trị suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) tại số vịng quay
5800 vg/phút theo góc quay ứng với 50% lượng nhiên liệu cháy hết

Điểm khảo sát

Anchor Angle

ge

1

3

281,015

2

5

280,663

3

7

281,060

4

9

282,223

5

11

284,159

6

13

286,844

7

15

290,273

75


Hình 5.9: Đồ thị diễn biến ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm tới
suất tiêu hao nhiên liệu có ích
Bảng 5.5: Bảng giá trị mơ men tại số vịng quay 5800 vg/phút
theo góc quay ứng với 50% lượng nhiên liệu cháy hết

Điểm khảo sát

Anchor Angle

Me (N.m)

1

3

49,690

2

5

49,779

3

7

49,740

4

9

49,570

5

11

49,278

6

13

48,855

7

15

48,322

76


Hình 5.10: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của góc đánh lửa
sớm tới mô men xoắn của động cơ
Bảng 5.6: Bảng giá trị cơng suất tại số vịng quay 5800 vg/phút theo góc quay ứng với 50%
lượng nhiên liệu cháy hết

Điểm khảo sát

Anchor Angle

Ne (kW)

1

3

30,1806

2

5

30,2343

3

7

30,2105

4

9

30,1077

5

11

29,9305

6

13

29,6732

7

15

29,3493

77

Hình 5.11: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm tới cơng suất có ích

Trên cơ sở kết quả thu được ta đánh giá các chỉ tiêu của động cơ theo góc
đánh lửa sớm như sau:
Góc đánh lửa sớm quá cao (Trên 220) suất tiêu hao nhiên liệu sẽ tăng, cơng
suất và mơ men giảm.
Góc đánh lửa sớm quá thấp ( dưới 22 0) suất tiêu hao nhiên liệu sẽ tăng
nhanh chóng, cơng suất và mơ men giảm nhanh chóng.
Góc đánh lửa sớm tốt nhất ( 220) tại Anchor Angle = 50 tương đương với
lt = -10,460 ; tt = -220. Vì khi đó động cơ đạt công suất và mô men là lớn nhất,
suất tiêu hao nhiên liệu có ích là nhỏ nhất.

78