Xây dựng quy trình tính toán đánh giá tính năng động lực học và tính kinh tế nhiên liệu ô tô trong quá trình thiết kế
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.33 MB, 73 trang )
...
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
LÊ DUY CƯƠNG
XÂY DỰNG QUY TRÌNH TÍNH TỐN,
ĐÁNH GIÁ TÍNH NĂNG ĐỘNG LỰC HỌC
VÀ TÍNH KINH TẾ NHIÊN LIỆU Ơ TƠ
TRONG Q TRÌNH THIẾT KẾ
Chun ngành
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
LUẬN VĂNTHẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. NGUYỄN TRỌNG HOAN
Hà Nội- Năm 2013
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan tồn bộ luận văn này là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi
dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Trọng Hoan. Các số liệu, trích dẫn được
nêu trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, kết quả của luận văn là trung thực.
Hà Nội, ngày 03 tháng 01 năm 2013
HỌC VIÊN
Lê Duy Cương
2
MỤC LỤC
Trang
TRANG PHỤ BÌA ......................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................2
MỤC LỤC ..................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU.....................................................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................9
LỜI NÓI ĐẦU ..........................................................................................................10
Chương 1:TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU..........................................12
1.1.Sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam ......................................12
1.2.Vấn đề nghiên cứu ..........................................................................................14
1.3.Mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu luận văn .............................14
1.3.1.Mục đích của luận văn ..............................................................................14
1.3.2.Nội dung của luận văn ..............................................................................15
1.3.3.Phương pháp nghiên cứu ..........................................................................15
Chương 2:QUY TRÌNH TÍNH TỐN TÍNH NĂNG ĐỘNG LỰC HỌCVÀ TÍNH
KINH TẾ NHIÊN LIỆU Ơ TƠ .................................................................................16
2.1.Các thơng số xác định tính năng động lực học và tính kinh tế nhiên liệu ơ tơ ...... 16
2.1.1.Lực kéo tiếp tuyến ....................................................................................16
2.1.2.Phương trình cân bằng lực kéo ơ tơ .........................................................17
2.1.3.Dự trữ lực kéo trên đường bằng ...............................................................18
2.1.4.Lượng tiêu hao nhiên liệu ........................................................................18
2.2.Các lực cản chuyển động của ô tô...................................................................21
2.2.1.Lực cản lên dốc ........................................................................................23
2.2.2.Lực qn tính ...........................................................................................23
2.2.3.Lực cản khơng khí ...................................................................................25
2.2.4.Lực cản lăn ...............................................................................................27
2.2.5.Lực cản trong hệ thống truyền lực ...........................................................33
2.2.6.Lực cản cơ học trong động cơ và lực cản do truyền dẫn trang bị phụ .....37
2.3.Đặc tính tốc độ ngồi của động cơ và cơng suất của nó .................................39
3
2.4.Quy trình tính tốn tính năng động lực học và tính kinh tế nhiên liệu ơ tơ ....43
2.4.1.Đặc tính động lực kéo ..............................................................................43
2.4.2.Độ dốc lớn nhất có thể vượt ....................................................................44
2.4.3.Gia tốc lớn nhất........................................................................................44
2.4.4.Thời gian và quãng đường tăng tốc .........................................................46
2.4.5.Lượng tiêu hao nhiên liệu ........................................................................47
2.4.6.Tổng hợp cơng thức tính tốn ..................................................................47
Chương 3:CÁC GIẢI PHÁP CẢI THIỆNTÍNH NĂNG ĐỘNG LỰC HỌC VÀ
TÍNH KINH TẾ NHIÊN LIỆU .................................................................................49
3.1.Tính tốn tính năng động lực học và tiêu hao nhiên liệu ................................49
3.1.1.Nhiệm vụ tính tốn...................................................................................49
3.1.2.Phương pháp tính tốn .............................................................................49
3.1.3.Lựa chọn xe tính tốn ..............................................................................53
3.1.4.Các thơng số tra cứu ................................................................................56
3.1.5.Kết quả tính tốn ......................................................................................59
3.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng động lực học và tiêu hao nhiên liệu ô tô ..........61
3.2.1.Ảnh hưởng của áp suất chỉ thị trong xi lanh động cơ ..............................61
3.2.2.Ảnh hưởng của dung tích cơng tác của xi lanh động cơ..........................63
3.2.3.Ảnh hưởng của trọng lượng bản thân ô tô ...............................................65
3.2.4.Ảnh hưởng của hệ số khí động học ơ tơ ..................................................67
3.2.5.Ảnh hưởng của hệ số cản lăn của lốp xe .................................................68
3.3.Các giải pháp cải thiện tính năng động lực học và tính kinh tế nhiên liệu ô tô ........69
3.3.1.Tăng áp suất chỉ thị trong xi lanh động cơ ...............................................69
3.3.2.Tăng dung tích cơng tác của xi lanh động cơ...........................................70
3.3.3.Giảm trọng lượng bản thân ô tô ...............................................................70
3.3.4.Giảm hệ số khí động học ô tô ..................................................................71
3.3.5.Giảm hệ số cản lăn của lốp xe..................................................................71
KẾT LUẬN ...............................................................................................................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................73
4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu đơn vị
Ý nghĩa
Pk
N
Lực kéo tiếp tuyến
Mk
Nm
Mô men xoắn ở bánh xe chủ động (mô men kéo)
rk
m
Bán kính lăn của bánh xe
Me
Nm
Mơ men xoắn hiệu dụng của động cơ
Ne
HP
Công suất hiệu dụng của động cơ
Mi
Nm
Mô men xoắn chỉ thị của động cơ
Pi
Pa
Áp suất chỉ thị trung bình trong các xi lanh của động cơ
i
Vh
Số xi lanh
lít
uTP
Dung tích cơng tác của một xi lanh
Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực
PTP
N
Lực cản trong hệ thống truyền lực
Pm
N
Lực cản cơ học tổng cộng trong động cơ
Pf
N
Lực cản lăn của lốp xe
Pw
N
Lực cản khơng khí
P
N
Lực cản dốc
Pj
N
Lực qn tính
Qs
lít/100 km
Lượng tiêu hao nhiên liệu theo đường đi
ρ
Tỷ trọng của nhiên liệu
g
kg/m3
g
N · 100km
Mức tiêu hao nhiên liệu chỉ thị
Gtd
kg
Khối lượng tương đương
Jk
kg·m2
Mơ men qn tính của bánh xe
JTP
kg·m2
Mơ men quán tính của các phần tử quay trong hệ thống
truyền lực
Jdc
kg·m2
Mơ men qn tính của các phần tử quay trongđộng cơ
γk
kg/m3
Khối lượng riêng trung bình của bánh xe
5
nB
γTP
Số lượng moay ơ các bánh xe chủ động
kg/m3
Khối lượng riêng trung bình của các phần tử quay trong hệ
thống truyền lực
J0
kg·m2
Mơmen qn tính của các phần tử chuyển động tịnh tiến
trong động cơ
γdc
kg/m3
Khối lượng riêng trung bình của các phần tử chuyển động
quay trong động cơ
Hệ số khí động học ơ tơ
Cx
F
m2
Diện tích cản chính diện ơ tơ
B
kg/m3
Tỷ trọng của khơng khí
Ga
kG
Trọng lượng bản thân của ơ tơ
GM
kG
Trọng lượng bản thân của ô tô phân bổlên cầu chủ động
g
m/s2
Gia tốc trọng trường
k
Hệ số tính tới các tổn thất tốc độ tại lốp
µf
Hệ số tính tới các tổn thất tốc độ do mô men xoắn
V
km/h
f
Vận tốc ô tô
Hệ số cản lăn của lốp xe ở chế độ bị động khi tốc độ gần
bằng không
∆y
g/chu kỳ
∆R
PTPO
Lượngcấp nhiên liệu theo chu kỳ
Đại lượng tính tới kết cấu và vật liệu chế tạo lốp xe
N
Lực cản của hệ thống truyền lực khi ô tơ chuyển động với
vận tốc gần bằng khơng
PTPO
Đại lượng tính tới sức cản do ma sát trong các cụm tổng
thành của hệ thống truyền lực khi tốc độ gần bằng không
a
Hệ số đặc trưng cho các tổn thất tốc độ trong hệ thống
truyền lực, chủ yếu là tổn thất do cản thủy lực
μ
Hệ số tính tới sức cản trong hệ thống truyền lực, khi truyền
mô men xoắn trong các cặp truyền bánh răng và các cặp
truyền các đăng
6
P
Pa
Áp lực tiêu hao chống lại lực cản cơ học trong động cơ khi
tốc độ gần bằng không
P
Pa
Áp lực tiêu hao chống lại lực cản do truyền dẫn thiết bị phụ
khi tốc độ gần bằng khơng
P ·S
Rad
Hệ số tính tới cường độ tăng lực cản cơ học trong động cơ
P ·S
Rad
Hệ số tính tới cường độ tăng lực cản do truyền dẫn thiết bị
phụ khi tốc độ của động cơ tăng
α
%
Độ dốc của đường
j
m/s2
Gia tốc của ô tô
t
s
Thời gian tăng tốc
to
s
Thời gian để đạt được tần số quay nhỏ nhất của trục khuỷu
tnep
s
Thời gian chuyển số
nnep
s
Số lần chuyển số
ω
rad/giây (s-1) Vận tốc góc quay trục khuỷu
n
vịng /phút
bm
bτ
khi tốc độ của động cơ tăng
Số vòng quay trục khuỷu
7
DANH MỤC CÁC BẢNG
TT
Tên bảng
Trang
Bảng 1
Trị số của gis
21
Bảng 2
Trị số của γTP
24
Bảng 3
Trị số của j0 và γdc
25
Bảng 4
Hệ số Cx đối với xe tải
26
Bảng 5
Hệ số Cx đối với xe con
27
Bảng 6
Trị số của ∆Rf, μfvà k
31
Bảng 7
Trị số của các đại lượngPTPO và a
37
Bảng 8
Các hệ số μ0 và μ
37
Bảng 9
Công thức và các trị số của P , bm, P , bτ
39
Bảng 10
Trị số của pi max
41
Bảng 11
Trị số của t0 và tnep
46
Bảng 12
Các công thức tính tốn các lực cản chuyển động, mơ men
47
xoắn và cơng suất hiệu dụng của động cơ
Bảng 13
Nhiệm vụ tính tốn
49
Bảng 14
Các thơng số kỹ thuật cần thiết cho tính tốn của các xe
54
Bảng 15
Các thơng số tra cứu
56
Bảng 16
Kết quả tính tốn
59
Bảng 17
Kết quả Me, Ne khi thay đổi giá trị Pimax
61
Bảng 18
Kết quả Me, Ne , Qs khi thay đổi giá trị Vh đối với ô tô con
63
Bảng 19
Kết quả Me, Ne , Qs khi thay đổi giá trị Vh đối với ô tô tải
63
Bảng 20
Kết quả t, Qs khi thay đổi giá trị Ga đối với ô tô con
65
Bảng 21
Kết quả t, Qs khi thay đổi giá trị Ga đối với ô tô tải
66
Bảng 22
Kết quả Qs khi thay đổi giá trị Cx
67
Bảng 23
Kết quả Qs khi thay đổi giá trị f
68
8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
TT
Tên hình vẽ, đồ thị
Trang
Hình 1
Sơ đồ nguyên lý làm việc của bánh xe chủ động
16
Hình 2
Sự phụ thuộc của gis vào pi và ω
20
Hình 3
Sơ đồ tổng quát các lực tác dụng lên ô tô
22
Hình 4
Cấu tạo chung lốp ô tô
29
Hình 5
Các dạng hoa mắt lốp cơ bản
30
Hình 6
Ảnh hưởng của tải trọng và áp suất trong lốp xe tới hệ số f
30
Hình 7
Ảnh hưởng của các yếu tố thiết kế tới hệ số cản lăn f
31
Hình 8
Các kích thước hình học cơ bản của lốp
32
Hình 9
Cấu trúc lực cản trong hệ thống truyền lực
34
Hình 10
Sự phụ thuộc của a và PTPO vào nhiệt độ của dầu
35
Hình 11
Sự biến đổi của các đại lượng a và PTPO
35
Hình 12
Sự phụ thuộc của các đại lượng pm và bm
38
Hình 13
Sự phụ thuộc của gis, Mi và ∆y vào ω
40
Hình 14
Đặc tính động lực kéo của xe ơ tơ
43
Hình 15
Ảnh hưởng của Pimax đến Me
62
Hình 16
Ảnh hưởng của Pimax đến Ne
62
Hình 17
Ảnh hưởng của Vh đến Me
64
Hình 18
Ảnh hưởng của Vh đến Ne
64
Hình 19
Ảnh hưởng của Vh đến Qs
65
Hình 20
Ảnh hưởng của Ga đến t
66
Hình 21
Ảnh hưởng của Ga đến Qs
67
Hình 22
Ảnh hưởng của Cx của đến Qs
68
Hình 23
Ảnh hưởng của f đến Qs
69
9
LỜI NĨIĐẦU
Ơ tơ là phương tiện giao thơng đường bộ quan trọng trong mạng lưới giao
thông của các quốc gia, đặc biệt ở quốc gia đông dân như nước ta thì nhu cầu vận
tải bằng ơ tơ ln là nhu cầu cấp thiết. Trong nhiều năm trở lại đây, ngành công
nghiệp ô tô của các quốc gia phát triển đã ổn định, nhu cầu trong nước đã thỏa mãn,
họ mở rộng thị trường sang các nước đang phát triển, với nhiều phương thức khác
nhau (như: bán sản phẩm hoàn chỉnh, chuyển giao công nghệ lắp ráp, bán phụ tùng
linh kiện).Trước sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô thế giới, ngành công
nghiệp ô tô Việt Nam được thừa hưởng các công nghệ tiên tiến, chủ động xây dựng
được mục tiêu, chiến lược phù hợp với điều kiện trong nước, đồng thời nhanh
chóng hịa nhập vào thị trường cũng như đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật quốc tế.
Để đảm bảo cho sự phát triển của ngành công nghiệp ô tơ thì các kiến thức
về thiết kế chế tạo ơ tô không ngừng được cải tiến, cho tới nay đã có nhiều cơng
trình nghiên cứu về cơ sở lý thuyết để thiết kế chế tạo ơ tơ, trong đó có cơ sở lý
thuyết về phương pháp tính tốn tính năng động lực học và tính kinh tế nhiên liệu ơ
tơ, nhằm đáp ứng ở mức cao hơn tính chất vận tải của ơ tơ.
Nâng cao tính kinh tế sử dụng nhiên liệu và đặc tính động lực học của ơ tô là
một nhiệm vụ hết sức quan trọng. Giải quyết vấn đề này cho phép giảm giá thành
vận chuyển, tiết kiệm được nguồn năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.Để
giải quyết nhiệm vụ đặt ra này trong quá trình thiết kế người ta sử dụng phương
pháp lý thuyết để xác định mức tiêu hao nhiên liệu và tính năng động lực học của ô
tô. Như vậy, tạo ra các phương pháp tính tốn chính xác là nhiệm vụ cấp yếu. Giải
quyết được nhiệm vụ này sẽ tạo điều kiện giảm thời gian và chi phí cho cơng việc
hướng tới tối ưu hố các thơng số của ơ tơ.
Trước nhu cầu thực tế trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “Xây dựng quy trình
tính tốn, đánh giá tính năng động lực học và tính kinh tế nhiên liệu ơ tơ trong q
trình thiết kế”.Phạm vi nghiên cứu tính năng động lực học và tính kinh tế nhiên
liệu ơ tô là rất rộng và thời gian nghiên cứu cho luận văn có hạn, vì vậy trong
10
khuôn khổ luận văn, đề tài chỉ tập trung nghiên cứu tính năng động lực học và
tính kinh tế nhiên liệu đối với ô tô con và ô tô tải sử dụng động cơ 4 kỳ, nhiên
liệu xăngvàdiesel, với các nội dung chính:
- Nghiên cứu, tìm hiểu các chỉ tiêu đánh giá tính năng động lực học và tính
kinh tế nhiên liệu của ơ tơ;
- Xây dựng quy trình đánh giá tính năng động lực học và tính kinh tế nhiên
liệu;
- Đề xuất giải pháp cải thiện tính năng động lực học và tính kinh tế nhiên
liệu.
Tác giả xin gửi lời trân trọng cảm ơn đến các thầy trong Bộ mơn Ơtơ và xe
chun dụng - Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và các
bạn đồng nghiệp, đặc biệt là lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS. TS.Nguyễn Trọng
Hoan - Thầy giáo hướng dẫn đề tài đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn trong việc định
hướng nghiên cứu và các phương pháp giải quyết vấn đề cụ thể đặt ra.
Tuy nhiên, do thời gian nghiên cứu và trình độ có hạn, nên đề tài khó tránh
khỏi sai sót, tác giả rất mong tiếp tục nhận được sự quan tâm, đóng góp ý kiến của
các thầy, cô và các bạn đồng nghiệp nhằm bổ sung và hồn thiện hơn trong q
trình nghiên cứu tiếp theo.
Hà Nội, ngày 03 tháng 01 năm 2013
TÁC GIẢ
Lê Duy Cương
11
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1.
Sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam
Trong nhiều năm trở lại đây, ngành công nghiệp ô tô của các quốc gia phát
triển đã ổn định, nhu cầu trong nước đã thỏa mãn, họ mở rộng thị trường sang các
nước đang phát triển như ở Việt Nam, với nhiều phương thức khác nhau (như: bán
sản phẩm hoàn chỉnh, chuyển giao công nghệ lắp ráp, bán phụ tùng linh kiện). Các
quốc gia phát triển cịn liên kết với nhau thơng qua nhiều phương thức (như: tài
chính, cơng nghệ, quy định kỹ thuật hay tập đoàn sản xuất liên quốc gia ...).
Trước sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô thế giới, ngành công nghiệp
ô tô Việt Nam được thừa hưởng các công nghệ tiên tiến, chủ động xây dựng được
mục tiêu, chiến lược phù hợp với điều kiện trong nước, đồng thời nhanh chóng hịa
nhập vào thị trường cũng như đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật quốc tế.
Xác định đây là ngành công nghiệp quan trọng, cần ưu tiên phát triểnđể góp
phần phục vụ có hiệu quả q trình cơng nghiệp hố, hiện đại hố và xây dựng tiềm
lực an ninh, quốc phịng của đất nước.Năm 2002 Chính phủ đã phê duyệt Chiến
lược phát triển ngành công nghiệp ô tơ Việt Nam đến năm 2010 tầm nhìn 2020 với
mục tiêu “Phát triển ngành công nghiệp ôtô Việt Nam trên cơ sở tiếp thu và ứng
dụng công nghệ tiên tiến của thế giới, kết hợp với khai thác và từng bước nâng cao
cơng nghệ và thiết bị hiện có, đáp ứng phần lớn nhu cầu thị trường ôtô trong nước,
hướng tới xuất khẩu ôtô và phụ tùng” [Quyết định số 175/2002/QĐ-TTg].
Năm 2004 Chính phủ phê duyệt Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô
tô Việt Nam đến năm 2010, tầm nhìn 2020. Một trong những quan điểm phát triển
ngành cơng nghiệp ô tô của nước ta là “Phát triển ngành công nghiệp ô tô trên cơ sở
tiếp thu công nghệ tiên tiến của thế giới, kết hợp với việc đẩy mạnh hoạt động
nghiên cứu - phát triển trong nước và tận dụng có hiệu quả cơ sở vật chất, trang
thiết bị hiện có, nhằm nhanh chóng đáp ứng nhu cầu trong nước về các loại xe
thông dụng với giá cả cạnh tranh, tạo động lực thúc đẩy các ngành công nghiệp hỗ
12
trợ trong nước phát triển nhằm đẩy nhanh quá trình sản xuất linh kiện, phụ tùng
trong nước” [Quyết định số 177/2004/QĐ-TTg].
Những năm gần đây số doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp và số lượng ô tô trên
cả nước theo thống kê của Cục Đăng kiểm Việt Nam như sau:
Năm
TT
Nội dung
6 tháng
2008
2009
2010
2011
đầu năm
2012
Số lượng doanh nghiệp sản
1
xuất, lắp ráp có vốn đầu tư
12
12
11
11
11
42
42
45
45
45
152.509
136.284
127.454
125.147
42.341
54.758
79.859
57.359
56.398
12.964
946.601
1.137.933
1.274.084
1.428.002
1.467.094
nước ngoài
2
3
4
5
Số lượng doanh nghiệp sản
xuất, lắp ráp trong nước
Tổng số ô tô lắp ráp trong
nước
Tổng số ô tô nhập khẩu vào
Việt Nam
Tổng số ô tô đang lưu hành
Công nghệ sản xuất ô tô ở nước ta đến thời điểm này vẫn chủ yếu là công
nghệ lắp ráp, các dây chuyền công nghệ mới chỉ dừng lại ở dạng CKD2 (một số linh
kiện chưa được lắp ráp vào khung sản phẩm), IKD1 (tỷ lệ nội địa hóa dưới 10%) sẽ
khơng kích thích nhiều việc sản xuất các chi tiết phụ tùng trong nước phát triển mà
chủ yếu là phát triển công nghệ lắp ráp.
Ngày 30/9/2011 Bộ Trưởng Bộ KH&CN đã ký Quyết định số 3055/QĐBKHCN về việc phê duyệt mục tiêu, nội dung và dự kiến sản phẩm của chương
trình khoa học và cơng nghệ trọng điểm cấp nhà nước giai đoạn 2011-2015:
“Nghiên cứu ứng dụng và phát triển ứng dụng cơ khí và tự động hóa”, với mục tiêu
“Làm chủ công nghệ, thiết kế, chế tạo và đưa ra thị trường sản phảm cơ khí đủ sức
cạnh tranh với khu vực và thế giới”, trong đó các chi tiết chính của ơ tơ (như: hộp
số, động cơ, cầu sau, cầu trước) thuộc sản phẩm cơ khí chủ yếu.
13
Ngày 16/5/2012, Thủ tướng Chính phủ đã có Văn bản số 634/TTg-KTN
đồng ý cho dự án nhà máy sản xuất và chế tạo động cơ (Hyundai) Chu Lai - Trường
Hảiđược hưởng chính sách hỗ trợ theo Quyết định số 10/2009/QĐ-TTg ngày
16/01/2009 của Thủ tướng Chính phủ về cơ chế hỗ trợ phát triển sản xuất sản phẩm
cơ khí trọng điểm và danh mục các sản phẩm cơ khí trọng điểm, danh mục dự án
đầu tư sản xuất sản phẩm cơ khí trọng điểm giai đoạn từ năm 2009 đến năm 2015
và ngày 22/6/2012 tại Khu kinh tế mở Chu Lai, UBND tỉnh Quảng Nam và Công ty
ô tô Trường Hải đã khởi công Nhà máy sản xuất và chế tạo động cơ Chu Lai Trường Hải, chuyên sản xuất động cơ ơ tơ Hyundai, dự án hồn thành sẽ góp phần
nâng cao tỷ lệ nội địa hóa cho ngành cơng nghiệp ô tô Việt Nam.
1.2. Vấn đề nghiên cứu
Với quốc gia đơng dân như ở Việt Nam thì nhu cầu vận tải bằng ô tô luôn là
nhu cầu cấp thiết, trong bối cảnh đó, việc thiết kế chế tạo, thiết kế cải tạo xe cơ giới
là cần thiết, vì vậycần đầu tư cho khoa học và công nghệ, đáp ứng nhu cầu trong
nước. Để có thể thiết kế chế tạo ô tô cần phải có cơ sở lý thuyết, trong đó phương
pháp tính tốn tính năng động lực học và tính kinh tế nhiên liệu của ơ tơ là một
trong những yêu cầu quan trọng trong quá trình thiết kế ô tô.
Tính năng động lực học của ô tô là những tính chất đảmbảo cho ơ tơ có tốc
độ trung bình lớn nhất đối với những điều kiện sử dụng đã cho. Tốc độ trung bình
lớn nhất khi ơ tơ chuyển động được đảm bảo bởi một loạt chỉ tiêu chủ yếu như: đặc
tính động lực kéo, khả năng lên dốc, thời gian và quãng đường tăng tốc.
Tính kinh tế nhiên liệu dùng để đánh giá chung các đặc điểm kết cấu và tính
năng làm việc của các cụm chi tiết, hệ thống của ơ tơ có ảnh hưởng đến tiêu hao
nhiên liệu khi xe làm việc ở các điều kiện vận hành khác nhau.
1.3. Mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu luận văn
1.3.1. Mục đích của luận văn
Trên cơ sở nghiên cứu, tìm hiểu các chỉ tiêu đánh giá tính năng động lực học
và tính kinh tế nhiên liệu của ơ tơ, từ đó xây dựng quy trình tính tốn, đánh giá tính
năng động lực học và tính kinh tế nhiên liệu ơ tơ trong q trình thiết kế, nhằm giảm
14
thời gian và chi phí cho cơng việc hướng tới tối ưu hố các thơng số của ơ tơ, giảm
giá thành vận chuyển, tiết kiệm được nguồn năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi
trường.
1.3.2. Nội dung của luận văn
Luận văn được trình bày gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.
Trong chương này luận văn khái quát về sự phát triển ngành công nhiệp ô tô
Việt Nam, từ đó thấy được cơng việc thiết kế chế tạo, thiết kế cải tạo xe cơ giới là
cần thiết và phương pháp tính tốn tính năng động lực học và tính kinh tế nhiên liệu
của ơ tơ là một trong những yêu cầu quan trọng trong quá trình thiết kế ơ tơ.
Chương 2: Quy trình tính tốn tính năng động lực học và tiêu hao nhiên liệu
của ô tô.
Trong chương này tác giả nghiên cứu, tìm hiểu các thơng số liên quan tới
việc tính tốn các chỉ tiêu tính năng động lực học và tính kinh tế nhiên liệu của ơ tơ,
từ đó xây dựng quy trình tính tốn tính năng động lực học và tiêu hao nhiên liệu ô
tô.
Chương 3: Các giải pháp cải thiện tính năng động lực học và tính kinh tế
nhiên liệu.
Trong chương này tác giả tính tốn một số chỉ tiêu tính năng động lực học và
tiêu hao nhiên liệu của một số ô tô cụ thể, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tính
năng động lực học và tiêu hao nhiên liệu ô tô, từ đó đề xuất các giải pháp cải thiện
tính năng động lực học và tính kinh tế nhiên liệu ô tô.
1.3.3. Phương pháp nghiên cứu
Trong luận văn tác giả dùng phương pháp lý thuyết, kết hợp với sử dụng
phần mềm Matlab để tính tốn, khảo sát tính năng động lực học và tiêu hao nhiên
liệu ô tô.
15
Chương 2
QUY TRÌNH TÍNH TỐN TÍNH NĂNG ĐỘNG LỰC HỌC
VÀ TÍNH KINH TẾ NHIÊN LIỆU Ơ TƠ
2.1.
Các thơng số xác định tính năng động lực học và tính kinh tế
nhiên liệu ơ tơ
2.1.1. Lực kéo tiếp tuyến
Q trình tác động tương hỗ giữa bánh xe với mặt đường xảy ra rất phức
tạp, song về nguyên lý làm việc của bánh xe chủ động có thể biểu diễn như hình
1.
Dưới tác dụng của mô men chủ động Mk bánh xe tác động lên mặt đường
một lực tiếp tuyến P, ngược lại mặt đường tác dụng lên bánh xe một phản lực
tiếp tuyến Pk cùng chiều chuyển động với ô tô và có giá trị bằng lực P (Pk = P).
Phản lực Pk có tác dụng làm cho ơ tơ chuyển động.
Do vậy phản lực tiếp tuyến Pk được gọi là lực kéo tiếp tuyến, đơi khi cịn
được gọi là lực chủ động.
Mk
rk
PK
P
Hình 1:Sơ đồ nguyên lý làm việc của bánh xe chủ động
Như vậy lực kéo tiếp tuyến Pk là phản lực của mặt đường tác dụng lên bánh
xe chủ động được sinh ra do mô men kéo Mk truyền từ động cơ đến bánh xe chủ
động. Lực kéo có phương song song với mặt đường, có chiều cùng chiều chuyển
16
động của xe, có điểm đặt tại tâm tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đường. Giá
trị của lực kéo tiếp tuyến như sau:
P
M
r
M · uTP
r
PTP
P
Trong đó:
Mk: Mơ men xoắn ở bánh xe chủ động (mô men kéo)
rk: Bán kính lăn của bánh xe
Mi: Mơ men xoắn chỉ thị của động cơ (Nm), đối với động cơ 4 kỳ thì:
M
p iV
4π
Trong đó:
Pi: Áp suất chỉ thị trung bình trong các xi lanh của động cơ (Pa hay N/m2)
i - Số xi lanh
Vh- Dung tích cơng tác của một xi lanh (lít)
uTP: Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực
PTP: Lực cản trong hệ thống truyền lực (N)
Pm: Lực cản cơ học tổng cộng trong động cơ (N)
2.1.2. Phương trình cân bằng lực kéo ơ tơ
Để ơ tơ có thể chuyển động được trên đường thì mơ men soắn chỉ thị của
động cơ Mi phải tiêu thụ được tất cả các lực cản chuyển động bên trong và bên
ngoài (quy chiếu về các bánh xe của ô tô) như:
- Lực cản cơ học tổng cộng trong động cơ (lực ma sát khi pitston chuyển
động theo thành của xi lanh, truyền dẫn của các bơm và các hệ thống phân phối khí,
quạt, máy nén khí, máy phát điện và các thiết bị khác ...) Pmτ (N).
- Lực cản trong hệ thống truyền lực PTP (N).
- Lực cản lăn của lốp xe Pf(N).
- Lực cản khơng khí Pw (N).
- Lực cản dốc P (N).
- Lực quán tính Pj (N).
17
Tất cả các đại lượng trên quy chiếu về các bánh xe ơ tơ tạo nên phương trình
cân bằng lực kéo ô tô như sau:
p iV uTP
.
4π r
P
P
PTP
P
P
P
P
1
2.1.3. Dự trữ lực kéo trên đường bằng
Từ phương trình (1) có thể xác định được lượng dự trữ kéo trên đường bằng
của ô tô,lượng dự trữ lực kéo này chủ yếu được sử dụng để vượt dốc và thắng lực
quán tính của ô tô.
P
p . iV uTP
.
4π r
P
PTP
P
P
2
2.1.4. Lượng tiêu hao nhiên liệu
Tính kinh tế nhiên liệu ơtơ được đặc trưng bới lượng chi phí nhiên liệu khi
chuyển động trên những điều kiện đường xá nhất định. Trong tất cả các chi phí
về vật liệu củ tơ thì chi phí nhiên liệu chiếm lớn nhất chi phí nhiên liệu có
thể chiếm tới 15 20 % hoặc lớn hơn trong giá thành vận chuyển bằng ôtô. Do
vậy, việc làm giảm chi phí nhiên liệu có ý nghĩa rất lớn để nâng cao hiệu quả sử
dụng và tính kinh tế nhiên liệu của ơ tơ.
Chỉ tiêu cơ bản để đánh giá tính kinh tế nhiên liệu của ôtô khi vận chuyển
là lượng tiêu hao nhiên liệu theo đường đi Qstính bằng lít trên quãng đường 100
km (lít/100 km). Chỉ tiêu này được xác định theo cơng thức:
g
Q
P
P PTP P P
P P
ρ
3
Trong đó:
ρ: Tỷ trọng của nhiên liệu (kg/m3)
-
Đối với dầu diesel thì ρ = 0,84 kg/m3
-
Đối với xăngthì ρ = 0,76 kg/m3
g và g
g
g
-Mức tiêu hao nhiên liệu chỉ thị, tính theo đơn vị
µ
4P π. r
iV uTP
p
β
uTP . V
r . 3,6
ω
μg và βg - Các hệ số tính tới sự biến đổi của gis theo pi và ;
18
N·
;
4
po và
- các điểm uốn của đồ thị tương quan gis=f(pi) và gis=f(
.
Mức tiêu hao nhiên liệu chỉ thịgisxác định lượng tiêu hao nhiên liệu để thắng
lực bằng 1N trên đoạn đường 100 km.
Trị số nhỏ nhất củagis (trong điều kiện hiệu suất chỉ thị của động cơ bằng
100%) được xác định bằng phương pháp sau: Khi đốt cháy 1gam nhiên liệu diezel
sinh ra nhiệt năng 43000 jun, khi đốt cháy 1gam xăng sinh ra nhiệt năng 44000 jun.
Giả sử toàn bộ số năng lượng này biến đổi hoàn toàn thành cơng cơ học thì để thắng
được lực 1N trên đoạn đường 100 km cần tiêu tốn 2,33 g nhiên liệu diezel hoặc
2,27g xăng. Tuy nhiên, do có tổn thất nhiệt năng qua thành của các xi lanh và thoát
ra cùng khí thải, nên lượngtiêu thụ nhiên liệu để thực hiện công trên thực tế tốn hơn
nhiều. Đối với động cơ diesel nhiên liệu cần bổ xung thêm gần tương đương với số
nhiên liệu tạo ra (2,3g/N.100km), động cơ xăng yêu cầu bổ xung khoảng 1,5 lần so
với động cơ diesel. Như vậy, để thắng được lực 1N trên đoạn đường 100 km khi
dùng động cơ diesel trung bình cần chi tốn 4,6g/100 km, khi dùng động cơ xăng cần
chi tốn 6,0g/100km, khi dùng động cơ tuốc bin cần chi tốn 10,0 g/100 km. Thơng
sốgis sẽ có giá trị tương ứng cho những động cơ này, còn hiệu suất chỉ thị của động
cơ dùng nhiên liệu diesel là 2,33/gis, của động cơ dùng xăng là 2,27/gis.
Như vậy, thông sốgis xác định mức độ hoàn thiện của động cơ như là một
nhân tố chuyển đổi năng lượng chứa đựng trong nhiên liệu thành công năng.
Thực chất của thông số này và ảnh hưởng của một loạt các yếu tố tới nó có
thể hiểu được từ sự phụ thuộc củagis vào tần số quay của trục khuỷu và áp suất chỉ
thị. Sự phụ thuộc này đối với động cơ diesel tăng áp được thể hiện trên hình 2a. Trị
số tần số quay của trục khuỷu và áp suất phù hợp với toàn bộ phạm vi làm việc của
động cơ. Để so sánh ở đây có đưa ra đường cong gis =f(pi) khi ω=160 s-1đối với
động cơ diesel khơng tăng áp có cùng dung tích làm việc (đường đậm). Có thể giải
thích một cách gần đúng quy luật diễn biến của sự phụ thuộc này.
Thành phần cuả hỗn hợp ảnh hưởng cơ bản tới đặc tính biến đổi của gis theo
pi. Trong động cơ diesel không tăng áp, nhiên liệu phun vào một lượng khơng khí
khơng đổi tỷ lệ thuận với tải trọng. Điều này làm cho hỗn hợp nhiên liệu - không
19
khí đậm đặc lên (hệ số dư thừa khơng khí giảm xuống) và trị số pi tăng làm ảnh
hưởng xấu tới quá trình làm việc của động cơ. Kết quả tương quan gis =f(pi) tăng.
Trong động cơ tăng áp, lượng khơng khí thay đổi tỷ lệ thuận với tải trọng (hệ số dư
thừa khơng khí tăng) sự phụ thuộc này giảm xuống do có phần khơng khí bổ xung
vào các xi lanh (khi pi như nhau so với động cơ không tăng áp).
Tại các trị số pinhỏ, gần và tương thích với chế độ làm việc của động cơ chạy
khơng tải, đồ thị biểu thị sự phụ thuộc gis=f(pi) có lượng uốn nhỏ. Điều này liên
quan tới vấn đề là khi lượng cấp nhiên liệu nhỏ do áp lực phun giảm, làm cho chất
lượng nhiên liệu giảm. Điểm uốn của đồ thị này được biểu thị bằng đại lượng pgis
min
(xem hình 2a)
Hình 2:Sự phụ thuộc của gis vào pi và ω. Các đường mảnh dùng
cho động cơ tăng áp, Đường đậm dùng cho động cơ diesel không tăng áp.
Hai yếu tố cơ bản ảnh hưởng tới đặc điểm diễn biến sự phụ thuộc gis=f(ω) là
tổn thất nhiệt năng qua thành của các xi lanh và thành phần hỗn hợp nhiên liệukhơng khí. Sự phân tán nhiệt năng qua thành của các xi lanh tỷ lệ với thời gian. Bởi
vậy khi tăng tốc độ quay của trục khuỷu thì thời gian để thực hiện một chu kỳ làm
việc của động cơ giảm xuống, dẫn tới giảm tổn thất nhiệt năng. Đồng thời, tăng tốc
20
độ chuyển động của các pitston và tăng nhiệt độ của các phần tử tiếp giáp với khơng
khí trong sạch của động cơ làm xấu khả năng điền đầy không khí vào các xi lanh.
Hệ số điền đầy giảm xuống.
Như vậy, đặc điểm diễn biến của sự phụ thuộc gis=f(ω) được xác định bởi hai
yếu tố tác động ngược chiều nhau. Giảm tổn thất nhiệt năng dẫn tới giảm gis và làm
xấu thành phần hỗn hợp dẫn tới tăng gis. Ảnh hưởng một cách nổi trội tới gis khi tần
số quay của trục khuỷu nhỏ hoăc trung bình là tổn thất nhiệt năng, khi tần số quay
của trục khuỷu lớn là thành phần hỗn hợp. Liên quan đến vấn đề này mà họ các
đường cong gis=f(ω) khi ω=ωgis
min
có điểm uốn. Điểm uốn của đường cong
gis=f(pi) khi pi= pgis min (trong trường hợp này pgis min=0,3Mpa) tương ứng với cực
tiểu tuyệt đối của hàm gis=f(pi,ω). Giá trị của nó chiếu lên trục tung được biểu thị
bằng
(xem hình 2b).
Trên cơ sở của các nghiên cứu đã thực hiện có thể nhận xét rằng sự thay đổi
của thông sốgis trong mối tương quan với tất cả các yếu tố kể trên là không lớn.
Điều này đưa ra một căn cứ để sử dụng các trị số trung bình khơng đổigistrong các
tính tốn thiết kế động cơ diesel và động cơ xăng. Các trị số trung bình khơng đổi
này cho trong bảng 1.
Bảng 1:
Loại động cơ
Xăng
Điesel
2.2.
Tăng áp
Ơ tơ con
Ơ tơ tải
Trị số gis [g/N.100km]
Khơng có
5,8
6,0
Có
6,0
6,1
Khơng có
4,6
4,3
Có
4,8
4,5
Các lực cản chuyển động của ơ tơ
Các lực cản chuyển động của ô tô được sinh ra do nhiều nguyên nhân
khác nhau. Thành phần và tính chất của các lực cản phụ thuộc vào tính chất cơng
việc, địa hình và chế độ chuyển động.
21
V
a
PW
b
hW
Pj
Gsinα
h
Z1
Pf1
Gcosα G
L
Pk
ZK
Pfk
a
Hình 3 : Sơ đồ tổng quát các lực tác dụng lên ơ tơ
Các ký hiệu trên hình 2.2 như sau:
Pw - Lực cản khơng khí;
P - Lực cản lên dốc;
Pj - Lực quán tính;
Pf- Lực cản lăn của lốp xe (Pf = Pk+ Pn);
Pk- Lực cản lăn của các bánh chủ động;
Pn-Lực cản lăn của các bánh bị động;
Z - Phản lực pháp tuyến;
G - Trọng lượng của ô tô;
Độ dốc mặt đường.
Công suất hiện thời của động cơ được xác định bằng tổng các sức cản bên
ngoài và bên trong, hơn nữa trị số của một số thành phần cản bên trong phụ thuộc
các thành phần cản bên ngồi. Ví dụ, lực cản trong hệ thống truyền lực liên quan tới
truyền mô men xoắn phụ thuộc vào độ nghiêng của đường đi. Rõ ràng, không biết
22
lực cản bên ngồi khơng tính được lực cản bên trong. Bởi vậy khi xem sét các thành
phần lực trong phương trình cân bằng lực kéo ơ tơ nên bắt đầu từ việc khảo sát các
thành phần lực cản bên ngồi.
Các
trị
sốGa,
iVh,
uTPvà
rk
thường
biết
trước
cịnPαvà
V
được xác định bằng các điều kiện và chế độ chuyển động, các trị số còn lại được
xác định theo kết cấu của ô tô và là đối tượng nghiên cứu trong các khảo sát của đề
tài. Các thông số cần thiết cho tính tốn này nhận được trên cơ sở tổng kết và phân
tích các số liệu thực nghiệm nhận được trên cơ sở khảo sát trên bệ thử và khảo sát
trên đường chạy.
2.2.1. Lực cản lên dốc
Lực cản lên dốc xuất hiện khi ô tô chuyển động trên đường dốc, lực cản lên
dốc có phương song song với mặt đường, có chiều ngược chiều chuyển động của ơ
tơ khi xe lên dốc và cùng chiều khi xe xuống dốc.
P
G ·g·α
100
5
Trong đó g và α là gia tốc rơi tự do và góc nghiêng của đường (theo %).
2.2.2. Lực qn tính
Lực qn tính Pjxuất hiện khi ơ tơ chuyển động không ổn định (tốc độ của ô
tô thay đổi). Lực quán tính do gia tốc các khối lượng chuyển động (các khối lượng
chuyển động tịnh tiến của ô tô, của bánh xe, của các phần tử quay trong hệ thống
truyền lực và động cơ).
P
dV
·G
dt
6
Trong đó Gtd là khối lượng tương đương (kg)
G
G
J
JTP
J
· uTP
7
r
Trong đó:
Jk - Mơ men qn tính của bánh xe (kg·m2);
JTP - Mơ men qn tính của các phần tử quay trong hệ thống truyền lực
(kg·m2);
23
Jdc - Mơ men qn tính của các phần tử quay trongđộng cơ (kg·m2);
Các mơ men qn tính này được tính tốn theo các cơng thức dưới đây:
- Mơ men qn tính của bánh xe:
J
γ ·r
(8)
Trong đó γk =400 kg/m3 (khối lượng riêng trung bình của bánh xe)
- Mơ men quán tính của các phần tử quay trong hệ thống truyền lực:
Mơ men qn tính quy đổi về bánh xe của các phần tử quay trong hệ truyền
lực JTP bao gồm mơ men qn tính của moay ơ các bánh xe, các tang phanh, các
trục các đăng .... . Mô men qn tính được xác định theo cơng thức:
JTP
J · nB · γTP
(9)
Trong đó: nB - số lượng moay ơ các bánh xe chủ động
γTP - Khối lượng riêng trung bình của các phần tử quay trong hệ thống truyền
lực, lấy theo bảng 2
Bảng 2:
Công thức bánh xe
γTP [kg/m3]
4x2; 4x4; 6x4
00,35
6x6
00,5
8x8
00,8
- Mơ men qn tính của các phần tử chuyển động quay, chuyển động tịnh
tiến trong động cơ:
Mô men quán tính quy đổi về trục khuỷu đầu ra của động cơ Jdc bao gồm mơ
men qn tính của các phần tử thực hiện chuyển động quay trịn và mơ men quán
tính của các phần tử thực hiện chuyển động tịnh tiến qua lại như: bánh đà, trục
khuỷu, các phần tử của hệ thống phân phối khí, quạt, máy phát điện, các bộ truyền
động đai ... . Mơ men qn tính của động cơ được xác định theo công thức:
24
J
J
iV
√i
·γ
10
Trị số của các đại lượng J0(mơmen qn tính của các phần tử chuyển động
tịnh tiến trong động cơ) và γdc(khối lượng riêng trung bình của các phần tử chuyển
động quay trong động cơ), được xác định theo bảng 3.
Bảng 3:
[kg.m2]
[kg/m3 ]
Động cơ xăng
0,05
50000
Động cơ diesel
0,1
60000
Loại động cơ
2.2.3. Lực cản khơng khí
Khi ơ tơ chuyển động sẽ làm di chuyển bộ phận khơng khí bao quanh vỏ xe,
làm xuất hiện các dịng khí xốy phía sau và hình thành một lực cản gọi là lực cản
khơng khíPw(N).Lực cản khơng khí đặt tại tâm của diện tích cản chính diện của ô
tô.
Lực cản không khí chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ chuyển động, hình dáng bề
mặt chắn gió phía trước. Giá trị của lực cản khơng khí có thể được xác định theo
cơng thức thực nghiệm:
P
KFV
CX ρB F V
3,6
2
11
Trong đó:
KF và Cx- Các hệ số khí động học.
F - Diện tích cản chính diện xe (m2).
Có thể tính F = 0,8BoH (trong đó Bo: là chiều rộng tồn bộ của ô tô; H: chiều
cao toàn bộ của ô tô).
B- Tỷ trọng của khơng khí (kg/m3).
Bảng 4 đưa ra các trị số hệ số Cx và phạm vi thay đổi diện tích đầu xe Fcho
một số loại xe tải, tỷ trọng của khơng khí ρB =1,225 kg/m3 (trong điều kiện khí
25
