Các Nguồn năng lượng dùng trên ô tô | Môn Công nghệ Kỹ thuật Ô tô Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh

Chương 1
CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG DÙNG TRÊN Ô TÔ
Mục đích: Trong chương này, chúng ta khảo sát các đặc tính của
động cơ theo quan điểm coi động cơ là nguồn sức kéo của ô tô. Các phân
tích phần lớn tập trung vào các loại động cơ t
đố trong kiểu piston.
Mục tiêu: Sau khi học xong chương này, các sinh viên có khả năng:
 Trình bày được những yêu cầu i đố với ng c độ ơ dùng trên ô tô.
 Nêu được các khái niệm về đặc tính công suất của ng c độ ơ.
 Vẽ được các đường đặc tính ngoài của động cơ đốt trong trên ô tô.
 Áp dụng được công thức S.R.Lây Đécman để xây dựng đường
đặc tính ngoài của động cơ.
 Trình bày được đặc tính tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất của động cơ.
 Vẽ và giải thích được đường đặc tính lý tưởng của ng độ cơ dùng trên ô tô. 1.1. NHỮNG YÊU CẦU I
ĐỐ VỚI ĐỘNG CƠ DÙNG TRÊN Ô TÔ
Động cơ dùng trên ô tô phải đáp ứ đượ ng c các yêu cầu sau:
Cung cấp cho xe một công suất cần thiết đủ để khắc phục các lực
cản chuyển động và thay đổi được vận tốc của xe theo yêu cầu.
Phải có hiệu suất lớn nhất có thể được.
Lượng nhiên liệu tiêu hao càng ít càng tốt.
Có khối lượng và thể tích nhỏ nhất. Phải có b độ ền và t
độ in cậy cao khi làm việc.
Tạo điều kiện dễ dàng cho công việc bảo dưỡng và s a ữ chữa.
Phải giảm tối đa lượng khí thải độc hại và tiếng ồn.
Có giá thành thấp để tăng tính cạnh tranh trên thị trường. 5
1.2. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ T ĐỐ TRONG
1.2.1.Đặc tính công suất
Để xác định được lực hoặc mômen tác dụng lên các bánh xe chủ
động của ô tô, chúng ta cần ả
ph i nghiên cứu đặc tính công suất của động
cơ đốt trong loại piston. c
Đặ tính công suất mô tả quan hệ gi a ữ công suất
Pe và hai thành phần của nó là mômen Me và tốc độ góc e (hay số vòng
quay ne). Thông thường nó được biểu diễn qua đặc tính tốc độ của mômen M ( ( e
e) hay đặc tính tốc độ của công suất Pe e). Mối quan hệ giữa P , e, Me
e được biểu diễn theo công thức: Pe = Me e (1.1)
Me – Mômen xoắn của động c . ơ
Pe – Công suất của động cơ.
e – Vận tốc góc của động cơ.
Thông thường chúng ta hay sử dụng đặc tính Pe, Me( 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 là một điểm trên đặc tính ngoài, thông thường
ứng với công suất cực đại, lúc đó các thông số có ký hiệu: P p p emax, Me , e . Chế độ mômen xoắn c c ự đại n
ứ g với các thông số P m m e , Memax, e và ta
có một số khái niệm sau đây:
Hệ số đàn hồi (thích ng) ứ
của động cơ theo mômen: M K emax m = (1.2) p M e
Memax – Mômen xoắn cực đại của ng c độ ơ. Km
– Hệ số thích ứng của động c t ơ heo mômen.
Đối với từng loại động cơ, hệ số thích n
ứ g theo mômen có giá trị sau: Động cơ ă x ng: K m = 1,1 ÷ 1,35
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 ng) ứ theo tốc độ: m ω K e n = (1.3) P ωe 6
Ở chế độ danh định, khi biết Km thì: P Memax = Km. P M = K emax e m (1.4) P ω e
Ta xây dựng đường đặc tính bằng cách thử động cơ trên bệ thử
trong các điều kiện thử xác định, nhưng công suất động cơ trên bệ th ử khác với công suất s
ử dụng thực tế của động cơ đặt trên xe. Vì vậy, ta
đưa ra thông số hệ số công suất hữu ích η p: P = P’ηp (1.5)
P’ – Công suất thử.
P – Công suất thực tế. ’ ’’ Với: ηp = ηpη p (1.6) η ’
p = 0,92 ÷ 0,96 – Đặc trưng cho sai biệt công suất do thay i
đổ một số trang bị của động cơ khi thử. η ’’
p – Đặc trưng cho ảnh hưởng của môi trường khi thử. Động cơ diesel: η ’’ p = 1 q 293 Động cơ xăng: η ’’ p = 1 , 0 01 273 t
Với: q (MPa), t (0C) là áp suất và nhiệt độ phòng thử.
Khi tính toán lực kéo hoặc mômen xoắn chủ động ở các bánh xe,
chúng ta cần phải có đặc tính ngoài của động cơ đốt trong.
Đặc tính ngoài của động
cơ cho các trị số lớn nhất của
mômen, công suất ở số vòng
quay xác định. Các trị số nhỏ
hơn của mômen hoặc công
suất có thể nhận được bằng cách giảm m c ứ cung cấp nhiên liệu.
Dưới đây là các đặc tính
ngoài của các loại động cơ khác nhau:
Hình 1.1: Đặc tính ngoài của động c x
ơ ăng không hạn chế số vòng quay. 7 Động cơ ă x ng không có bộ ậ ph n ạ
h n chế số vòng quay thường dùng cho xe du lịch.
Để giảm tải trọng và mài mòn, giá trị ωe max thường không vượt quá ω p e t 10 ÷ ừ 20%.
Hình 1.2: Đặc tính ngoài của động c x
ơ ăng có hạn chế số vòng quay.
Động cơ xăng có bộ phận hạn chế số vòng quay thường
dùng trên xe tải nhằm tăng tuổi thọ của động cơ, thường chọn e max = (0,8 0,9) p . e
Hình 1.3: Đặc tính ngoài củ độ a ng cơ diesel. 8
Động cơ diesel dùng ở ô tô đều được trang bị bộ điều tốc. Bộ điều tốc sẽ gi ữ cho chế độ làm việc của n
độ g cơ ở vùng tiêu hao nhiên liệu riêng ít nhất.
 Chú ý: Tiêu chuẩn thử ng c độ
ơ để nhận được đường đặc tính ngoài
ở mỗi nước một khác, vì vậy mà cùng một ng độ cơ nhưng thử ở những
nước khác nhau sẽ cho giá trị công suất khác nhau.
Khi không có đường đặc tính tốc độ ngoài của ng độ cơ bằng thực
nghiệm, ta có thể xây dựng đường đặc tính nói trên nhờ công thức kinh
nghiệm của S.R.Lây Đécman. Việc s
ử dụng quan hệ giải tích giữa công
suất, mômen xoắn với số vòng quay của ng độ cơ theo công th c ứ Lây
Đécman để tính toán sức kéo sẽ thuận lợi hơn nhiều so với khi dùng đồ
thị đặc tính ngoài bằng thực nghiệm, nhất là hiện nay việc sử dụng máy
vi tính đã trở nên phổ cập.
Công thức S.R.Lây Đécman có dạng như sau:  2 3      P n n n e e e e = Pemax a b c  (1.7) p  p   p   n n n e  e   e    
Pe, ne – Công suất hữu ích của động cơ và số vòng quay của trục khuỷu ứng v i
ớ một điểm bất kỳ của đồ thị đặc tính ngoài; Pemax, P n – ấ ự đạ ố ớ e
Công su t có ích c c
i và s vòng quay ứng v i công suất nói trên
a, b, c: Các hệ số thực nghiệm được chọn theo loại động cơ nh ư sau: Đối với ng c độ ơ xăng: a = b = c = 1 Đối với ng c độ ơ điêden 2 kỳ: a = 0,87 ; b = 1,13 ; c = 1 Đối với ng c độ
ơ điêden 4 kỳ có buồng cháy trực tiếp: a = 0,5 ; b = 1,5 ; c = 1 Đối với ng c độ
ơ điêden 4 kỳ có buồng cháy d b ự ị: a = 0,6 ; b = 1,4 ; c = 1 Đối với ng c độ
ơ điêden 4 kỳ có buồng cháy xoáy lốc: a = 0,7 ; b = 1,3 ; c = 1
Cho các trị số ne khác nhau, dựa theo công thức (1.7) sẽ tính được
công suất Pe tương ng và t ứ ừ đó vẽ được t đồ hị Pe = f(ne). 9
Có các giá trị Pe và ne có thể tính được các giá trị mômen xoắn Me của ng c độ ơ theo công thức sau: 4 10 P M e e = (1.8) 1,047 ne
Pe – Công suất của ng c độ ơ ( kW)
ne – Số vòng quay của trục khuỷu ( vg/ph)
Me – Mômen xoắn của ng c độ ( ơ N.m)
Có các giá trị Pe, Me tương n
ứ g với các giá trị n e ta có thể vẽ đồ thị Pe = f(ne ) và t đồ hị Me = f’(ne).
Như vậy, sau khi xây dựng được đường đặc tính tốc độ ngoài của
động cơ, chúng ta mới có cơ sở để nghiên cứu tính chất động lực học của ô tô.
1.2.2. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất của động cơ Tính kinh tế của ng c độ
ơ khi làm việc được đánh giá qua các thông số sau đây:
Tiêu hao nhiên liệu theo thời gian tính theo khối lượng, ký hiệu Q.
Tiêu hao nhiên liệu theo thời gian tính theo thể tích, ký hiệu Q v. Q=Qv. (1.9)
– Khối lượng riêng của nhiên liệu (kg/m3). Q – Có n v đơ
ị là kg/s, g/s, kg/h. Q 3 v – Có n v đơ
ị là m /s, cm3/s, dm3/s.
Tiêu hao nhiên liệu theo khối lượng q (kg/J, g/MJ, g/kWh). Q q= (1.10) Pe
Chuyển đổi đơn vị: 1g/MJ=3,6g/kWh=2,65g/m.l.h.
Hiệu suất của động cơ được đánh giá thông qua quá trình biến đổi hóa năng thành cơ năng.
Hiệu suất biến đổi hóa năng thành cơ năng được xác định: P P 1 = e e (1.11) P H Q H q h n n
Ph – Là hóa năng của động c t
ơ ính trên một đơn vị th i ờ gian. 10
Hn – Là năng l ng ri ượ êng theo khối l ng c ượ ủa nhiên liệ u. Hn – Có n v đơ
ị là J/kg hay MJ/kg.
Đối với các đơn vị thực tế hay dùng thì ta có: 1000 Với: Hn (MJ/kg), q (g/MJ). Hn q Hoặc: 3600 Với: H H q n (MJ/kg), q (g/kWh). n 1.3. C
ĐẶ TÍNH LÝ TƯỞNG CỦA N
ĐỘ G CƠ DÙNG TRÊN Ô TÔ
VÀ KHUYNH HƯỚNG SỬ DỤNG N ĐỘ G CƠ ĐIỆN
1.3.1. Đặc tính lý t n
ưở g của động cơ dùng trên ô tô
Đặc tính công suất lý tưởng của động cơ có dạng như sau: m max ω
Hình 1.4: Đặc tính công suất lý tưởng của các động cơ dùng trên ô tô. e
Ở t ốc độ e max của động cơ, ô tô sẽ đạ t tốc độ cực đại theo yêu
cầu, còn tại giá trị Memax, ô tô sẽ đạ t được độ dốc cực đại hay gia tốc
chuyển động cực đại. Tất nhiên, ô tô không th ể cùng lúc leo được độ dốc
cực đại với v ận tốc cực đại ( ứng với công suất P’emax nào đó). Công suất
cực đại thực tế được chọ n ở chế độ ( Memax, m max ω ) và ở chế độ ( vmax M , e e
ω e max) và trong khoảng hai chế độ này công suất Pemax phải được duy trì không đổi.
Các độ ng cơ dùng trên ô tô không có đặc tính lý tưởng như v ậy, vì
thế trên xe luôn phải có hệ thố ng truyền lực với nhiều cấp s ố thay đổi. 11 1.3.2. Khuynh h n
ướ g sử dụng đ n ộ g cơ điện Ngày nay, n
độ g cơ điện cũng được dùng nhiều trên ô tô. Có nhiều loại ng độ
cơ điện khác nhau, nhưng ở đây chúng ta chỉ tìm hiểu đường
đặc tính của động cơ điện một chiều vì chúng được dùng phổ biến trên ô
tô nhất. Trên ô tô thường dùng các ng độ
cơ điện kích từ nối tiếp, kích từ
song song và kích từ hỗn hợp.
Sau đây là các đường đặc tính ngoài của các ng độ cơ điện với các kiểu kích t khác nhau: ừ
Hình 1.5: Đặc tính ngoài của mômen đối với các loại động cơ điện một chiều.
Đường đặc tính của động cơ điện kích từ hỗn hợp (đường 1) sẽ là
trung bình giữa đặc tính của đ ng ộ cơ kích t
ừ song song (đường 2) và nối tiếp (đường 3). c
Đặ tính của động cơ kích t
ừ nối tiếp có dạng hình
hypebol. Khi mômen (M ) tăng thì tốc góc ( độ e e) giảm.
Qua so sánh ba đường đặc tính trên ta thấy, đặc tính của động cơ điện kích từ ố n i tiếp là phù hợp ấ nh t bởi vì nó có ạ
d ng gần giống với đặc tính lý tưởng của ng độ
cơ. Do đó, loại này được dùng phổ biến trên ô tô
nhất. Tuy nhiên, hiện nay trên ô tô, động cơ điện vẫn không được s ử
dụng rộng rãi bởi các thiết bị điều khiển ng độ
cơ điện sẽ ảnh hưởng nhiề đế
u n khối lượng, thể tích, giá thành và hiệu suất của động cơ.
Phương pháp điều khiển phù hợp nhất đối với động cơ điện một
chiều là thay đổi điện áp. Trên các ô tô s
ử dụng nguồn năng lượng là các bình ắc quy, sự thay i
đổ điện áp được thực hiện theo bậc bằng cách thay
đổi việc nối các ắc quy từ nối tiếp thành song song. 12 Hiện nay, thay i
đổ điện áp thường được thực hiện bằng một bộ biến
đổi điện áp kiểu xung dùng Tiristor. Lúc đó, bằng việc điều chỉnh thời
gian mở của Tiristor mà có thể thay i
đổ được điện áp đầu ra (thời gian
mở càng ngắn thì điện áp đầu ra càng giảm). Hiệu suất biến i
đổ điện năng thành cơ năng khi toàn tải vào khoảng 0,85 ÷ 0,95.
Ưu điểm của động cơ điện là dễ dàng thay i
đổ chiều quay (thay đổi chiều chuyển ng độ
của ô tô) và thay đổi dòng năng lượng, nghĩa là dễ
dàng tiến hành phanh bằng ng độ
cơ hoặc biến động cơ thành máy phát
nạp năng lượng trả lại cho nguồn.
Ưu điểm thứ hai là động cơ điện hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường.
Nhược điểm chính của các động cơ điện một chiều là bộ phận đảo mạch
(cổ góp điện) không cho phép làm việc ở số vòng quay quá cao (để hạn chế l c
ự ly tâm tác dụng lên các phiến ng c đồ
ủa cổ góp). Tần số góc của loại ng c độ
ơ này bị hạn chế ở m c ứ 50 ÷ 100 Hz. 13