Đặc tính công suất của động cơ

CHƯƠNG I: ĐỘNG LỰC HỌC TỔNG QUÁT CỦA ÔTÔ

CHƯƠNG 2. CÂN BẰNG CÔNG SUẤT, LỰC KÉO VÀ ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ô TÔ

2.1. Cân bằng công suất ôtô

2.1.1. Đặc tính công suất của động cơ

 Lịch sử phát triển ngành ô tô đã chứng kiến nhiều loại động cơ khác nhau dùng trên ô tô, nhưng hiện nay nguồn động lực chính dùng trên ô tô vẫn là động cơ đốt trong loại piston.vì vậy để xác định được lực và mô men tác dụng lên các bánh xe chủ động của ô tô cần phải nghiên cứu đường đặc tính tốc độ của động cơ đốt trong loại piston. Đường đặc tính tốc độ của động cơ là các đồ thị chỉ sự phụ thuộc của công suất có ích Ne, mô men xoắn có ích Me, tiêu hao nhiên liệu trong một giờ GT công suất tiêu hao nhiên liệu ge theo số vòng quay n hoặc theo tốc độ góc  của trục khuỷu.

 Có hai loại đường đặc tính tốc độ của động cơ : - Đường đặc tính tốc độ cục.

- Đường đặc tính tốc độ ngoài, gọi tắt là đường đặc tính ngoài của động cơ.

 Đường đặc tính tốc độ của động cơ nhận được bằng cách thí nghiệm động cơ trên bệ thử.

- Khi thí nghiệm động cơ trên bệ thử ở chế độ cung cấp nhiên liệu cực đại, tức là mở bướn ga hoàn toàn đối với động cơ xăng hoặc thanh răng của bơm cao áp ứng với chế độ cấp nhiên liệu hoàn toàn đối với động cơ Diezel chúng ta sẽ nhận được đặc tính ngoài của động cơ. Nếu bướn ga hoặc thanh răng ở vị trí trung gian thì sẽ nhận cá đường đặc tính cục bộ.như vậy đối với mỗi động cơ đốt trong sẽ có một đường đặc tính tốc độ ngoài và rất nhiều đường đặc tính cục bộ tùy theo vị trí của bướm ga hoặc vị trí thanh răng .

- Trên hình 2-1a trình bày đường đặc tính ngoài của động cơ xăng không có bộ phận hạn chế số vòng quay. Loại động cơ này thường được dùng trên ô tô du lịch và đôi khi được dùng trên ô tô hành khách.

Đồ án tốt nghiệp Trang 51 Hình 2-1. Đường đặc tính ngoài của động

cơ xăng (đặc tính công suất).

a) Không hạn chế số vòng quay.

b) Có hạn chế số vòng quay.

Số vòng quay nmincủa trục khuỷu là số vòng quay nhỏ nhất mà động cơ có thể làm việc ổn định ở chế độ toàn tải .

Khi tăng số vòng quay thì mômen và công suất của động cơ tăng nên (hình 2- 1a) mômen xoắn đạt giá trị cực đại Mmaxở số vòng quay nM và công suất đạt giá trị cực đại Nmax ở số vòng quay nN. Các giá trị Nmax, Mmax và số vòng quay tương ứng vớ giá trị trên nN và nM được chỉ dẫn trong các đặc tính kỹ thuật của động cơ . Động cơ ô tô làm việc chủ yếu trong vùng

nN - nN .

Khi tăng số vòng quay của trục khuỷu lớn hai giá trị nN thì công suất sẽ giảm, chủ yếu là do sự nạp hỗn hợp khi nến khi và do tăng tổn thất ma sát trong động cơ . ngoài ra khi tăng số vòng quay sẽ làm tăng tải trọng động gây hao mòn nhanh các chi tiết động cơ. Vì thế khi thiết kế ô tô du lịch thì số vòng quay của trục khuỷu động cơ tương ứng với tốc độ cực đại của ô tô trên đường nhựa tốt nằm ngang không vượt quá 10 /20 phần trăm so với số vòng quay nN.

Động cơ xăng đạt trong ô tô tải thường có bộ phận hạn chế số vòng quay nhằm lảm tăng tuổi thọ của động cơ. Bộ phận hạn chế số vòng quay làm giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ do đó công suất và mômen của động cơ sẽ giảm và quay số vòng quay của trục khuỷu sẽ ít hơn giá trị nN. Trên hình 2-1b trình bày đường dặc tính ngoài của động cơ xăng có bộ phận hạn chế số vòng quay. Đường đứt nét ứng với động cơ không có bộ phận hạn chế số vòng quay, còn đường nét đậm ứng với động cơ có bộ phận hạn chế số vòng quay.

Động cơ điêden được dùng trên ô tô tải, ô tô hành khách và ngày nay dùng cả trên ô tô du lịch. Động cơ điêden dùng trên ô tô được trang bị bộ điều tốc nhị chế hoặc đa chế.

Đồ án tốt nghiệp Trang 52 Hình 2-2 trình bày đường đặc tính ngoài của động cơ Diezel.

Ở hành trình không tải, động cơ có số vòng quay chạy không nc k. . Khi xuất hiện tải thì bộ điều tốc sẽ tăng lượng nhiên liệu cung cấp vào trong xy lanh động cơ, nhờ vậy công suất và mô men quay của động cơ tăng lên, đồng thời số vòng quay trục khuỷu động cơ giảm đi. Khi thanh răng của bơm cao áp dịch chuyển tới một vị trí tính toán nhất định (do tác dụng của bộ điều tốc). tương ứng với điểm tiêu hao nhiên liệu riêng ít nhất thì công suất của động cơ đạt giá trị cực đại (điểm b trên hình 2-2).

Hình 2-2. Đường đặc tính ngoài của động cơ Diezel.

Công suất cực đại của động cơ khi làm việc có bộ điều tốc được gọi là công suất định mức của động cơ Nn mômen xoắn ứng với công suất cực đại được gọi là mômen xoắn định mức Mn số vòng quay ứng với công suất cực đại được gọi là số vòng quay định mức nN. Khoảng biến thiên tốc độ nc k. nn phụ thuộc vào độ không đồng đều của bộ điều tốc.

Các đường đồ thị nằm trong khoảng tốc độ từ nc k. đến nn gọi là các đường đồ thị nằm trong khoảng tốc độ từ nn đến nM

gọi là các đường đồ thị không có điều tốc.

Ở vùng tốc độ từ nc k. đến nn các đường Ne

và Me có dạng đường thẳng . Thường đối với máy kéo động cơ làm việc ở gần vùng công suất định mức

 Ta có thể xây dựng các đường đặc tính nói trên nhờ công thức nghiệm của S.R.Lây Đécman. Việc sử dụng quan hệ giải tích giữa công suất , mômen xoắn với số vòng quay của động cơ theo công thức Lây Đécman để tính đặc tính ngoài bằng thực nghiệm , nhất là hiện nay việc sử dụng máy vi tính đã trở nên phổ cập.

Đồ án tốt nghiệp Trang 53

Công thức S.R.Lây Đécman có dạng sau : 2 3

max[ e ( e) ( e) ]

e

N N N

n n n

N N a b c

n n n

   ;kW (2.1)

Ở đây :

Ne, ne- công suất hữu ích của động cơ và vòng quay của trục khuỷu ứng với một điểm bất kỳ của đồ thị đặc tính ngoài;

Nmax, nN- công suất có ích cực đại và số vòng quay ứng với công suất nói trên;

a, b, c – các hệ số thực nghiệm được chọn theo loại động cơ như sau:

Đối với động cơ xăng : a = b = c = 1

Đối với động cơ xăng 2 kỳ : a = 0,87; b = 1,13; c = 1

Đối với động cơ điê den 4 kỳ có buồng cháy trực tiếp : a =0,5 ; b = 1,5 ; c = 1

Đối với động cơ ddie den 4 kỳ có buồng cháy dự bị : a = 0,6 ; b = 1,4 ; c = 1

Đối với động cơ dieden 4 kỳ có buồng cháy xoáy lốc : a = 0,7 ; b = 1,3 ; c = 1

Cho các trị số nekhác nhau , dựa theo công thức (2.1) sẽ tính được công suất Ne

tương ứng và từ đó vẽ được đồ thị Ne  f n( )e .

 Có các giá trị Nevà ne có thể tính được các giá trị mô men xoắn Mecủa động cơ theo công thức (2.2):

104

1, 047

e e

e

M N

 n ;Nm (2.2) Ở đây :

Ne- công suất động cơ ; kW

ne- số vòng quay của trục khuỷu ; v/phút

Me- mô men xoắn của động cơ ; N.m.

 Có các giá trị Ne,Me tương ứng với các giá trị neta có thể vẽ đồ thị

e ( )e

N  f n và Me f n'( )e .

Đồ án tốt nghiệp Trang 54 2.1.2. Phương trình cân bằng công suất của động cơ.

 Công suất của động cơ phát ra được tiêu tốn cho:

- Ma sát trong hệ thống truyền lực

- Khắc phục lực cản lăn Pf, lực cản không khí, lực cản dốc Pi, lực cản quán tính Pj

Biểu thức cân bằng giữa công suất phát ra của động cơ và các công cản được gọi là

‘‘Phương trình cân bằng công suất của ôtô’’ khi chuyển động.

 Phương trình cân bằng công suất tổng quát của ôtô được biểu thị như công thức (2.3):

Trong phương trình (2.3)

Ni có giá trị “+” khi ôtô chuyển động lên dốc

Ni có giá trị “-” khi ôtô chuyển động xuống dốc

Nj có giá trị “+” khi ôtô chuyển động tăng tốc

Nj có giá trị “-” khi ôtô chuyển động giảm tốc

N có giá trị “+” khi ôtô chuyển động không có gió và có gió ngược chiều hoặc cùng chiều gió nhưng vận tốc của ôtô lớn hơn vận tốc gió.

Ne = Nt + Nf + N Ni Nj ; kW (2.3) Trong đó :

Ne : công suất phát ra của động cơ Nt: công suất tiêu hao cho ma sát trong hệ thống truyền lực

Nf: công suất tiêu hao để thắng lực cản lăn

N: công suất tiêu hao để thắng lực cản không khí

Ni: công suất tiêu hao để thắng lực cản dốc

Nj: công suất tiêu hao để thắng lực cản quán tính

 Phương trình (2.3) được biểu thị sự cân bằng công suất tại bánh xe chủ động của ôtô như công thức (2.4):

Trong đó:

G : trọng lượng toàn bộ của ôtô f: hệ số cản lăn

v: vận tốc của ôtô

: góc dốc của mặt đường

Nk =Ne - N t = Nf - N Ni Nj

Ta có :

Nk = Ne- Nt = Net

) 1

( t

e t e e

t N N N

N     

 ;kW (2.4)

Ở đây :

Nk : công suất của động cơ phát ra tại các bánh xe chủ động.

Đồ án tốt nghiệp Trang 55 W: nhân tố cản không khí

m = G/g: khối lượng của ôtô g : gia tốc trọng trường j: gia tốc của ôtô

i: hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay

t : hiệu suất của hệ thống truyền lực Ta có : Ni Gvsin

v g j

Nj G i (2.5)

 cos fvG

Nf  (2.6) Wv3

N  (2.7)

 Thay các giá trị Nt, Nf, Nw, Ni, Nj vào phương trình (2.3). Ta có:

sin 3

cos )

1

( j v Wv

g Gv G

Gfv N

Ne  e t    i  ) sin

cos

1 ( 3

Wv v g j Gv G

Gfv

N i

t

e    

   



;kW (2.8)

 Khi ôtô chuyển động trên đường bằng, không có gia tốc tức là  = 0, j = 0,Ta có phương trình cân bằng công suất có dạng sau:

) 1 (



  N N

N N N

N f

t f

t

e     

)

1 ( 3

Wv Gfv

N

t

e  

  ;kW (2.9)

 Ở phương trình (2.3) ta có : )

(Nf Ni được gọi là công tiêu hao tổng cộng để thắng lực cản tổng cộng của mặt đường. Ký hiệu là : N

i

f N

N

N  

 

; kW (2.10) Ta có :   f i : được gọi là hệ số cản tổng cộng.

Trong đó :

f : hệ số cản lăn i : góc dốc

2.1.3. Đồ thị cân bằng công suất của ôtô.

 Từ phương trình cân bằng công suất của ôtô ta xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa công suất của động cơ và công tiêu hao đẻ thắng lực cản trong quá trình ôtô chuyển động theo vận tốc của ôtô, có dạng : N = f(v)

- Ta có thể xác định được số vòng quay của trục khuỷu động cơ ne qua vận

Đồ án tốt nghiệp Trang 56 tốc của ôtô và ngược lại. Vì giữa chúng

có mối quan hệ phụ thuộc bậc nhất, được biểu thị bằng công thức:

Hình 2-3. Đồ thị cân bằng công suất của ôtô.

s m i

r v n

t b

e ;

60 2

 (2.11) Trong đó:

ne : số vòng quay trục khuỷu động cơ (v/ph)

rb : bán kính bánh xe (m)

it : tỉ số truyền của hệ thống truyền lực

 Do đó ta cũng có thể biểu thị công suất theo số vòng quay của trục khuỷu động cơ tức là: N = f (ne)

 Đồ thị biểu thị quan hệ giữa công suất phát ra của động cơ và các công cản trong quá trình ôtô chuyển động phụ thuộc vào vận tốc của ôtô hoặc số vòng quay của trục khuỷu động cơ được gọi là

‘‘đồ thị cân bằng công suất của ôtô ’’

 Ta có đồ thị cân bằng công suất như hình vẽ. Với giả sử đây là đồ thị của hộp số có 3 cấp số I, II, III tương ứng với số vòng quay trục khuỷu là neI, neII, neIII

 Trên đồ thị ta đặt:

- Trục hoành các giá trị của :

+ Vận tốc chuyển động của ôtô v (m/s) + Số vòng quay trục khuỷu ne (v/p) - Trục tung các giá trị của:

+ Công suất phát ra của động cơ Ne

+ Công suất phát ra tại bánh xe chủ động Nk

 Nếu







 const const f

 và ôtô chuyển động với v16,722(m/s) khi đó ta có phương trình của công suất tiêu hao để thắng các lực cản tổng cộng của mặt đường N là:



 N N f.G.cos.v G.v.sin

N  t  i  

f G G v N  . .cos  .sin

 ; Kw

(2.12)

Đồ án tốt nghiệp Trang 57

 Nếu f thay đổi và phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của ôtô thì đồ thị Nlà

một đường cong dạng: N  f v

 Đồ thị công suất cản của không khí

Nlà là một đường cong bậc ba phụ thuộc vào vận tốc v:

.v3

W N 

Hình 2-4. Đồ thị cân bằng công suất của ôtô.

- Tổng 2 đường cong N Nđược

gọi là đường cong tổng công suất cản khi ôtô chuyển động.

- Ứng với các vận tốc khác nhau thì ta được các tung độ giới hạn bởi đồ thị

N Nvà trục hoành sẽ được công suất tiêu hao để thắng được sức cản của mặt đường và sức cản không khí.

- Gọi A là giao điểm giữa đường cong công suất Nk với đường cong N N. Tại A thì ôtô đạt vận tốc lớn nhất vmax

- Xét tỷ lệ công suất khi ôtô chuyển động với vận tốc v1 < vmax

Nhìn vào đồ thị ta thấy:

Để ôtô chuyển động với vận tốc v1 thì người lái cần phải giảm ga hoặc trả bớt thanh răng về nhằm giảm Nk giảm xuống để cho đường cong Nk cắt đường cong(N+N) tại điểm A’

2.1.4. Mức độ sử dụng công suất của động cơ.

 Từ đồ thị cân bằng công suất của ôtô ta nhận thấy sử dụng công suất động cơ hiệu quả nhất là vùng bên trái điểm A giúp cho tuổi thọ của động cơ tăng, giảm tiêu hao nhiên liệu, công suất sử dụng an toàn trong khi ôtô chuyển động. Do vậy người ta đưa ra khái niệm “Mức độ sử dụng công suất của động cơ”

Đồ án tốt nghiệp Trang 58 - Mức độ sử dụng công suất của động

cơ là tỷ số công suất cần thiết để ôtô chuyển động đều với công suất của động cơ phát ra tại các bánh xe chủ động Nk khi mở hoàn toàn bướm ga hoặc kéo hết thanh răng nhiên liệu.

t e k

N N

N N N

N Y N











.

 

  (2.13)

Trong đó:

YN: Mức độ sử dụng công suất của động cơ

N: Công suất tiêu hao cho lực cản của mặt đường

N: Công suất tiêu hao cho lực cản không khí

Nk: Công suất động cơ phát ra tại bánh xe chủ động

Ne : Công suất có ích của động cơ

t : Hiệu suất của hệ thống truyền lực

 Qua biểu thức ta thấy mức độ sử dụng công suất càng nhỏ khi:

- Chất lượng mặt đường càng tốt( giảm) - Vận tốc của ôtô v càng nhỏ

 Ví dụ: Trên hình vẽ ta thấy ở vận tốc v’ là khi ôtô chuyển động đều ta có : (N +N)=N1

Công suất phát ra tại bánh xe chủ động khi mở hoàn toàn bướm ga hoặc kéo hết thanh răng là N’kIII (ở số truyền thẳng), ở số hai là N’kII

- Mức độ sử dụng công suất động cơ ở số truyền thẳng là:

' 1 kIII

NIII N

Y  N

- Mức độ sử dụng công suất động cơ ở số 2 là:

' 1 kII

NII N

Y  N

Nhưng nhìn trên đồ thị ta thấy:

N’kIII< N’kII

=> YNII<YNIII