sử dụng phần mềm ESP xem xét sự thay đổi của valve program ẢNH HƯỞNG đến công suất, momen xoắn và suất tiêu hao nhiên liệu của toyota camry 2.5Q

sử dụng phần mềm ESP xem xét sự thay đổi của valve program ẢNH HƯỞNG đến công suất, momen xoắn và suất tiêu hao nhiên liệu của toyota camry 2.5Q 1.2.Các bước thiết lập trên phần mềm 1.2.1.Thiết lập cho xupap nạp trong ESPCAM 1.2.1.1.Thiết lập các thông số cho biên dạng xupap nạp Sau khi khởi chạy, bấm “Continue” để tiếp tục sử dụng chương trình. Trong mục “Task” có 2 tùy chọn: chỉnh sửa một tập tin .ESV (chọn “Edit”) hoặc tạo chương trình mới với số điểm được nhập vào (chọn “Create new program…”). Ở đây do chưa có tập tin cũ để chỉnh sửa nên chọn Create new program, và chọn là 13 điểm. Số điểm này chính là những vị trí khác nhau của xú páp tương ứng với góc quay của trục khuỷu. Những điểm này tập hợp lại tạo thành đường cong biểu diễn độ nâng xú páp theo thời gian.

Thông số động cơ Toyota Camry 2.5Q

STT Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Ghi chú

1 Kiểu động cơ Động cơ xăng

4 Thể tích công tác 2494 cc

7 Góc mở sớm xupap nạp α 1 3 0 Độ BTDC

8 Góc mở sớm xupap xả β 1 60 0 Độ BBDC

Góc đóng muộn xupap nạp α 2 61 0 Độ ABDC

Góc đóng muộn xupap xả β 2 4 0 Độ

11 Công suất cực đại 134 kW Ở 6000v/p

12 Mô mon xoắn cực đại T 235 N.m Ở 4100v/p

14 Góc đánh lửa sớm 20 Độ

15 Chiều dài thanh truyền 198 mm

16 Độ nâng tối đa của xupap nạp và xupap xả

Các bước thiết lập trên phần mềm

Thiết lập cho xupap nạp trong ESPCAM

1.2.1.1 Thiết lập các thông số cho biên dạng xupap nạp

 Sau khi khởi chạy, bấm “Continue” để tiếp tục sử dụng chương trình.

 Trong mục “Task” có 2 tùy chọn: chỉnh sửa một tập tin ESV (chọn “Edit”) hoặc tạo chương trình mới với số điểm được nhập vào (chọn “Create new program…”) Ở đây do chưa có tập tin cũ để chỉnh sửa nên chọn Create new program, và chọn là 13 điểm Số điểm này chính là những vị trí khác nhau của xú páp tương ứng với góc quay của trục khuỷu Những điểm này tập hợp lại tạo thành đường cong biểu diễn độ nâng xú páp theo thời gian.

Hình 1.1 Nhập số điểm cần tính toán

 Sau khi chọn 13 điểm xong ta chọn Do task để tiếp tục Trong mục Valve program construction/output ta chọn Valve program để nhập các giá trị độ nâng xupap được tính trước trong excel theo công thức:

2 [1 - cos 360 θ (θ cr − θ op ) cl −θ op ]

- L là độ nâng xú páp tại góc mở θ cr

- L max là độ nâng tối đa của xupap.

- θ cr là góc quay tức thời của trục khuỷu

- θ op là góc xupap bắt đầu mở Thông thường chúng ta chọn giá trị là 0.

- θ cl là góc xú páp đóng.

Hình 1.2 Góc mở sớm đóng muộn xupap nạp và xả

Hình 1.3 Nhập bảng độ nâng xupap nạp

 Giá trị độ nâng của xupap nạp sau khi tính trong excel để nhập vào phần mềm

Hình 1.4 Kết quả tính độ nâng xupap thay đổi theo góc quay trục khuỷu

Hình 1.5 Độ nâng sau khi nhập vào bảng

 Sau khi nhập xong bảng độ nâng xupap thì ta tiến hành lưu tệp tin Ở mục

“Output file options” , có thể đồng thời tạo các tập tin Matlab (xuất kết quả dưới dạng đồ thị), tập tin có đuôi PRN (xuất kết quả dưới dạng văn bản) và tập tin có đuôi ESV (dùng trong ESP) bằng cách chọn vào ô vuông bên trái. Sau đó nhấn Save indicated files để lưu file.

1.2.1.2 Xuất kết quả tính toán Để xem kết quả dưới dạng văn bản, từ màn hình làm việc của ESPCAM, chọn

FileImport text filechọn tập tin có đuôi PRN Kết quả được xuất ra như bên dưới

Hình 1.6 Xuất kết quả dưới dạng văn bản

Tương tự, để xuất tập tin Matlab, chọn FileImport ESP Matlab filechọn tập tin; hoặc từ thanh công cụ nhanh, chọn và chọn tập tin.

Hình 1.7 Xuất kết quả dạng đồ thị

Thiết lập cho xupap xả trong ESPCAM

1.2.2.1 Thiết lập các thông số cho biên dạng xupap xả

 Trong mục “Task” có 2 tùy chọn: chỉnh sửa một tập tin ESV (chọn “Edit”) hoặc tạo chương trình mới với số điểm được nhập vào (chọn “Create new program…”) Ở đây do ở trên ta đã tạo cho xupap nạp rồi nên ta chọn

“Edit”, sau đó ta chọn tệp tin mới tại lúc nảy và ta sửa lại các thông số của xupap xả

Hình 1.8 Độ nâng xupap xả sau khi nhập vào bảng Độ nâng xupap xả tính ở excel để chỉnh sửa

Hình 1.9 Kết quả tính độ nâng xupap thay đổi theo góc quay trục khuỷu

 Sau khi nhập xong bảng độ nâng xả thì ta tiến hành lưu tệp tin Ở mục

“Output file options” , có thể đồng thời tạo các tập tin Matlab (xuất kết quả dưới dạng đồ thị), tập tin có đuôi PRN (xuất kết quả dưới dạng văn bản) và tập tin có đuôi ESV (dùng trong ESP) bằng cách chọn vào ô vuông bên trái. Sau đó nhấn Save indicated files để lưu file.

Hình 1.10 Lưu kết thông số sau khi nhập vào bản g

1.2.2.2 Xuất kết quả tính toán

 Để xem kết quả dưới dạng văn bản, từ màn hình làm việc của ESPCAM, chọn FileImport text filechọn tập tin có đuôi PRN Kết quả được xuất ra như bên dưới (xupap xả).

Hình 1.11 Xuất kết quả dạng văn bản

 Tương tự, để xuất tập tin Matlab, chọn FileImport ESP Matlab filechọn tập tin; hoặc từ thanh công cụ nhanh, chọn và chọn tập tin.

Hình 1.12 Xuất kết quả dạng đồ thị

Thiết lập trong ESPJAN

1.2.3.1 Thiết lập các thông số trong phản ứng

Sau khi khởi chạy, chương trình sẽ xuất hiện thông tin về chương trình và tác giả Bấm “Continue” để tiếp tục.

Chương trình sẽ hỏi người dùng có muốn đọc bản hướng dẫn tóm tắt hay không, chọn “Yes” nếu có và “No” nếu không Ở đây chúng ta chọn không

Sau đó ta chọn “Select reatant species” để chọn chất phản ứng Nhiên liềụ sử dụng cho động cơ là xăng nên ta chọn là xăng và (O2 + 3,76N2) là hỗn hợp không khí.

Hình 1.13 Chọn chất phản ứng

Khi đã xác định được chất phản ứng, chúng ta bấm “Proceed to fuel identification” để qua bước tiếp theo.

Hình 1.14 Chọn chất làm nhiên liệu

Sau khi chọn chất làm nhiên liệu là C7H16 (xăng), bấm “Proceed to reactant moles specification” để đặt số mole cho chất phản ứng Số mole được lấy từ phương trình phản ứng ở trên

Hình 1.15 Đặt số mole cho chất phản ứng

Sau khi nhập mỗi thông số, chúng ta cần bấm “Enter” trên bàn phím để xác nhận việc nhập đã hoàn tất.Tiếp theo, bấm “Proceed to product species selection” để chọn chất làm sản phẩm.

Hình 1.16 Chọn chất làm sản phẩm

Sản phẩm ở đây chính là những thành phần chính có trong khí xả Khi đã chọn chất làm sản phẩm, ta bấm “Proceed to final data input” để qua bước cuối cùng.

1.2.3.2 Xuất kết quả mô phỏng

Trong mục “Final data”, lần lượt điền các thông số: áp suất của chất phản ứng, áp suất của sản phẩm, tên của mô phỏng và tên của tệp tin có đuôi ESJ để sử dụng cho ESP.

Trong mục “Print file”, chúng ta chọn đường dẫn để lưu lại kết quả “Write properties to …” Cuối cùng, bấm “Calculate the properties” để lưu các tập tin

Chương trình sẽ lần lượt lưu từng tập tin trong trường hợp có 2 tập tin cần lưu Chúng ta cần bấm “continue” sau mỗi lần chương trình lưu được một tập tin.

Hình 1.17 Chọn áp suất và lưu tệp tin

Tập tin có đuôi OUT (như KQ.OUT) có thể được mở trong ESPJAN bằng cách: trong màn hình chính của ESPJAN, chọn File import text file KQ.OUT; hoặc từ thanh   công cụ nhanh chọn , rồi chọn tập tin KQ.OUT.

Kết quả xuất ra được thể hiện ở hình dưới đây, bao gồm thành phần và các đặc tính của nhiên liệu và sản phẩm.

Hình 1.18 Kết quả của chương trình

Thiết lập trong chương trình chính ESP

Sau khi khởi chạy, chương trình sẽ xuất hiện thông tin về chương trình và tác giả Bấm “Continue” để tiếp tục.

Hình 1.19 Màn hình sau khi khởi chạy chương trình

Chương trình sẽ hỏi người dùng có muốn đọc bản hướng dẫn tóm tắt hay không, chọn “Yes” nếu có và “No” nếu không Ở đây chúng ta chọn không

Sau đó, chương trình sẽ tự động tải tập tin SETUP.ESS - tập tin chứa các thông số của động cơ đã được chương trình thiết lập sẵn Nhấp "Continue" để tiếp tục thực hiện các bước tiếp theo.

When using another ESS file, select "Use another setup file." To create a new file, select "Create totally new setup." This guide will focus on editing an existing file.

Hình 1.21 Khu vực làm việc của chương trình

1.2.4.2 Thiết lập các thông số của động cơ

 Thiết lập các thông số hoạt động " Operating Parameters ”

Trong mục này, ta cài đặt các thông số:

- Nhập tốc độ quay trục khuỷu là 6000 (vòng/ phút) tại ô “revolutions per minute”

- Nhập góc đánh lửa sớm 20 độ tại ô “Ignition at…” trong mục “Firing”

- Nhập các thông số điều kiện môi trường xung quanh trong mục “Ambient

Conditions”: áp suất nạp 1atm (intake ambient pressure) và áp suất xả 1atm (exhaust ambient pressure) đều được tính bằng đơn vị atm, điều kiện nhiệt độ 305 0 K (ambient temperation).

Hình 1.22 Thống số hoạt động và điều kiện môi trường

- Chúng ta có thể lựa chọn sử dụng xú páp EGR hay không trong mục “EGR” bằng cách cài đặt thông số phần trăm khối lượng khí thải hồi về (mass percent EGR) và nhiệt độ hồi về 305 0 K (EGR return temperature).

- Trong mục “Valve Control” lần lượt cài đặt các thông số góc quay của trục khuỷu từ trên xuống: góc mà xupap nạp mở 357 độ, góc mà xupap nạp đóng 601 độ, góc mà xú páp xả mở 120 độ, góc mà xupap xả đóng 364 độ Hai thông số dưới cùng là số phần trăm tối đa mà xupap nạp (intake) và xả (exhaust) có thể mở.

Hình 1.23 Cài đặt thông số EGR và điều khiển xú páp

 Thiết lập các thông số hình học động cơ “Engine Geometry”

Cài đặt các thông số:

- Nhập phương thức hoạt động của xupap nạp:sử dụng tập tin có đuôi ESV đã được tạo bởi chương trình ESPCAM bằng cách chọn “Use…” rồi bấm biểu tượng để tìm kiếm tập tin

- Nhập phương thức hoạt động của xupap xả tương tự xupap nạp trên.

Hình 1.24 Nhập phương thức hoạt động của xú páp nạp và xả

- Nhập diện tích (m 2 ) tối đa mà dòng khí đi qua xupap nạp (intake) và xả

(exhaust) trong mục “Valve Reference Areas”

- Trong mục “Piston/Cylinder”, lần lượt nhập các thông số: đường kính xilanh 0,09 (mét), tỉ số nén 10,4, hành trình của piston 0,098 (mét); trong mục “Piston program” lựa chọn kiểu động cơ: động cơ thông thường (conventional) với chiều dài thanh truyền là 0.198m (rod length).

Hình 1.25 Cài đặt thông số xupap và piston

C ài đặt thông số mô hình trong mục “Model Parameters”:

- Chọn thông số đặc tính nhiên liệu trong “Gas Properties” bằng cách sử dụng tập tin có đuôi ESJ đã được tạo bởi ESPJAN hoặc sử dụng thông số có sẵn của chương trình.

- Đặt thông số dòng khí qua xú páp trong mục “Valve flow model”: hệ số nạp của xú páp nạp (intake valve) và xú páp xả (exhaust valve) khi đi vào và khi hồi về

Hình 1.26 Cài đặt thông số nạp và xupap

- Trong mục mô hình truyền nhiệt “Heat Transfer Model”: cài đặt số “Stanton” cho quá trình nén (compresstion), quá trình cháy cho khí không cháy, quá trình cháy cho khí đã cháy, quá trình giãn nở,truyền nhiệt trong xilanh, truyền nhiệt từ dòng xú páp nạp, truyền nhiệt từ dòng xú páp xả; tỉ số vùng nhiệt trên điểm chết trên với diện tích mặt cắt ngang của xy lanh, vùng nhiệt ở dòng khí nạp với diện tích mặt cắt ngang của xy lanh, vùng nhiệt ở dòng khí xả với diện tích mặt cắt ngang của xy lanh; nhiệt của vòng đệm/piston/nắp máy, nhiệt của dòng xú páp nạp, nhiệt của dòng xú páp xả tính theo độ K.

Hình 1.27 Cài đặt kiểu truyền nhiệt

- Cài đặt mô hình dòng chuyển động trong mục “Turbulence Model”: Tỉ số động năng của dòng cản đi vào với động năng của dòng thực tế, của dòng xả với dòng hồi về; yếu tố cản trở phân tán trong suốt quá trình nén, cháy, giãn nở và trao đổi khí; yếu tố cản trở sinh ra trong suốt quá trình nén, cháy, giãn nở và trao đổi khí.

Hình 1.28 Cài đặt mô hình dòng chuyển động

- Cài đặt kiểu ngọn lửa tại “Flame Geometry Table”: có thể sử dụng tập tin có đuôi ESF nếu đã có, hoặc chọn thông số của chương trình ở “Cylindrical burn”, hoặc tạo tập tin có đuôi ESF mới bằng cách chọn vào “Flame Geometry Table”

- Nhập thông số lượng thể tích chứa khí đã cháy ở cột thứ nhất, lượng nhiệt ở phần đã cháy tại điểm chết trên ở cột thứ hai, tỉ số của vùng cháy tại điểm chết trên với diện tích mặt cắt ngang của xy lanh ở cột còn lại

- Sau khi nhập bảng, ta tiến hành lưu tập tin dưới định dạng ESF ở bên dưới.

Hình 1.29 Tạo tập tin ESF

Cài đặt mô hình lan truyền ngọn lửa tại “Flame Propagation Model” gồm các thông số: khối lượng đã cháy khi đánh lửa, tốc độ màng lửa (m/s), tỉ số tốc độ lan truyền màng lửa trên vận tốc lan truyền, lượng nhiên liệu đã cháy (hiệu suất buồng đốt).

Hình 1.30 Cài đặt mô hình lan truyền ngọn lửa

- Chúng ta có thể chọn kiểu động cơ có cổ góp nạp trong “Intake manifold model” tại mục “Manifold included”:

 Entrance blockage for intake feeder: diện tích cửa vào ống góp chung

 Discharge blockage fraction for intake feeder: diện tích cửa ra ống góp chung

 Entrance blockage fraction for intake runner: diện tích cửa vào ở ống góp mỗi xy lanh

 Friction factor for inlet feeder: yếu tố ma sát đối với đường nạp vào

 Friction factor for inlet runner: yếu tố ma sát ở ống góp mỗi xy lanh

 Length of the intake feeder: chiều dài của ống góp chung

 Length of the intake runner: chiều dài của ống góp ở mỗi xy lanh

 Diameter of the intake feeder: đường kính tại ống góp chung

 Diameter of the intake runner: đường kính tại ống góp ở mỗi xy lanh

 Volume of intake junction: thể tích tại điểm nối ống góp nạp

 Number of inlet runners from feeder: số lượng ống góp xy lanh từ đường vào

Hình 1.31 Thiết lập thông số cổ góp nạp

- Tương tự, chọn kiểu động cơ ống góp thải trong “Exhaust manifold model” với ý nghĩa các thông số như ở ống góp.

Hình 1.32 Thiết lập thông số cổ góp xả

 Lưu tập tin dưới định dạng ESS tại mục “ Setup file save option”

Hình 1.33 Lưu tệp tin dạng ESS

Sau khi chọn cách lưu tập tin, bấm “Execute selected run task” để tiếp tục.

 Xuất kết quả mô phòng và tính toán Để chạy thử chương trình,chọn và nhập số chu kỳ vào chỗ trống.

Sau khi thực hiện bước trên ta tiếp tục nhấn “Execute selected run task” để chạy kết quả

Hình 1.35 Xuất kết quả các điểm dạng văn bản

Sau khi chạy kết quả ta chọn continue để tiếp tục để thực hiện các bước khác như: vẽ đồ thị P-V (Plot output from last cycle) Để vẽ đồ thị P-V t chọn “Plot output from last cycle” trong mục “Run task Option” Trong mục “Plot output from last cycle” ta chọn

“Indicator (P-V) Diagram” Trong “Indicator (P-V) Diagram” ta lưu tệp tin dưới dạng M để xuất kết quả đồ thị Matlab.

Hình 1.36 Xuất tệp tin dạng M

Sau đó ta nhấn “Execute selected run task” để chạy kết quả Để xuất đồ thị P-V ta chọn và chọn tệp mới vừa lưu lúc nảy và ta thu được kết quả

Hình 1.37 Kết quả đồ thị P-V của góc mở sớm 3 o BTDC của xupap nạp

Thay đổi góc mở sớm đóng muộn của xuppap nạp và xuppap xả

Thay đổi góc mở sớm thành 5 o BTDC đóng muộn thành 59 o ABDC của xupap nạp, thay đổi góc mở sớm thành 61 o BBDC đóng muộn thành 5 o ATDC của xupap xả

Các bước thiết lập trên ESPCAM và ESP cũng tương tự như ở trên ta thu được đồ thị P-V như sau:

Hình 1.38 Kết quả đồ thị P-V của góc mở sớm 5 o BTDC của xupap nạp

Đồ thị P-V và đồ thị các đường đặc tính ngoài của động cơ

Góc mở sớm xupap nạp 3 o BTDC đóng muộn 61 o ABDC, góc mở sớm 60 o

60 o BBDC đóng muộn 4 o ATDC của xupap xả

Hình 1.39 Đồ thị công chỉ thị

Hình 1.40 Đồ thị đặc tính ngoài động cơ

Góc mở sớm xupap nạp 5 o BTDC đóng muộn 59 o ABDC, góc mở sớm 61 o

61 o BBDC đóng muộn 5 o ATDC của xupap xả

Hình 1.41 Đồ thị công chỉ thị

Hình 1.42 Đồ thị đặc tính ngoài động cơ

Nhận xét

- Với đồ thị công P-V, áp suất cực đại của động cơ với góc mở sớm xupap nạp 3 o BTDC đóng muộn 61 o ABDC, góc mở sớm 60 o BBDC đóng muộn 4 o

ATDC của xupap xả khoảng 8,5MPa cao hơn so với áp suất cực đại khoảng

7.5MPa của động cơ với góc mở sớm xupap nạp 5 o BTDC đóng muộn 59 o ABDC, góc mở sớm 61 o BBDC đóng muộn 5 o ATDC của xupap xả.

- Momen xoắn của động cơ ở số vòng quay là 6000 vòng/phút đối với góc mở sớm xupap nạp 3 o BTDC đóng muộn 61 o ABDC, góc mở sớm 60 o BBDC đóng muộn 4 o ATDC của xupap xả là khoảng 110 N.m, trong khi đó với góc mở với góc mở sớm xupap nạp 5 o BTDC đóng muộn 59 o ABDC, góc mở sớm 61 o BBDC đóng muộn 5 o ATDC của xupap xả là khoảng 55 N.m.

Công suất cực đại đạt 90 HP khi góc mở sớm xupap nạp là 3 độ BTDC, đóng muộn 61 độ ABDC, góc mở sớm xupap xả là 60 độ BBDC và đóng muộn 4 độ ATDC Tuy nhiên, nếu điều chỉnh góc mở sớm xupap nạp thành 5 độ BTDC, đóng muộn 59 độ ABDC, góc mở sớm xupap xả thành 61 độ BBDC và đóng muộn thì kết quả vẫn tương đương.

5 o ATDC của xupap xả là khoảng 50 HP.

- Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở số vòng quay là 6000 vòng/phút đối với góc mở sớm xupap nạp 3 o BTDC đóng muộn 61 o ABDC, góc mở sớm 60 o BBDC đóng muộn 4 o ATDC của xupap xả là khoảng 4 mg/KW, trong khi đó với góc mở sớm xupap nạp 5 o BTDC đóng muộn 59 o ABDC, góc mở sớm 61 o BBDC đóng muộn 5 o ATDC của xupap xả là khoảng 6 mg/KW.

Vì vậy, ta có thể thấy việc điều đổi góc mở sớm đóng muộn của xupap nạp, xả là rất quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp đến công suất động cơ, momen xoắn, suất tiêu hao nhiên liệu Vì thế ta cần tính toán thật kỹ lưỡng về việc thay đổi góc mở sớm đóng muộn của xupap nạp và xả để đảm bảo động cơ đạt được công suất tối đa, momen xoắn lớn nhất và suất tiêu hao nhiên liệu là ít nhất có thể.