Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo và vận hành tới tiêu hao nhiên liệu trên ô tô đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

TỔNG QUAN

Lý do chọn đề tài

Ngày nay, bên cạnh tiêu chí về vẻ đẹp và sự sang trọng của xe, yêu cầu tiết kiệm nhiên liệu trở thành ưu tiên hàng đầu Để đạt được điều này, chúng ta cần hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô Việc xác định nguyên nhân và tìm ra các biện pháp khắc phục là rất quan trọng để nâng cao hiệu suất và tuổi thọ của xe Nhằm mục đích này, nhóm sinh viên chúng tôi đã quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo và vận hành tới tiêu hao nhiên liệu trên xe”.

Mục đích nghiên cứu

Đề tài này giúp chúng ta hiểu rõ các bộ phận chính của xe và các nguyên nhân chủ quan từ người lái cũng như tác động của các thông số môi trường dẫn đến tình trạng tiêu hao nhiên liệu cao Bằng cách phân tích các yếu tố cấu tạo và vận hành, chúng ta có thể nhận diện được ảnh hưởng của chúng đến mức tiêu thụ nhiên liệu Từ đó, chúng ta sẽ rút ra những kết luận hữu ích để phòng tránh và khắc phục, nhằm tối ưu hóa hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu và kéo dài tuổi thọ cho động cơ cũng như các bộ phận khác của xe.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào cấu tạo và các bộ phận của xe, thiết kế xe, cũng như các lực tác động lên xe, ảnh hưởng đến tiêu hao nhiên liệu Ngoài ra, việc phân tích cách thức vận hành của xe, bao gồm vận tốc và tải trọng, cùng với trình độ của người lái và khả năng xử lý tình huống cũng rất quan trọng Các yếu tố môi trường cũng đóng vai trò không nhỏ trong việc tiêu hao nhiên liệu Cuối cùng, nghiên cứu sẽ áp dụng lý thuyết để tính toán tiêu hao nhiên liệu trên xe Toyota GT86 2013, giúp hiểu rõ hơn về vấn đề này.

ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ VÀ CÁC LỰC TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ

Phân tích đặc tính động cơ đốt trong và đặc tính kinh tế nhiên liệu

2.1.1 Phân tích đặc tính động cơ đốt trong Để xác định được lực hoặc mômen tác dụng lên các bánh xe chủ động của ô tô, chúng ta cần phải nghiên cứu đặc tính công suất của động cơ đốt trong loại piston Đặc tính công suất mô tả quan hệ giữa công suất Pe và hai thành phần của nó là mômen Me và tốc độ góc ωe (hay số vòng quay ne) Thông thường nó được biểu diễn qua đặc tính tốc độ của mômen M e (ω e ) hay đặc tính tốc độ của công suất P e (ω e )

Mối quan hệ giữa P e , M e , ω e được biểu diễn theo công thức:

M e - Mômen xoắn của động cơ [N.m]

P e - Công suất của động cơ [kW] ωe - Vận tốc góc của động cơ [Rad/s]

Thông thường chúng ta hay sử dụng đặc tính P e , M e (ω e ) khi động cơ làm việc ở chế độ cung cấp nhiên liệu lớn nhất, thường gọi là đặc tính ngoài

Chế độ danh định phản ánh các thông số tối đa như Pemax, M e P và ω e P, trong khi chế độ mômen xoắn cực đại tương ứng với P e m, M emax và ω e m Những thông số này rất quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của hệ thống.

* Hệ số đàn hồi (thích ứng) của động cơ theo mômen: Ở đây: K m = M emax

M emax – Mômen xoắn cực đại của động cơ

K m – Hệ số thích ứng của động cơ theo mômen Đối với từng loại động cơ, hệ số thích ứng theo mômen có giá trị như sau:

– Động cơ diesel không có phun đậm đặc: K m = 1,1 ÷ 1,15

– Động cơ diesel có phun đậm đặc: K m = 1,1 ÷1,25

* Hệ số đàn hồi (thích ứng) theo tốc độ:

K m = ω e m ω e p (2.3) Ở chế độ danh định khi biết K m thì:

Chúng ta xây dựng đường đặc tính động cơ bằng cách thử nghiệm trên bệ thử trong các điều kiện xác định Tuy nhiên, công suất động cơ đo được trên bệ thử thường khác với công suất thực tế khi động cơ hoạt động trên xe Do đó, chúng ta cần xác định hệ số công suất hữu ích h P để có cái nhìn chính xác hơn về hiệu suất động cơ.

Hệ số h P ′ nằm trong khoảng 0,92 đến 0,96, thể hiện sự sai biệt công suất do thay đổi một số trang bị của động cơ trong quá trình thử nghiệm Trong khi đó, h P ′′ phản ánh ảnh hưởng của môi trường đến kết quả thử nghiệm.

Với: q (MPa), t ( 0 C) là áp suất và nhiệt độ phòng thử

Phân tích đặc tính ngoài động cơ

Đồ thị đặc tính ngoài của động cơ, hay còn gọi là đặc tính tốc độ ngoài, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ và hiệu suất của động cơ khi được cung cấp nhiên liệu đầy đủ.

+ n emin – Tốc độ tối thiểu mà động cơ làm việc ổn định khi phụ tải đạt 100% (nemin

= (0,15 ÷ 0,20)n e - đối với động cơ xăng và n emin = (0,50 ÷ 0,60)n hc đối với động cơ diesel)

+ n e M – Tốc độ khi đạt mô men lớn nhất M emax

Tốc độ đạt Pemax hoặc Phc, hoặc tốc độ đạt Pehc ở động cơ với bộ hạn chế tốc độ là yếu tố quan trọng trong việc xác định hiệu suất động cơ Để tính toán các thông số P e, M e, g e, có thể áp dụng công thức thực nghiệm của S.R Lây-đéc-man Vùng làm việc ổn định của động cơ được xác định là khoảng giữa n e M và n e P, nơi động cơ hoạt động hiệu quả nhất.

Khi áp suất giảm, mô men tăng, giúp phương tiện duy trì sức kéo và hiệu suất làm việc tốt, mặc dù tốc độ có thể giảm nhẹ Ngược lại, khi áp suất tăng, sức kéo giảm nhưng tốc độ lại tăng lên.

Khi P e và M e đều giảm, động cơ có thể gặp khó khăn và chết máy khi gặp chướng ngại nhỏ Trong những khu vực làm việc ổn định, khi gặp chướng ngại, tốc độ và công suất sẽ giảm, nhưng M e có xu hướng tăng, giúp động cơ vượt qua chướng ngại mà không cần phải chuyển xuống số thấp.

2.1.1.1 Đối với động cơ xăng: Đặc tính ngoài động cơ xăng chia làm hai loại là : không hạn chế số vòng quay và có hạn chế số vòng quay

Động cơ xăng có hai loại đặc tính ngoài: không có bộ phận hạn chế số vòng quay và có bộ phận hạn chế số vòng quay Đặc tính ngoài của động cơ không có bộ phận hạn chế thường được sử dụng cho xe du lịch, với giá trị ω emax không vượt quá 10 ÷ 20% so với ω e P Ngược lại, động cơ có bộ phận hạn chế số vòng quay thường được áp dụng cho xe tải, nhằm tăng tuổi thọ động cơ, với nemax được chọn trong khoảng 0,8 ÷ 0,9 n e P.

2.1.1.2 Đối với động cơ diesel Đường M e không cong bằng đường Me của động cơ xăng vì khi tốc độ giảm, hệ số nạp tăng, mức độ tiêu thụ nhiên liệu trong một chu trình giảm làm hệ số dư không khí tăng (hỗn hợp nhạt dần) nên Me tăng ít (hình 2.3) Ở động cơ diesel khi tăng tốc độ, hệ thống phun nhiên liệu làm tăng nhiên liệu cấp, một phần khi giảm tải, hệ số nạp tăng Do đó, khi giảm phụ tải ngoài, do tăng hệ số nạp, còn lượng nhiên liệu không đổi nên sẽ làm cho tốc độ động cơ tăng vọt rất nguy hiểm cho động cơ

Động cơ diesel cần được trang bị bộ hạn chế tốc độ tại nhc để đảm bảo an toàn Khi tốc độ đạt đến mức cho phép, hệ thống sẽ tự động giảm lượng nhiên liệu phun vào động cơ, giúp duy trì hiệu suất hoạt động ổn định Pe, M e = 0 tại nktmax.

Trong động cơ xăng, công thức tính là (1,05 ÷ 1,15)n e, trong khi đối với động cơ tăng áp, n e max = (0,85 ÷ 1,15)n e Đối với động cơ tăng áp, các đường đặc tính M e và P e luôn cao hơn so với động cơ không tăng áp, trong khi g e lại thấp hơn, đặc biệt là ở tốc độ cao Đối với động cơ diesel, có thể xây dựng nhiều đường đặc tính khác nhau tùy thuộc vào mức độ phun nhiên liệu.

2.1.1.3 Phân tích đồ thị đặc tính ngoài

 Vùng làm việc ổn định của động cơ:

Hình 2.3: Đồ thị đặc tính ngoài động cơ Diezel

Vùng làm việc giữa Pe và Me có đặc điểm là khi Pe giảm thì Me tăng, giúp phương tiện duy trì sức kéo và hiệu suất làm việc, mặc dù tốc độ có thể giảm Ngược lại, khi Pe tăng, sức kéo giảm nhưng tốc độ lại tăng Ngoài vùng này, cả Pe và Me đều giảm, dẫn đến nguy cơ chết máy khi gặp chướng ngại vật Trong vùng làm việc ổn định, khi gặp chướng ngại, tốc độ và công suất sẽ giảm, nhưng Me lại tăng, cho phép động cơ vượt qua chướng ngại mà không cần chuyển về số thấp.

Hệ số thích ứng K đánh giá khả năng vượt chướng ngại và tăng tốc của động cơ, với giá trị K càng lớn thì khả năng này càng tốt Động cơ xăng thường có đường cong M e dốc hơn so với động cơ diesel, dẫn đến giá trị K cao hơn cho động cơ xăng (K = 1,25 ÷ 1,35) so với động cơ diesel (K = 1,10 ÷ 1,15) Nếu K thấp dưới mức cho phép, ôtô sẽ không thể vượt chướng ngại mà không chuyển về số thấp để tăng mômen bánh xe.

 Khảo sát đường cong công suất Pe

Khi tăng tốc độ quá cao, áp suất hiệu dụng P e sẽ giảm do thiết kế chỉ tính diện tích lưu thông của xupáp nạp để đạt được P emax tại tốc độ n e Ở tốc độ n e P, thời gian và diện tích nạp được đảm bảo để cung cấp đủ lượng hỗn hợp (hoặc không khí) đạt P emax Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng số vòng quay n e, thời gian và diện tích nạp sẽ giảm đáng kể, dẫn đến giảm hệ số nạp và giảm công suất động cơ.

 Khảo sát đường cong Me

Các lực tác dụng lên ô tô trong trường hợp chuyển động tổng quát

Chúng ta phân tích chuyển động của ôtô trong bối cảnh tổng quát, khi ôtô di chuyển trên đường dốc không ổn định với gia tốc và chịu tác động của lực cản tại móc kéo.

Hình 2.4: Sơ đồ các lực và mômen tác dụng lên ôtô khi chuyển động lên dốc

Hình 2.4 thể hiện sơ đồ các lực và mômen tác động lên ôtô khi đang tăng tốc trên dốc Các ký hiệu trong hình vẽ được sử dụng để mô tả rõ ràng các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của ôtô.

G – Trọng lượng toàn bộ của ôtô

Fk – Lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động

Ff1 – Lực cản lăn ở các bánh xe bị động

Ff2 – Lực cản lăn ở các bánh xe chủ động

Fi – Lực cản lên dốc

Fj – Lực cản quán tính khi xe chuyển động không ổn định (có gia tốc)

Fm – Lực cản ở móc kéo

Z1, Z2 – Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước, cầu sau

Mf1 – Mômen cản lăn ở các bánh xe bị động

Mf2 – Mômen cản lăn ở các bánh xe chủ động α – Góc dốc của mặt đường tính bằng độ

Sau đây ta sẽ khảo sát giá trị của các lực và mômen vừa nêu trên:

Fk là lực phản lực từ mặt đường tác động lên bánh xe chủ động, diễn ra theo hướng chuyển động của ôtô Điểm tác động của lực Fk nằm tại trung tâm của vết tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường.

Me - Momen xoắn của động cơ [N.m] itl: Tỷ số truền lực của hộp số rb: Bán kính làm việc của xe [m]

: Hiệu suất của hệ thống truyền lực

Khi bánh xe di chuyển trên mặt đường, lực cản lăn sẽ tác động song song với mặt đường và ngược chiều với hướng chuyển động, đặc biệt tại khu vực tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường.

Trên hình 2.4 biểu thị lực cản lăn tác dụng lên các bánh xe trước là Ff1 và lên các bánh xe sau là Ff2

Lực cản lăn phát sinh từ sự biến dạng của lốp khi tiếp xúc với mặt đường, tạo ra vết bánh xe và ma sát tại bề mặt tiếp xúc Để đơn giản hóa, lực cản lăn được xem như là ngoại lực tác động lên bánh xe trong quá trình chuyển động, và có thể được xác định bằng một công thức cụ thể.

F f = F f1 + F f2 (2.10) Với: Ff là lực cản lăn của ôtô

Lực cản lăn ở các bánh xe trước và sau là:

Hệ số cản lăn ở bánh xe trước và sau được ký hiệu lần lượt là f1 và f2, với công thức F f1 = Z 1 f 1 và F f2 = Z 2 f 2 Nếu giả định rằng hệ số cản lăn ở cả hai bánh xe là giống nhau, ta có f1 = f2 = f.

Khi xe chuyển động trên mặt đường có độ dốc nhỏ thì góc α khá nhỏ nên có thể coi Cosα = 1 hoặc khi mặt đường nằm ngang thì ta có:

Lực cản lăn và các loại lực cản khác được coi là dương khi chúng tác động ngược lại hướng chuyển động của xe Hệ số cản lăn còn chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, và vấn đề này sẽ được phân tích chi tiết trong chương tiếp theo.

Mômen cản lăn của ôtô được tính:

M f = M f1 + M f2 = Z 1 fr đ + Z 2 fr đ = Gfr đ cos α (2.14) Ở đây:

Mf1, Mf2 – Mômen cản lăn ở các bánh xe cầu trước và cầu sau rđ – Bán kính động lực học của bánh xe

Nếu xe chuyển động trên đường ngang thì:

Khi xe di chuyển lên dốc, trọng lượng G được phân tích thành hai thành phần: Gcosα vuông góc với mặt đường và Gsinα song song với mặt đường Thành phần Gcosα tác động lên mặt đường, tạo ra các phản lực pháp tuyến của đường.

Khi xe di chuyển lên dốc, lực cản do thành phần Gsinα tác động sẽ làm giảm sự chuyển động của xe Lực này được gọi là lực cản lên dốc Fi và có vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến khả năng leo dốc của xe.

Mức độ dốc của mặt đường được thể hiện qua góc dốc α hoặc qua độ dốc i: i = tgα (2.17)

Nếu α < 5 o thì có thể coi: i = tgα = sinα và khi đó ta có:

Khi xe di chuyển xuống dốc, lực Fi sẽ cùng chiều với chuyển động của xe, trở thành lực đẩy (lực chủ động) Ngược lại, khi xe lên dốc, lực Fi sẽ trở thành lực cản và có dấu (+) Trong công thức (2.16), khi xe xuống dốc, lực Fi có dấu (-) thể hiện vai trò của nó như một lực đẩy.

Ngoài ra, người ta còn dùng khái niệm lực cản tổng cộng của đường F là tổng của lực cản lăn và lực cản lên dốc:

F  = F f ± F i = G(f cos α ± sin α) ≈ G(f ± i) (2.19) Đại lượng f ± i được gọi là hệ số cản tổng cộng của đường và ký hiệu là :

Khi ôtô di chuyển, lực cản không khí chủ yếu do các yếu tố khí động học gây ra Lực cản hình dạng xe chiếm khoảng 80 đến 90%, tiếp theo là lực cản do ảnh hưởng của xoáy lốc, chiếm từ 10 đến 15% Cuối cùng, lực cản từ ma sát giữa bề mặt xe và không khí chỉ chiếm từ 4 đến 10%.

Lực cản không khí tỉ lệ với áp suất động học qd, diện tích cản gió S và hệ số cản của không khí Cx theo biểu thức sau:

Khối lượng riêng của không khí ở nhiệt độ 25°C và áp suất 0,1013 MPa là 1,25 kg/m3 Vận tốc tương đối giữa xe và không khí được tính bằng công thức v0 = v ± vg, trong đó v là vận tốc của ôtô và vg là vận tốc gió.

Dấu (+) ứng với khi vận tốc của xe và của gió ngược chiều

Dấu (-) ứng với khi vận tốc của xe và của gió cùng chiều

Khi tính tóan, người ta còn đưa vào khái niệm nhân tố cản không khí W có đơn vị là Ns 2 /m 4

Lực cản không khí được xác định bởi công thức F ω = Wv 0 2, trong đó lực cản có điểm đặt tại tâm của lực khí động học Bảng dưới đây cung cấp một số giá trị của hệ số Cx và diện tích cản gió S cho một số loại xe.

Bảng 2.1: Hệ số cản và diện tích cản không khí

Khi ôtô chuyển động không ổn định, lực quán tính của các khối lượng chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến xuất hiện

Lực quán tính sẽ hoạt động như một lực cản khi xe tăng tốc và chuyển thành lực đẩy khi xe giảm tốc Điểm đặt của lực quán tính nằm tại trọng tâm của xe.

Lực quán tính ký hiệu là Fj gồm hai thành phần sau:

- Lực quán tính do gia tốc các khối lượng chuyển động tịnh tiến của ôtô, ký hiệu là F’j

- Lực quán tính do gia tốc các khối lượng chuyển động quay của ôtô, ký hiệu là F’’j Bởi vậy Fj được tính:

Với: j = dv dt là gia tốc tịnh tiến của ô tô

Lực F’’j được xác định như sau:

Jn – Mômen quán tính của các chi tiết quay thứ n nào đó của hệ thống truyền lực đối với trục quay của chính nó

Mômen quán tính của bánh xe chủ động là yếu tố quan trọng đối với trục quay của nó, trong khi tỷ số truyền được xác định từ chi tiết thứ n trong hệ thống truyền lực tới bánh xe chủ động.

n – Hiệu suất tính từ chi tiết quay thứ n nào đó của hệ thống truyền lực tới bánh xe chủ động

LÝ THUYẾT VỀ TIÊU HAO NHIÊN LIỆU TRÊN Ô TÔ

Khái niệm về tiêu hao nhiên liệu và phương trình tiêu hao nhiên liệu

3.1.1 Khái niệm về tiêu hao nhiên liệu trên ô tô

Tiêu hao nhiên liệu của ôtô được đánh giá dựa trên lượng nhiên liệu tiêu thụ cho mỗi đơn vị hàng hóa và quãng đường vận chuyển tấn-km đối với ô tô tải Đối với ô tô cá nhân, mức tiêu hao nhiên liệu được tính trên quãng đường 100km, trong khi ô tô khách được tính theo mức tiêu hao nhiên liệu trên mỗi hành khách-km hoặc 100km Công thức tính mức tiêu hao nhiên liệu cho một đơn vị quãng đường chạy q d của ôtô là: q d = 100Q.

Q – Lượng tiêu hao nhiên liệu [lít]

S*– Quãng đường chạy được của ôtô [km]

Mức tiêu hao nhiên liệu của ôtô không chỉ phụ thuộc vào quãng đường mà còn vào khối lượng hàng hóa được vận chuyển Khi ôtô chở hàng, lượng nhiên liệu tiêu thụ sẽ tăng lên so với khi không có hàng hóa Do đó, để đánh giá tính kinh tế nhiên liệu của ôtô, cần tính toán theo đơn vị hàng hóa vận chuyển Cụ thể, đối với ôtô vận tải, mức tiêu hao nhiên liệu cho một đơn vị hàng hóa q c được xác định bằng công thức: q c = Qρ n.

G t – Khối lượng hàng hoá chuyên chở [tấn]

S t – Quãng đường chuyên chở của ôtô khi có hàng hóa [km] ρ n – Tỷ trọng nhiên liệu [kg/l]

3.1.2 Phương trình tiêu hao nhiên liệu trên ô tô

Khi ô tô di chuyển, hiệu suất nhiên liệu của nó phụ thuộc vào hiệu quả của động cơ và mức tiêu hao công suất cần thiết để vượt qua lực cản.

Khi tiến hành thí nghiệm động cơ trên bệ thử nghiệm, chúng ta có thể xác định mức tiêu hao nhiên liệu theo thời gian (kg/h) và công suất phát ra của động cơ (P e [kW]) Mức tiêu hao nhiên liệu được tính toán dựa trên một công thức cụ thể.

Công thức tính toán hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ được biểu diễn như sau: G T = Q.ρ n t [kg h] (3.3), trong đó t là thời gian hoạt động của động cơ tính bằng giờ (h) Để đánh giá tính kinh tế nhiên liệu, ta sử dụng suất tiêu hao nhiên liệu có ích, được tính bằng g e = G T.

Q – Lượng tiêu hao nhiên liệu [l] ρ n – Tỷ trọng nhiên liệu [kg/l] t: thời gian làm việc của động cơ tính bằng giờ [h]

Pe : công suất có ích của động cơ [kW]

Theo công thức (2.5) ta có P e = f(n e ) thay vào công thức tính suất tiêu hao nhiên liệu g e = Qρ n

P emax (a( ne ne P )+b( ne ne P )

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge là một hàm phụ thuộc vào sự thay đổi của tốc độ động cơ Khi tốc độ động cơ tăng, suất tiêu hao nhiên liệu sẽ giảm, do ge nằm ở phần mẫu số, dẫn đến tỷ lệ nghịch với ge.

Khi xác định đường cong ge, việc kẻ một đường song song với trục hoành tiếp tuyến giúp xác định điểm gemin Đường cong thấp nhất đạt gemin tại vị trí giữa n e M và n e P; nếu tốc độ nằm ngoài khoảng này, g e sẽ tăng, dẫn đến giảm tiết kiệm nhiên liệu do mức độ xoáy lốc kém, gây ra tình trạng cháy kém Hơn nữa, tổn thất nhiệt ra nước làm mát cũng tăng, khiến động cơ bị nóng Nếu tốc độ lớn hơn n g, công bơm và công cơ học sẽ tăng, làm số chu kỳ tăng lên.

Hình 3.1: Đồ thị công suất, momen, suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ

Từ công thức (3.1) và (3.4) ta rút ra được biểu thức để xác định mức tiêu hao nhiên liệu như sau: q d = 100g e P e t

Vận tốc chuyển động của ô tô: v = S ∗ t [km/h]

Từ công thức (3.4) ta được: Q = P e g e t ρ n

Khi ô tô di chuyển, động cơ phải cung cấp công suất đủ để vượt qua các lực cản, và điều này được thể hiện qua phương trình cân bằng công suất.

Giả thuyết là Fm=0 => Fk = FΨ+Fω+Fj

F Ψ , F ω , F j : Là lực cản chuyển động của xe [N] v * : Là vận tốc xe đơn vị m/s v * =3,6v km/h

Mức tiêu hao nhiên liệu của ôtô được xác định bởi suất tiêu hao nhiên liệu hữu ích của động cơ và công suất cần thiết để vượt qua các lực cản khi di chuyển.

Từ công thức (3.5) và (3.6) ta có công thức tính mức tiêu hao nhiên liệu: q d = 0,36g e (F Ψ +F ω ±F j ) ρ n η [ l

Phương trình (3.7) mô tả sự tiêu hao nhiên liệu khi ô tô di chuyển không ổn định với Pj ≠ 0 Trong trường hợp Pj = 0, công thức tính tiêu hao nhiên liệu sẽ trở thành: q d = 0,36g e (F Ψ + F ω ) ρ n η [ l.

100km] (3.9) Đối với ô tô tải thì phương trình tiêu hao nhiên liệu sẽ là: q c = Qρ n

Phương trình tiêu hao nhiên liệu cho ô tô chuyển động không ổn định được biểu diễn bằng công thức G t S t = 0,36g e (F Ψ + F ω ± F j )vt ηG t S t [kg t.km] Khi Pj = 0, công thức tiêu hao nhiên liệu trở thành q c = Qρ n.

Từ phương trình (3.8), (3.9), (3.10) và (3.11) ta rút ra nhận xét sau:

Mức tiêu hao nhiên liệu trên mỗi đơn vị quãng đường chạy sẽ giảm khi suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ được cải thiện Điều này có nghĩa là nếu động cơ được thiết kế và hoạt động hiệu quả, ôtô sẽ tiêu tốn ít nhiên liệu hơn cho mỗi quãng đường di chuyển.

Hệ thống truyền lực hoạt động kém sẽ dẫn đến hiệu suất truyền lực giảm và tăng mức tiêu hao nhiên liệu trên mỗi đơn vị quãng đường.

Khi lực cản chuyển động tăng lên thì mức tiêu hao nhiên liệu sẽ tăng Trong quá trình ôtô tăng tốc sẽ làm tăng mức tiêu hao nhiên liệu.

Phương pháp tính toán tiêu hao nhiên liệu theo lý thuyết, theo thực nghiệm

Để nâng cao chất lượng sử dụng ô tô và giảm tiêu hao nhiên liệu, cần chú ý đến mức độ sử dụng công suất động cơ trong các điều kiện khác nhau Khái niệm "mức độ sử dụng công suất động cơ", ký hiệu là Yp, được đưa ra để đo lường tỷ số giữa công suất cần thiết để khắc phục các lực cản chuyển động và công suất mà động cơ phát ra tại thời điểm đó.

Pf, Pi, P, Pj – Công suất các lực cản (W)

Pe – Công suất của động cơ (W)

Chất lượng mặt đường tốt hơn (giảm hệ số cản tổng cộng ) và vận tốc ô tô thấp hơn sẽ dẫn đến công suất động cơ tiêu thụ ít hơn, đặc biệt khi tỷ số truyền của hộp số lớn, từ đó giảm hệ số sử dụng công suất động cơ Yp.

Mức độ sử dụng công suất động cơ giảm sẽ dẫn đến tiêu hao nhiên liệu tăng ở ô tô Hệ số sử dụng công suất có ảnh hưởng đáng kể đến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Theo công thức g e = k y k ck g emin [g kWh], trong đó gemin là suất tiêu hao nhiên liệu cực tiểu (g/kWh), ky là hệ số ảnh hưởng của mức độ sử dụng công suất, và kck là hệ số ảnh hưởng của tốc độ động cơ e.

23 ω e p - tốc độ góc động cơ ứng với công suất cực đại Pe.max

Từ công thức (3.8) (3.13) ta có công thức cuối cùng như sau: q d = 0,036k y k ck  g emin (F  +F  ) n  [ 1

3.2.2 Phương pháp tính toán tiêu hao nhiên liệu theo lý thuyết

+ Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ô tô khi chuyển động ổn định

Để phân tích mức tiêu hao nhiên liệu, việc sử dụng phương trình gặp nhiều khó khăn do suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ phụ thuộc vào số vòng quay của trục khuỷu và mức độ sử dụng công suất Để giải quyết vấn đề này, ta cần xây dựng đường đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ôtô Bước đầu tiên là thực hiện thí nghiệm động cơ trên bệ thí nghiệm để lập đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu theo mức độ sử dụng công suất, với các số vòng quay khác nhau của động cơ.

Dựa vào đồ thị, có thể nhận thấy rằng khi mức độ sử dụng công suất của động cơ tăng và số vòng quay của trục khuỷu giảm, mức tiêu hao nhiên liệu sẽ giảm do giá trị g e giảm Điều này cho thấy rằng tại cùng một mức độ sử dụng công suất động cơ, việc điều chỉnh số vòng quay có thể giúp tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả.

Y P1 ) thì suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ g e ở số vòng quay 𝑛 𝑒 ′′′ sẽ nhỏ hơn khi ở số vòng quay 𝑛 𝑒 ′′ và 𝑛 𝑒 ′

Hình 3.2: Đồ thị đặc tính tải trọng của động cơ (𝑛 𝑒 ′′′ < 𝑛 𝑒 ′′ < 𝑛 𝑒 ′ )

Để xác định mức độ sử dụng công suất khác nhau của động cơ Y P trong điều kiện chuyển động ổn định, chúng ta xây dựng đồ thị cân bằng công suất của ôtô với các hệ số cản của các loại mặt đường khác nhau Đồ thị Pe = f(v) được tạo ra cho một tỷ số truyền của hệ thống truyền lực, giúp phân tích hiệu suất hoạt động của ôtô.

Căn cứ vào phương trình cân bằng công suất của ôtô khi chuyển động ổn định, ta có:

Để xây dựng đường cong công suất phát ra của động cơ P e = f(v), cần xác định đường cong công suất tiêu hao cho lực cản không khí và tính đến công suất tiêu hao do ma sát trong hệ thống truyền lực.

Lập các đường cong biểu diễn công suất cản của mặt đường với các hệ số cản khác nhau F ψ η = f(v), đồng thời tính toán công suất tiêu hao do ma sát trong hệ thống truyền lực.

Dựa vào đồ thị (hình 3.3), có thể xác định mức độ sử dụng công suất của động cơ Y P tại một số vòng quay nhất định, tương ứng với vận tốc v ở số truyền đã cho và phụ thuộc vào điều kiện đường xá.

Để ôtô có thể di chuyển với vận tốc v1 trên đường có hệ số cản Ψ1, công suất cần thiết được xác định bằng tổng hai đoạn (a+c) Trong khi đó, công suất của động cơ tại vận tốc này là tổng hai đoạn (a+b) Từ đó, mức độ sử dụng công suất động cơ YP có thể được tính toán theo tỷ số.

Y P = a+c a+b (3.17) Nếu tính Y P theo phần trăm ta có:

Y P % = a+c a+b 100 (3.17) Như vậy dựa vào đồ thị hình 3.3, ta xác định được trị số Y P (ứng với v,  cho trước),

Để xác định số vòng quay của trục khuỷu động cơ (n e) tương ứng với vận tốc (v) và số truyền đã cho, ta sử dụng công thức: n e = 60vi tl.

Dựa vào trị số Y P và ne đã tìm được, chúng ta có thể xác định suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ g e thông qua đồ thị hình 3.2 hoặc áp dụng công thức (3.13).

Hình 3.3: Đồ thị cân bằng công suất của ôtô ứng với các hệ số cản  khác nhau của mặt đường

Sau khi tính toán trị số của các lực cản chuyển động F và F, ta thay các trị số ge, F, F vào phương trình (3.8) để xác định mức tiêu hao nhiên liệu Từ đó, chúng ta có thể xây dựng đường cong mức tiêu hao nhiên liệu của ôtô trong quá trình chuyển động ổn định.

Đồ thị đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ôtô khi chuyển động ổn định, như thể hiện trong hình 3.4, cho phép xác định mức độ tiêu hao nhiên liệu (l/100km) dựa trên các trị số  và v Qua phân tích đồ thị này, chúng ta có thể rút ra những nhận xét quan trọng về hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu của ôtô trong điều kiện vận hành ổn định.

Mỗi đường cong đồ thị có hai điểm đặc trưng quan trọng Điểm đầu tiên xác định mức tiêu hao nhiên liệu tối thiểu (qđmin) khi ôtô di chuyển trên đường với hệ số cản , với vận tốc tại điểm này được gọi là vận tốc kinh tế (v kt) Điểm thứ hai, nằm ở cuối đường cong, thể hiện lượng tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi hoạt động ở chế độ toàn tải (các điểm a, b, c) và tương ứng với vận tốc di chuyển lớn nhất của ôtô (v max) với các hệ số cản  khác nhau.

TÍNH TOÁN TIÊU HAO NHIÊN LIỆU THEO LÝ THUYẾT CHO MỘT MẪU XE THỰC TẾ

Phương pháp thực hiện tính toán tiêu hao nhiên liệu cho ô tô

Lựa chọn ô tô để tính toán có đầy đủ: Thông số động cơ, thông số hệ thống truyền lực, thông số lốp, thông số thân võ, khoản tải trọng

Để tính toán tiêu hao nhiên liệu của ô tô, bước đầu tiên là đưa ra các giả thuyết Tiêu hao nhiên liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện bên ngoài (mặt đường, môi trường) và bên trong (động cơ, hệ thống truyền lực) Do sự tác động của các yếu tố này, việc tính toán tiêu hao nhiên liệu trở nên phức tạp Để đơn giản hóa, cần cố định các yếu tố khác và chỉ tính toán khi xe chạy với vận tốc không đổi (v = const).

Lúc này phương trình cân bằng lực kéo là: F k = F f ∓ F i + F ω + F m

Phương trình cân bằng công suất là: P k = P f ± P i + P ω + P m

- Chọn giá trị tỉ trọng nhiên liêu (ρnl): Động cơ xăng = 0,75 kg/lít Động cơ Diêzen = 0,832 kg/lít

Các giá trị biến đổi là:

- Giá trị hiệu suất hệ thống truyền lực (ηtl ) = 0,85 ÷ 0,98

- Tải trọng xe m1, tải trọng hàng hoá m2

- Hệ số cản lăn fo với giá trị không dổi của k = 7.10 -6 (S 2 /m 2 )

- Hệ số cản không khí Cx (Ns 2 /m 4 )

- Điều kiện áp suất lốp cao có λ

- Tay số và tỉ số truyền hộp số ih

Tỉ số truyền vi sai io

Bước 2: Tính toán lực tác dụng lên ô tô

Phương trình cân bằng lực kéo là: F k = F f ∓ F i + F ω + F m

- Tính toán lực cản mặt đường 𝐅  = 𝐅 𝐟 ∓ 𝐅 𝐢

2 Tính lực cản leo dốc F i

Từ 1 và 2, => F  = mg{(f 0 + Kv 2 ) cos(α) + sin(α)} [N]

- Tính toán lực cản gió

- Tính toán lực cản rơ móc (nếu có)

F m = nQ [N] Trong đó: n – số rơ mốc được kéo

Q – trọng lượng một rơ móc

 - hệ số cản lăn toàn bộ mặt đường

Bước 3: Xác định công suất động cơ ở tay số nào đó i tl với vận tốc v = const

Từ các thông số hệ thống truyền lực của xe, ta có thể tính được tỉ số truyền ở một tay số nhất định (ih) cùng với tỉ số truyền của hộp số phụ (ip), bộ vi sai (i0) và truyền lực cạnh (ic) Công thức để tính tỉ số truyền hệ thống truyền lực tại tay số đó là: itl = ih * i0 * ic * ip.

Từ đó ta tính được tốc độ động cơ e theo từng tay số:

34 rb – bán kính bánh xe hay bán kính tính toán [m]

Mà: r = b  r o [m] r0 – bán kính thiết kế bánh xe λ là hệ số kể đến sự biến dạng của lốp λ=0,930,935 (cho lốp có áp suất thấp) λ=0,9450,95 (cho lốp có áp suất cao.)

Với bán kính thiết kế của bánh xe: 25, 4 o 2 r   h d h – chiều cao lốp [m] d – đường kính lazăng (mâm bánh xe) [inch]

Hình 4.1: Ý nghĩa các thông số trên lốp xe Ở hình trên ta đọc được con số P185/75R14 82S

P - Loại xe: Chữ cái đầu tiên cho ta biết loại xe có thể sử dụng lốp này P

Lốp "Passenger" được thiết kế cho các loại xe chở hành khách, trong khi các loại lốp khác bao gồm LT (Light Truck) dành cho xe tải nhẹ và xe bán tải, cùng với T (Temporary) là lốp thay thế tạm thời.

Chiều rộng lốp B là bề mặt tiếp xúc giữa lốp xe và mặt đường, được đo từ vách này đến vách kia tính bằng milimét (mm).

Tỷ số 75 là tỷ lệ giữa độ cao của thành lốp (h) và độ rộng bề mặt lốp (b) Cụ thể, tỷ lệ này được tính bằng cách lấy bề dày chia cho chiều rộng lốp Ví dụ, trong trường hợp này, bề dày của lốp đạt 75% so với chiều rộng lốp là 185.

Cấu trúc lốp xe chủ yếu là Radial, được ký hiệu bằng chữ R, và đây là loại lốp phổ biến nhất trên thị trường hiện nay Ngoài R, còn có một số ký hiệu khác như B, D, hoặc E, nhưng chúng rất hiếm gặp.

Đường kính la-zăng là yếu tố quan trọng, vì mỗi loại lốp chỉ tương thích với một kích cỡ la-zăng duy nhất Cụ thể, số 14 chỉ ra rằng đường kính la-zăng phù hợp là 14 inch.

82S - Tải trọng và tốc độ giới hạn: Nếu con số này nhỏ hơn tải trọng và tốc độ xe chạy là nguyên nhân dẫn đến nổ lốp xe

*Số 82 - Tải trọng lốp xe chịu được: Thông thường vị trí này có số từ 75 tới 105 tương đương với tải trọng từ 380 tới 925 kg

Lốp xe được chỉ định một chữ cái tương ứng với tốc độ tối đa mà nó có thể hoạt động bình thường, bên cạnh chỉ số tải trọng Cụ thể, với ký hiệu S, lốp xe có thể đạt tốc độ tối đa 180 km/h.

Cống suất động cơ tại vân tốc góc  e , P e (v) có thể xác định theo hai cách:

Cách 1 là dựa đồ thị đặc tính ngoài đông cơ với vận tốc góc ở v nào đó và tay số nào đó ta xác định công suất động cơ

Cách 2 là xác định Pe theo theo từng tay số dựa theo công thức S.R.Lây Đécman : n e 0ω e π

Các hệ số thực nghiệm cho động cơ được xác định như sau: Đối với động cơ xăng, các hệ số a, b, c đều bằng 1 Đối với động cơ điêzen 2 kỳ, a = 0,87, b = 1,13, c = 1 Đối với động cơ điêzen 4 kỳ có buồng cháy trực tiếp, a = 0,5, b = 1,5, c = 1 Đối với động cơ điêzen 4 kỳ có buồng cháy dự bị, a = 0,6, b = 1,4, c = 1 Cuối cùng, đối với động cơ điêzen 4 kỳ có buồng cháy xốy lốc, a = 0,7, b = 1,3, c = 1.

Bước 4: Xác định suất tiêu hao nhiên liệu có ích theo vân tốc g e (v)

- Xác định mức độ sữ dụng công suất động cơ theo vận tốc Y p (v)

Hệ số Ky phụ thuộc vào mức độ sử dụng công suất động cơ Yp và được xác định thông qua hàm thực nghiệm Ky(Yp) Để lựa chọn hệ số này, người dùng có thể tham khảo đồ thị liên quan.

Hình 4.2: Đồ thị hệ số ảnh hưởng đến mức độ sử dụng công suất [3]

- Xác định hệ số K ck

Vận tốc góc tại vị trí công suất cực đại là: ω e p =2 π n e p

Kck là hệ số phản ánh tỉ số giữa vận tốc góc của động cơ tại một vận tốc nhất định và vận tốc góc của động cơ ở công suất tối đa Hệ số này được xác định qua thực nghiệm và được biểu diễn thông qua đồ thị.

Hình 4.3: Đồ thị hệ số ảnh hưởng đến tốc độ giới hạn của động cơ e [3]

Tuỳ thuộc tỉ số ω e (v) ω e p ⇒ K ck (v)

- Suất tiêu hao nhiên liệu có ich g e (v) g e (v) = K y (v) K ck (v) g emin [ 𝑘𝑔

𝑘𝑊 ℎ] g emin – suất tiêu hao nhiên liệu có ích nhỏ nhất xác định theo đồ thị đặc tính ngoài động cơ

Bước 5: Xác định qd(v) và vẽ đồ thị q d (v) =0,36 g e (v) (F f (v) ∓ F i + F ω (v) + F m ) ρ nl η tl [ l

Tính toán tiêu hao nhiên liệu theo lý thuyết cho một mẫu xe thực tế

Lựa chọn ô tô để tính tiêu hao nhiên liệu là ô tô du lịch Toyota GT86 2013 Thông số xe: Đông cơ H4 với dung tích xy-lanh là 2.0 L;

Công suất cực đại Pemax = 147 kW tại 7000 vg/ph;

Momen xoắn cực đại Memax = 205 N.m tại 6600 vg/ph;

Trọng lượng xe không tải m1 = 1262 kg và có tải nhẹ ( một tài xế) là m1+m2 1350 kg;

Chuyển động thẳng đều với tốc độ v = Const;

Xe Toyota GT86 là xe du lịch loại thường nên hệ số cản không khí Cx 0,35÷0,5 ta chọn 0,3 Ns 2 /m 4

Xe chuyển động với hiệu suất truyền lực ηtl3 = 0.94;

Sữ dụng nhiên liệu xăng A95 với tỉ trong ρn ≈ 0.75 kg/l;

Sử dụng hộp số 6 cấp với tỉ số truyền các tay số là  1 = 3,54;  2 = 2,06;  3 = 1,4

 4 = 1;  5 = 0,74;  6 = 0,58 và tỉ số truyền cuối( vi sai)  0 = 4,1

Sử dụng lốp 215/45R17 Đồ thị đặc tính ngoài đông cơ là:

Hình 4.5: Đồ thị đặc tính ngoài của động cơ

Hình 4.6: Hình vẽ biểu diễn các thông sô kích thước bên ngoài của xe

Xây dựng đồ thị tiêu hao nhiên liệu qd(v) với sự biến đổi của hệ số cản lăn f0 Nghiên cứu này tập trung vào xe chạy trên đường bằng, không kéo rơ móc và không gia tốc.

Bước 1: Giả thuyết ban đầu:

Chọn giá trị hiệu suất hệ thống truyền lực (ηtl3 ) = 0.94

Chọn giá trị tỷ trọng nhiên liệu (ρnl) = 0.75 kg/lít

Chọn tay số tính toán là tay số 6

Xe chạy đêu trên đường bằng và không kéo rơ móc

Chọn hệ số cản lăn f01 = 0,01; f02 = 0,012; f03 = 0,023; f04 = 0,025; f05 = 0,05; f06 = 0,1; k = 7.10 -6 (S 2 /m 2 )

Bảng 4.1: Bảng hệ số cản lăn f0 ứng với V