KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN
Khái quát về động cơ đốt trong
1.1.1 Giới thiệu về động cơ đốt trong Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, tạo ra công cơ học bằng cách đốt nhiên liệu bên trong động cơ Hỗn hợp không khí và nhiên liệu được đốt trong xy lanh của động cơ đốt trong Khi đốt cháy, nhiệt độ tăng làm cho khí đốt giãn nở tạo nên áp suất tác dụng lên một piston, đẩy piston di chuyển sinh công Chuyển động tịnh tiến của piston làm quay trục khuỷu, sau đó làm bánh xe chuyển động nhờ xích tải hoặc trục truyền động Động cơ đốt trong là nguồn động lực chính để dẫn động cho các phương tiện giao thông vận tải, trong đó phổ biến nhất là dẫn động cho ô tô chuyển động Động cơ đốt trong hiện nay gồm có: động cơ đốt trong piston tịnh tiến, piston quay và tua bin khí
Hiện nay, động cơ ô tô chủ yếu là động cơ đốt trong kiểu piston tịnh tiến, sử dụng nhiên liệu xăng và diesel Mặc dù hai loại động cơ này có nguyên lý hoạt động tương tự, chúng khác nhau ở phương pháp đốt cháy và cách hình thành hỗn hợp khí (không khí – nhiên liệu) Động cơ xăng nổi bật với tốc độ cao, công suất lớn và tính cơ động, trong khi động cơ diesel lại có hiệu suất nhiệt cao, tiết kiệm nhiên liệu và thường được sử dụng cho ô tô du lịch từ bảy chỗ trở lên, ô tô buýt, ô tô tải và các phương tiện thương mại khác.
1.1.2 Lịch sử hình thành động cơ đốt trong Ý tưởng về động cơ được hình thành từ năm 1506, từ những bức vẽ của danh họa nổi tiếng Leonardo da Vinci Hơn một thế kỷ sau, nhà vật lý học người Đức Christiaan Huygens tiếp tục phát triển ý tưởng của Leonardo da Vinci khi thiết kế loại động cơ chạy bằng thuốc súng đầu tiên vào năm 1673 Tuy nhiên, loại động cơ này đã không được đưa vào sản xuất
Vào năm 1807, nhà phát minh Thụy Điển Francois Isaac De Rivaz đã chế tạo động cơ đốt trong sử dụng hỗn hợp khí Hydro và Oxy làm nhiên liệu, đồng thời thiết kế một chiếc xe chạy bằng động cơ này Mặc dù có ý tưởng đột phá, nhưng thiết kế của ông không đạt được thành công như mong đợi.
Vào năm 1823, Samual Brown đã phát triển một loại động cơ cải tiến từ động cơ hơi nước dựa trên ý tưởng của Leonardo Mặc dù động cơ này đã được thử nghiệm thành công trên một chiếc xe tại khu đồi Shooter ở Anh, nhưng nó không trở nên phổ biến do không phù hợp với tình hình giao thông thời bấy giờ.
Vào năm 1860, lịch sử ngành công nghiệp ô tô chính thức khởi đầu với việc cấp bằng sáng chế cho chiếc xe đầu tiên sử dụng động cơ đốt trong.
Động cơ đốt trong, được phát minh bởi kỹ sư người Pháp Jean Joseph Etienne Lenoir vào năm 1860, là một bước ngoặt trong lịch sử công nghệ Chiếc động cơ đầu tiên của Lenoir sử dụng nhiên liệu khí than và có thiết kế xylanh nằm ngang Đến năm 1864, Siegfried Marcus từ Áo đã cải tiến động cơ này bằng cách chuyển sang sử dụng gas, và chiếc động cơ mới đã được lắp vào một chiếc xe có khả năng vận hành với tốc độ 16 km/h.
Lịch sử động cơ đốt trong bao gồm những sự kiện đáng chú ý như sau:
- 1680: Nhà vật lý học người Đức Christiaan Huygens thiết kế loại động cơ chạy bằng thuốc súng (loại động cơ này không được đưa vào sản xuất)
Rivaz đã thiết kế một chiếc xe sử dụng động cơ đốt trong đầu tiên, nhưng thiết kế của ông không đạt được thành công như mong đợi.
Năm 1824, kỹ sư người Anh Samuel Brown đã cải tiến động cơ hơi nước cũ của Newcomen thành động cơ chạy bằng gas và tiến hành thử nghiệm trên một chiếc xe tại khu đồi Shooter ở Anh.
Vào năm 1858, kỹ sư người Bỉ Jean Joseph đã xin cấp bằng sáng chế cho chiếc xe động cơ đốt trong tác động kép, sử dụng hệ thống đánh lửa điện và nhiên liệu khí than Hai năm sau, vào năm 1860, kỹ sư người Pháp Alphonse Beau De Rochas đã đệ đơn xin cấp bằng sáng chế cho động cơ bốn kỳ.
52593 ngày 16 tháng 01 năm 1862 (nhưng đã không sản xuất)
Năm 1863, Lenoir đã cải tiến động cơ, sử dụng nhiên liệu xăng và bộ chế hòa khí đơn giản, gắn vào một chiếc xe ba bánh và thực hiện chuyến đi lịch sử dài 80km.
Năm 1864, kỹ sư người Áo Siegfried Marcus đã chế tạo động cơ xy lanh với bộ chế hòa khí thô sơ, gắn lên một chiếc xe ngựa và vận hành thành công trên quãng đường 152,4m Vài năm sau, ông thiết kế một chiếc xe có khả năng di chuyển với tốc độ 16 km/giờ, và một số sử gia cho rằng đây là chiếc xe sử dụng động cơ xăng đầu tiên trên thế giới.
Năm 1866, hai kỹ sư người Đức, Eugen Langen và Nikolas August Otto, đã cải tiến thiết kế của Lenoir và De Rochas, tạo ra động cơ chạy gas với hiệu suất vượt trội hơn.
Năm 1873, kỹ sư người Mỹ George Brayton phát triển một loại động cơ hai kỳ chạy bằng dầu hỏa, mặc dù không thành công Động cơ này sử dụng hai xylanh bơm ngoài và được xem là động cơ dầu an toàn có giá trị ứng dụng đầu tiên.
- 1876: Nikolas August Otto phát minh thành công và được cấp bằng sáng chế động cơ bốn kỳ thì - loại động cơ này thường được gọi là
- 1876: Dougald Clerk chế tạo thành công động cơ hai kỳ đầu tiên
Năm 1883, kỹ sư người Pháp Edouard Delamare-Debouteville đã chế tạo động cơ 4 xy lanh chạy bằng gas đốt lò Mặc dù không thể xác định chính xác liệu ông có thực sự chế tạo ôtô hay không, thiết kế của ông được coi là khá tiên tiến vào thời điểm đó, thậm chí còn vượt trội hơn so với các thiết kế của Daimler và Benz về mặt lý thuyết.
Các thông số đặc trưng của động cơ đốt trong
Điểm chết là vị trí cuối cùng của piston trong quá trình di chuyển trong xylanh, nơi mà vận tốc của piston trở về bằng không và bắt đầu thay đổi chiều chuyển động.
Như vậy, điểm chết có hai vị trí:
- Điểm chết trên (ĐCT): là vị trí mà piston nằm xa trục khuỷu nhất
- Điểm chết dưới (ĐCD): là vị trí piston nằm gần tâm trục khuỷu nhất b Hành trình của piston (L)
Hành trình của piston là khoảng cách dịch chuyển của piston giữa hai điểm chết trên và điểm chết dưới, ký hiệu là L
Với a là bán kính quay của trục khuỷu
L - Hành trình piston l - Chiều dài thanh truyền a – Bán kính quay của trục khuỷu
Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo động cơ đốt trong c Thể tích buồng cháy (𝐕 𝐜 )
Thể tích buồng cháy là không gian trong xylanh, được xác định bởi đỉnh piston, thân máy và nắp máy khi piston ở điểm chết trên Thể tích công tác (𝐕 𝐝) là khái niệm quan trọng liên quan đến hiệu suất hoạt động của động cơ.
Thể tích công tác là khoảng không gian trong xylanh được giới hạn bởi hai mặt cắt vuông góc với đường tâm xylanh qua hai điểm chết
- Đối với động cơ chỉ có một xylanh thì thể tích công tác được tính như sau:
- Đối với động cơ có Nc xylanh thì thể tích công tác của động cơ là:
Trong đó: B – Đường kính của xylanh [m]
N c – Số xylanh của động cơ e Thể tích toàn bộ (𝐕 𝐚 )
Thể tích toàn bộ là khoảng không gian trong xylanh được giới hạn bởi đỉnh piston, thân máy và nắp máy khi piston ở điểm chết dưới, ký hiệu là 𝑉 𝑡
1.2.2 Các thông số đặc trưng của động cơ đốt trong
1.2.2.1 Tính chất hình học của động cơ đốt trong a Tỷ số nén (𝐫 𝐜 ):
𝑉 𝑐 b Tốc độ trung bình của piston(𝐒̅ 𝐩 ):
Với N là tốc độ động cơ [vòng/giây]
Tốc độ trung bình của tất cả các động cơ đốt trong thông thường sẽ nằm trong khoảng từ 5 ÷ 15m/s
Có hai lý do để tốc độ động cơ phải nằm trong khoảng này:
Tốc độ an toàn tối đa mà các chi tiết trong động cơ có thể chịu được thường là 3000 vòng/phút Khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao hơn, nguy cơ hư hỏng các bộ phận động cơ tăng lên Phạm vi tốc độ piston chấp nhận được phụ thuộc vào loại và kích thước động cơ Có mối tương quan tỷ lệ nghịch giữa kích thước động cơ và tốc độ hoạt động: động cơ lớn như động cơ tàu thủy hoạt động trong khoảng 200-400 vòng/phút, trong khi động cơ nhỏ như mô hình máy bay có thể đạt tốc độ từ 9000 đến 12.000 vòng/phút hoặc cao hơn Động cơ ô tô thường hoạt động trong khoảng 500-5000 vòng/phút Đặc biệt, một số động cơ thử nghiệm hiệu suất cao đã được vận hành với tốc độ piston trung bình lên đến 25m/s nhờ thiết kế và vật liệu đặc biệt.
Lý do thứ hai liên quan đến luồng khí vào và ra khỏi các xylanh, trong đó tốc độ piston quyết định tốc độ dòng chảy tức thời của không khí và nhiên liệu vào xylanh, cũng như lưu lượng khí thải ra trong kỳ xả Khi tốc độ piston tăng lên, sẽ cần xú páp nạp và xả lớn hơn để đảm bảo tốc độ dòng chảy cao hơn Thay đổi theo thời gian, tốc độ tức thời của piston cũng ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của động cơ.
𝑑 𝑡 (1.5) d Tỷ lệ tốc độ piston tức thời chia cho tốc độ piston trung bình:
Với R là tỷ lệ giữa chiều dài thanh truyền và bán kính quay của trục khuỷu e Thể tích xylanh (V)ở bất kỳ góc quay nào của trục khuỷu:
4 (𝑙 + 𝑎 − 𝑠) (1.7) f Khoảng cách từ trục khuỷu đến chốt piston (s):
1.2.2.2 Công, công suất và mômen xoắn
Trong thử nghiệm động cơ, mô men xoắn thường được đo bằng lực kế (dynamometer) thông qua việc đặt động cơ trên băng thử và kết nối trục của động cơ với rotor của thiết bị đo Nguyên tắc hoạt động của lực kế được thể hiện qua hình 1.3, trong đó các roto có thể được điều khiển bằng điện, thủy lực hoặc ma sát cơ khí đến stator Mô men xoắn tác động lên stator làm quay cánh quạt và được đo bằng cách cân bằng stator với trọng lượng, lò xo hoặc thiết bị khí nén.
Công suất là chỉ số thể hiện lượng cơ năng mà động cơ phát ra trong một chu trình hoặc trong một khoảng thời gian nhất định Để đánh giá công suất của động cơ đốt trong, người ta thường sử dụng các đại lượng như áp suất trung bình, công và mômen xoắn.
Hình 1.3 Xác định công suất, mômen xoắn trong thử nghiệm động cơ a Công (W)
Các thông số áp suất khí trong xylanh của mỗi chu kỳ hoạt động của động cơ có thể được sử dụng để tính toán công suất sinh ra từ quá trình đốt cháy hỗn hợp không khí và nhiên liệu.
Đồ thị công P – V thể hiện mối quan hệ giữa áp suất và thể tích của xylanh trong mỗi chu kỳ hoạt động của động cơ Hình 1.4 minh họa đồ thị này, cho thấy sự thay đổi của áp suất xylanh và thể tích xylanh tương ứng trong suốt chu kỳ.
Bộ phận đo lựcStator thể hiện trên Hình 1.4 Công sinh ra trong mỗi chu kỳ thu được bằng cách tích hợp các đường cong trên đồ thị
Động cơ hai kỳ (Hình 1.4a) hoạt động dựa trên công thức (1.9) Khi bổ sung vào kỳ nạp và kỳ xả của động cơ bốn kỳ, một số định nghĩa gần đúng được sử dụng phổ biến.
- Công toàn bộ có ích 𝑊 𝑐,𝑖𝑔 (hoặc Công chỉ thị tổng cộng) là công của quá trình nén và quá trình giãn nở
- Công toàn bộ trên một chu trình 𝑊 𝑐,𝑖𝑛 là công toàn bộ của các quá trình hút, nén, nổ, xả trên động cơ bốn kỳ
- Công suất của mỗi xylanh trong một chu trình làm việc (𝑃 𝑖 ):
𝑛 𝑅 [𝐾𝑊] (1.10) Trong đó: 𝑛 𝑅 – Số vòng quay trục khuỷu
N – Tốc độ động cơ [vòng/giây]
Cần phân biệt các loại công như sau:
- Công có ích (𝑊 𝑏 ): là công thu được ở đầu ra của trục khuỷu Đó là phần cơ năng thực tế có thể sử dụng được
Công tổn thất cơ học (𝑊 𝑚) là lượng công tiêu hao trong quá trình thực hiện các hoạt động mang tính chất cơ học Trong đó, các dạng tổn thất năng lượng thường được xem xét bao gồm tổn thất do ma sát, va chạm và các yếu tố khác ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động.
+ Tổn thất do ma sát giữa các chi tiết của động cơ chuyển động tương đối với nhau
Năng lượng tiêu hao cho việc dẫn động các thiết bị và cơ cấu của động cơ, bao gồm bơm nhiên liệu, bơm dầu bôi trơn, bơm nước làm mát và cơ cấu phân phối khí, là một yếu tố quan trọng cần được xem xét.
+ Tổn thất bơm (phần cơ năng tiêu hao cho quá trình thay đổi khí)
- Công chỉ thị (W ig ): là công do môi chất công tác sinh ra trong một chu trình thực tế, trong đó bao gồm cả phần tổn thất cơ học
𝑊 𝑖𝑔 = 𝑊 𝑏 + 𝑊 𝑚 (1.11) b Công suất động cơ (P),mômen xoắn T
Công suất là tốc độ thực hiện công Trị số công suất của động cơ cho ta biết động cơ đó mạnh hay yếu
𝑃 = 2𝜋 𝑁 𝑇 10 −3 [𝑘𝑊] (1.12) Trong đó: P – Công suất (Kw);
N – Tốc độ quay (vòng/giây);
Từ phương trình (1.12) có thể suy ra mô men xoắn của động cơ T:
Cần phân biệt các khái niệm công suất sau đây của ĐCĐT:
Công suất chỉ thị (𝑃 𝑖𝑔) là tốc độ thực hiện công của động cơ, bao gồm cả phần tổn thất cơ học Nói cách khác, công suất chỉ thị phản ánh hiệu suất thực tế của động cơ trong quá trình hoạt động.
- Công suất có ích (𝑃 𝑏 ): Công suất của động cơ được đo ở đầu ra của trục khuỷu
𝑇 = 𝐹 𝑏 [𝑁 𝑚] (1.13) Trong đó: F –Lực tác dụng [N] b – Cánh tay đòn [m]
1.2.2.3 Áp suất trung bình (mep) Áp suất trung bình của chu trình (mep) là đại lượng được xác định bằng tỷ số giữ công sinh ra trong một chu trình và dung tích công tác của xy lanh
Công sinh ra trong một chu trình hoạt động của động cơ:
𝑁 Trong đó n R là số vòng quay trục khuỷu
Hiệu suất
1.3.1 Hiệu suất lý thuyết (𝜼 𝒕 ), hiệu suất chỉ thị (𝜼 𝒊𝒈 )
Hiệu suất chỉ thị (η ig ) là hiệu suất nhiệt của chu trình nhiệt động thực tế
Hiệu suất lý thuyết (𝜂 𝑡) và hiệu suất chỉ thị (η ig) đều phản ánh hiệu suất nhiệt của động cơ, đánh giá mức độ hoàn thiện về mặt nhiệt động Sự khác biệt giữa chúng là hiệu suất chỉ thị tính đến tất cả các dạng tổn thất nhiệt năng trong quá trình hoạt động thực tế của động cơ, trong khi hiệu suất lý thuyết chỉ xem xét tổn thất nhiệt năng theo quy định của luật nhiệt động II, tức là nhiệt năng cần truyền cho nguồn lạnh để thực hiện chu trình nhiệt động lực.
Công thức 𝑊 𝑡 = 𝜂 𝑡 𝜂 𝑡−𝑖 (1.16) thể hiện mối quan hệ giữa công thực tế và hiệu suất trong quá trình đốt cháy nhiên liệu Trong đó, 𝑄 1 là lượng nhiệt sinh ra từ việc đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu trong buồng đốt trong một chu trình Hệ số η ig = W ig /W t được gọi là hệ số diện tích đồ thị công, phản ánh sự khác biệt giữa diện tích đồ thị công chỉ thị và đồ thị công lý thuyết.
Mức độ tổn thất cơ học trong động cơ là một đại lượng quan trọng để đánh giá sự hoàn thiện của động cơ về mặt cơ học Để xác định mức độ này, người ta sử dụng một công thức cụ thể.
𝑊 𝑖 (1.17) Trong đó: 𝑊 𝑚 − Công tổn thất cơ học
𝑃 𝑓 – Công suất sinh ra do ma sát
Là đại lượng đánh giá tất cả các dạng tổn thất năng lượng trong quá trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng có ích ở động cơ
1.3.4 Hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu (𝜼 𝒇 )
𝑠𝑓𝑐 𝑄 𝐻𝑉 (1.19) Trong đó: 𝑊 𝑐 – Công trên một chu trình công tác
𝑄 𝐻𝑉 – Nhiệt trị của nhiên liệu (MJ/kg)
𝑚̇ 𝑓 –Lưu lượng nhiên liệu trên một đơn vị thời gian
𝑚 𝑓 – Khối lượng của nhiên liệu trong mỗi chu kỳ
Trong hệ thống nạp của động cơ, các thành phần như bộ lọc không khí, bộ chế hòa khí, van tiết lưu, đường ống nạp, cổng nạp và xú páp nạp đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát lượng không khí di chuyển Hệ số nạp được sử dụng để đo lường hiệu quả của quá trình này.
Hệ số nạp chỉ áp dụng cho động cơ bốn kỳ, được định nghĩa là tỷ lệ giữa lưu lượng dòng khí vào hệ thống nạp và khối lượng không khí mà các piston thay thế.
𝜌 𝑎,𝑖 𝑉 𝑑 (1.20) Trong đó: 𝜌 𝑎,𝑖 – Mật độ không khí nạp vào trong xylanh
𝑚 𝑎 – Khối lượng không khí vào xylanh trong mỗi chu kỳ (kg/chu trình)
𝑚̇ 𝑎 – Lưu lượng không khí trên một đơn vị thời gian (kg/s).
Suất tiêu thụ nhiên liệu(𝑠𝑓𝑐)
Hiệu quả chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng của động cơ đốt trong (ĐCĐT) phản ánh tính tiết kiệm nhiên liệu của nó Để đánh giá tính tiết kiệm nhiên liệu, người ta xem xét lượng nhiên liệu mà động cơ tiêu thụ Lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một đơn vị thời gian được gọi là lượng tiêu thụ nhiên liệu giờ (𝑚̇ 𝑓) Trong khi đó, lượng nhiên liệu cần thiết để sản xuất một đơn vị công suất có ích trong cùng một khoảng thời gian được gọi là suất tiêu thụ nhiên liệu (sfc).
𝐾𝑊) (1.21) Trong đó: P – Công suất (KW)
𝑚̇ 𝑓 − Lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một đơn vị thời gian (kg/s) sfc– Suất tiêu thụ nhiên liệu (mg/J).
Tỷ lệ không khí -nhiên liệu
Trong thử nghiệm động cơ, việc đo lường cả lưu lượng khí 𝑚̇ 𝑎 và lưu lượng nhiên liệu 𝑚̇ 𝑓 là rất quan trọng Tỷ lệ không khí - nhiên liệu giúp xác định tình trạng hoạt động của động cơ một cách hiệu quả.
Tỷ lệ không khí – nhiên liệu(𝐴/𝐹) α =𝑚̇ 𝑎
Tỷ lệ nhiên liệu – không khí (𝐹/𝐴) 𝜙 = 𝑚̇ 𝑓
Tỷ lệ không khí – nhiên liệu thông thường đối với động cơ xăng là
12 ≤ α ≤ 18 (0,056 ≤ 𝜙 ≤ 0,083) Đối với động cơ Diesel là 18 ≤ α ≤ 70(0,014 ≤ 𝜙 ≤ 0,056) Để đánh giá thành phần hỗn hợp hòa khí, người ta thường căn cứ vào thông số của α hoặc 𝜙
- Đối với hỗn hợp nghèo: 𝜙 < 1, 𝛼 > 1
- Đối với hỗn hợp lý tưởng: 𝜙 = 𝛼 = 1
- Đối với hỗn hợp giàu: 𝜙 > 1, 𝛼 < 1
MATLAB CƠ BẢN TRONG TOÁN HỌC VÀ ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ
Matlab và một số hàm tính cơ bản
MATLAB là một môi trường tính toán số và lập trình do công ty MathWorks phát triển, cho phép thực hiện các phép toán với ma trận, vẽ đồ thị và tạo giao diện người dùng Nó đơn giản hóa việc giải quyết các bài toán kỹ thuật so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C và C++ MATLAB được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như xử lý tín hiệu, thiết kế điều khiển tự động, và phân tích mô hình tài chính Với sự phổ biến trong cả môi trường công nghiệp và học thuật, MATLAB đã trở thành ngôn ngữ chủ yếu cho các nghiên cứu khoa học và kỹ thuật.
Toolbox là công cụ thiết yếu trong MATLAB, phục vụ cho phân tích, thiết kế và mô phỏng Trong môi trường làm việc của MATLAB, người dùng có thể tìm thấy nhiều toolbox như logic mờ, Simulink và mạng nơ-ron Hệ thống MATLAB được tổ chức thành 5 giao diện chính, giúp tối ưu hóa trải nghiệm người dùng.
Môi trường phát triển Đây là nơi chứa các công cụ, các phương tiện giúp chúng ta sử dụng các lệnh và các file, bao gồm:
Thư viện các hàm toán học
Bài viết đề cập đến các hàm tính toán từ cơ bản đến nâng cao, bao gồm các phép toán như ma trận, phương trình tuyến tính, ma trận nghịch đảo, trị riêng, và các phép biến đổi Fourier, Laplace.
Ngôn ngữ MATLAB là một ngôn ngữ lập trình bậc cao chuyên về ma trận và mảng, cho phép người dùng thực hiện các dòng lệnh với các hàm cấu trúc dữ liệu đầu vào MATLAB hỗ trợ lập trình hướng đối tượng, mang lại tính linh hoạt và hiệu quả trong việc xử lý và phân tích dữ liệu.
Bao gồm các đồ họa 2D và 3D, cung cấp giao diện tương tác giữa người và máy tính
Giao tiếp với các ngôn ngữ khác
MATLAB có thể cho phép tương tác với các ngôn ngữ khác như C, Fortran
MATLAB là một phần mềm được phát triển bởi công ty The MATHWORKS, hỗ trợ tính toán khoa học và kỹ thuật trên máy tính cá nhân, với các yếu tố cơ bản là ma trận.
MATLAB, được hình thành từ sự kết hợp của hai từ MATRIX và LABORATORY, là một phần mềm phổ biến trong nghiên cứu các vấn đề tính toán kỹ thuật Chương trình này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật xác suất thống kê, xử lý tín hiệu số, phân tích dữ liệu và dự báo chuỗi quan sát.
MATLAB được điều khiển qua các tập lệnh và bàn phím, cho phép lập trình với cú pháp thông dịch lệnh (Script file) Với hàng trăm lệnh và bộ lệnh, MATLAB ngày càng được mở rộng nhờ các phần TOOLS BOX và hàm ứng dụng từ người dùng Hiện tại, MATLAB có hơn 25 TOOLS BOX hỗ trợ khảo sát các vấn đề liên quan, trong đó TOOLS BOX SIMULINK là một phần mở rộng quan trọng, giúp mô phỏng hệ thống động học một cách nhanh chóng và tiện lợi.
Hình 2.1 Giao diện biểu tượng của MATLAB (Version 8.1)
Việc khởi động MATLAB khác nhau tùy theo hệ thống, trong môi trường WINDOWS và MACINTOSH, người dùng thường khởi động chương trình bằng cách nhấp chuột vào các biểu tượng Trong khi đó, trên các hệ thống UNIX và MS-DOS, MATLAB được khởi động thông qua dòng lệnh.
Giao diện của MATLAB sử dụng hai cửa sổ: cửa sổ lệnh (Command window) và cửa sổ đồ thị (Figure window)
- Cửa sổ lệnh dùng để đưa lệnh và dữ liệu vào đồng thời in ra kết quả
- Cửa sổ đồ thị trợ giúp cho việc truy xuất đồ họa để thể hiện những lệnh hay kết quả đầu ra dưới dạng đồ họa
Hình 2.3.Giao diện cửa sổ đồ thị của MATLAB
Để ngắt chương trình đang thực hiện hoặc các chương trình không đúng yêu cầu trong MATLAB, người dùng có thể sử dụng phím nóng Ctrl + C Ngoài ra, để thoát khỏi chương trình MATLAB, có thể áp dụng lệnh tương ứng.
>>exit ↲ hoặc>>quit↲(↲: nhấn ENTER)
Hoặc từ menu thả xuống hoặc nhấn vào trên góc phải màn hình của cửa sổ chính MATLAB
MATLAB là một ngôn ngữ lập trình mạnh mẽ, sử dụng các câu lệnh được sắp xếp theo một trật tự nhất định để tạo thành chương trình Chương trình này bao gồm nhiều câu lệnh và hàm chức năng, giúp giải quyết các bài toán phức tạp một cách hiệu quả.
Các câu lệnh trong MATLAB rất hiệu quả, cho phép giải quyết nhiều vấn đề chỉ với một câu lệnh đơn giản Việc mô phỏng trong MATLAB cung cấp hình ảnh tọa độ không gian ở cả hai chiều (2D) và ba chiều (3D).
MATLAB cũng sử dụng các phép toán thông thường, được liệt kê ở bảng sau:
Ký tự Ý nghĩa Lệnh MATLAB
Trong MATLAB, có nhiều hàm tính toán thông thường hữu ích, bao gồm: abs(x) để tính giá trị tuyệt đối của số phức x, acos(x) là hàm ngược của cosin, angle(x) để xác định góc của số phức x, asin(x) là hàm ngược của sin, và atan(x) là hàm ngược của tan Ngoài ra, exp(x) tính hàm mũ của x, fix(x) xấp xỉ về số nguyên không âm, round(x) thực hiện việc làm tròn về số nguyên gần nhất, log(x) là hàm logarithm tự nhiên, và log10(x) là hàm logarithm cơ số 10 Các hàm sin(x), cos(x) và tan(x) lần lượt tính giá trị sin, cosin và tangent của x, trong khi sqrt(x) tính căn bậc hai và floor(x) xấp xỉ về số nguyên âm vô cùng.
Dưới đây là các ví dụ về việc áp dụng một số hàm trong MATLAB để giải quyết các bài toán đại số Việc sử dụng các lệnh này không chỉ giúp quá trình tính toán trở nên dễ dàng và chính xác mà còn tiết kiệm thời gian hiệu quả.
1) Giải phương trình vi phân bằng MATLAB
Ví dụ 2.1 Giải phương trình vi phân: X’=-a*X
Ta tiến hành gõ lệnh trong môi trường Command Windown như sau: X=dsolve('Dx=-a*x')Enter được nghiệm X exp(a*t)
Ví dụ 2.2 Giải phương trình vi phân: Y’=y+sin(t)
Ta tiến hành gõ lệnh trong môi trường Command Windown như sau: Y=dsolve('Dy=y+sin(t)')
Enter được nghiệm Y exp(t) - sin(t)/2 - cos(t)/2
Ví dụ 2.3 Giải hệ phương trình vi phân: X’=y, y’=-x
Ta tiến hành gõ lệnh trong môi trường Command Windown như sau: Z=dsolve('Dx=y','Dy=-x')(ta dùng 1 biến Z để làm trung gian)
Rồi bấm tiếp Z.xEnter thì được Z.x enter ans cos(t) + C5*sin(t) ->>>>Vậy suy ra được nghiệm x C6*cos(t) + C5*sin(t) Đây chính là nghiệm x
Bấm Z.yEnter ans cos(t) - C6*sin(t) ->>>>Vậy suy ra nghiệm của y C5*cos(t) - C6*sin(t) Đây chính là nghiệm y
2) Tính giá trị của hàm số tại 1 điểm
Ban đầu ta phải khai báo tất cả các biến có trong hàm số
Ví dụ 2.4 Tính giá trị của hàm số f=2*x 2 +1 tại điểm x=2
Ta tiến hành thực hiện các lệnh như sau:
Syms x(Lệnh này dùng để khai báo biến trong hàm số f)
>> subs(f,x,2)(Đây là tính giá trị của hàm tại x=2) ans =9
Ngoài ra ta có thể mở rộng tính giới hạn của hàm số trên tại điểm x=0
3) Tính giới hạn của hàm số
- Tính giới hạn của hàm số tại 1 điểm
Ví dụ 2.5 Tính giới hạn của hàm số từ ví dụ 2.4 tại điểm 0
Ta tiến hành nhập lệnh giới hạn trong môi trường Command Windown Cú pháp như sau:
>> limit(f,x,0) Enter ans =1(Đây chính là kết quả giới hạn của hàm số f tại x=0)
Tương tự cho việc tính giới hạn của hàm số ví dụ như: limit(sin(x)/x,0) thì được 1,miễn là khai báo biến symsxy
Trong MATLAB giá trị vô cùng được thực hiện bởi inf
Nhớ là khai báo biến syms x y
Cú pháp limit(((1+x)./x).^x,x,inf) được kết quả exp(1)
- Tính giới hạn của hàm số về phía trái và về phía phải
Tương tự cho trường hợp tính giới hạn của hàm số về bên phải
Cú pháp được nhập như sau: limit(f,x,0,'right') Enter ans=1
4) Tính đạo hàm của hàm số
Ví dụ 2.6 Tính đạo hàm cấp 1 của hàm số f= sin(x)
Việc đầu tiên là khai báo biến x
Cú pháp được nhập như sau: f=sin(x) (Khai báo hàm)
Diff(f,x) Enter (Cú pháp tính đạo hàm cấp 1) ans =cos(x)(Đây chính là kết quả)
Sau đó tính tiếp đạo hàm cấp 2 từ kết quả trên diff(ans,x) Enter ans=-sin(x)
- Tính đạo hàm lần thứ n cú pháp như sau: diff(f,x,n)
5) Tính nguyên hàm của hàm số
Ví dụ 2.7 Tính nguyên hàm của hàm số f= x 2 - 3*x +1
Khai báo biến: syms x x^2 -3*x+1 (Nhập hàm số cần tính nguyên hàm) int(f,x)(Cú pháp tính nguyên hàm) Sau đó nhấn Enter được kết quả
6) Tính tích phân của hàm số
Ví dụ 2.8.Tính tích phân của hàm số đã cho với cần chạy từ 0 tới 1 của hàm f=
Thứ tự làm như sau:
Nhập cú pháp cần tính int (f,x,0,2)(Cú pháp tính tích phân của một hàm số)
7) Tính giá trị của một hàm chứa các biến x, y tại 1 điểm
Ví dụ 2.9.Tính giá trị của hàm số đã cho trong ví dụ 2.7tại x=2 và y=3
Cú pháp nhập như sau:
Kết quả của hàm Subs(subs(f,x,2),y,3) là 54, hoặc có thể được viết dưới dạng Subs(f,{x,y},{2,3}) Việc tính toán giá trị của hàm này rất đơn giản; với các hàm phức tạp hơn, chúng ta có thể áp dụng cú pháp tương tự để đạt được kết quả chính xác trong thời gian ngắn.
8) Tính giá trị của đa thức và các vấn đề về đa thức:
Ví dụ 2.10 P 1 =2*x 2 + 2*x-1,tính giá trị của biểu thức này tại x=2
Polyval(p1,2) (Cú pháp tính giá trị của đa thức này tại x=2 và được kết quả là 11)
Ví dụ 2.11.Tìm nghiệm của đa thức trên: P 1 =2*x 2 + 2*x-1 p1=[2 2 -1](Khai báo ma trận)
Ví dụ 2.12 Phân tích đa thức sau thành nhân tử f=x^6+1
9) Nhập ma trận giá trị (mảng giá trị):
A=[0:2:10] thể hiện giá trị khởi đầu là 0, giá trị kết thúc là 10 và bước nhảy là 2 Cách khác, có thể viết mà không cần dấu ngoặc vuông, nhưng để dễ hiểu, trong bài viết này chúng ta sử dụng dấu ngoặc vuông.
Nếu A=[0: 10] thì mặc định bước nhảy là 1 Được thể hiện rõ như sau:
Matlab Simulink ứng dụng mô phỏng động cơ đốt trong
2.2.1 Tổng quan về Matlab Simulink
Simulink là một phần mở rộng của Matlab, được sử dụng để mô phỏng các hệ động học, hệ tuyến tính, phi tuyến cũng như các mô hình trong thời gian liên tục hoặc gián đoạn Điểm nổi bật của Simulink là khả năng lập trình dưới dạng sơ đồ cấu trúc với các đối tượng đồ họa, mang lại tính trực quan và dễ dàng cho người dùng, đặc biệt là những lập trình viên không chuyên Giao diện đồ họa của Simulink cho phép người dùng xây dựng mô hình bằng cách kéo và thả các khối chuẩn từ thư viện vào vùng làm việc, tạo điều kiện thuận lợi cho việc mô phỏng.
Người dùng có khả năng tạo và chỉnh sửa khối riêng của mình, sau đó bổ sung vào thư viện như một khối ứng dụng mới trong Simulink Simulink cung cấp nhiều thư viện, bao gồm thư viện khối nguồn tín hiệu (Sources), thư viện khối xuất và hiển thị dữ liệu (Sink), thư viện khối tính toán (Math Operations), thư viện Continuous, và nhiều thư viện khác, cho phép người dùng lựa chọn các khối phù hợp với nhu cầu sử dụng của mình.
Hình 2.5 Thư viện trong Simulink
Mô hình trong Simulink được xây dựng theo kiểu phân cấp, cho phép người dùng tùy chọn xây dựng mô hình từ dưới lên hoặc từ trên xuống Chức năng tạo “mặt nạ” (Mask) trong Simulink giúp người dùng tạo ra các hệ con với hộp thoại và biểu tượng mới cho khối Ứng dụng quan trọng của mặt nạ là tạo hộp thoại để tiếp nhận thông số của các khối trong hệ con, đồng thời làm cho mô hình trở nên đơn giản và rõ ràng, bảo vệ nội dung bên trong.
Simulink cho phép người dùng quan sát hệ thống từ cái nhìn tổng quan đến chi tiết từng khối bằng cách nháy đúp chuột vào khối đó Các khối Scope và các khối hiển thị khác trong thư viện Sinks giúp người dùng theo dõi kết quả trong quá trình mô phỏng Bên cạnh đó, người dùng có thể trực tiếp điều chỉnh các thông số trong khi mô phỏng đang diễn ra để xem ảnh hưởng của chúng đến kết quả.
Simulink có khả năng tạo ra M.file (function) tự động khi xây dựng mô hình sơ đồ khối, được gọi là S-function Hàm S-function là file mở, cho phép người dùng truy cập và chỉnh sửa Lệnh mở S-function là sfun, giúp soạn thảo chương trình mô phỏng mà không cần giao diện đồ thị Ngoài ra, Simulink hỗ trợ chuyển đổi giữa S-function và sơ đồ khối, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.
Hiện nay, Matlab Simulink được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong tính toán và mô phỏng hệ thống thông qua các biểu thức toán học Trong ngành động cơ, Simulink đóng vai trò quan trọng trong việc mô phỏng các hệ thống động lực, với khả năng sử dụng sơ đồ khối để thể hiện các mô hình Là sản phẩm tích hợp của Matlab, Simulink tận dụng nhiều hàm của Matlab và cho phép trao đổi dữ liệu, tăng cường tính linh hoạt trong quá trình mô phỏng Ngoài ra, Matlab Simulink còn được áp dụng trong các lĩnh vực như điện tử, cơ học và toán học, và hiện tại, nghiên cứu đang được tiến hành để mở rộng ứng dụng của Matlab trong mọi lĩnh vực có nhu cầu tính toán và mô phỏng.
2.2.2 Giới thiệu một số khối cơ bản
2.2.2.1 Thư viện Sources Đây là nhóm các khối phát và nhận tín hiệu Nó bao gồm các khối như: Band Limited White Noise, Constant, Step, Clock,…
Hình 2.6 Các khối trong thư viện Sources a Step
Phát ra dạng sóng có tính chất hàm bước:
Những thông số: thời gian chuyển đổi (steptime), giá trị đầu, giá trị cuối
Thời gian chuyển đổi có thể âm và điều kiện đầu có thể lớn hơn giá b Constant
The function outputs a constant value, which can be either a real or complex number This constant may take the form of a vector or a matrix, depending on the specified parameter for Constant Value and whether the option to interpret the vector parameter as 1-D is selected The results can be obtained from the Workspace.
Hình 2.9 Khối From Workspace Đọc dữ liệu từ ma trận Matlab Ma trận này phải chứa ít nhất hai d From File
Khối "From File" cho phép đọc dữ liệu từ một tệp tin, trong đó dữ liệu cần phải được định dạng giống như một ma trận Mỗi cột trong ma trận phải chứa giá trị của n ngõ vào tại một thời điểm xác định, với hàng đầu tiên là một vector thời gian.
Hiển thị dạng tín hiệu trong suốt thời gian mô phỏng (giống như Oscilloscope)
Những thông số: phạm vi trục ngang (thời gian) và trục dọc Trục ngang có thể cuộn ở mỗi phạm vi b To File
Dữ liệu xuất ra ở đây là một ma trận, hàng đầu tiên là một vector thời gian, những cột khác là biến ngõ ra c To Workspace
Hình 2.14 minh họa khối To Workspace, nơi đầu ra là một ma trận với mỗi cột đại diện cho các giá trị dữ liệu khác nhau được truyền đến Matlab cho đến khi kết thúc mô phỏng Nếu số bước trong mô phỏng vượt quá giá trị tối đa quy định, khối này chỉ lưu lại giá trị cuối cùng trong số n giá trị, với n là số giá trị mẫu tối đa đã được thiết lập.
2.2.2.3 Thư viện Math Đây là nhóm tuyến tính trong miền thời gian và Laplace
Hình 2.16 Các khối trong thư viện Math Operations a Sum
Ngõ ra là tổng (hiệu) các ngõ vào Số dấu sẽ cho biết số ngõ vào b Gain
Khối Gain trong Simulink có chức năng khuếch đại tín hiệu đầu vào thông qua biểu thức được khai báo trong ô Gain, có thể là một số hoặc một biến Nếu sử dụng biến, biến đó cần phải tồn tại trong môi trường Matlab Workspace để Simulink có thể thực hiện tính toán Bằng cách điều chỉnh giá trị tham số Multiplication, người dùng có thể xác định cách thức thực hiện phép nhân giữa biến và Gain, có thể là nhân ma trận hoặc nhân từng phần tử.
Khối Product thực hiện phép nhân từng phần tử hoặc phép nhân ma trận, đồng thời thực hiện phép chia giữa các tín hiệu (dạng 1-D hoặc 2-D) tùy thuộc vào giá trị của tham số d.Minmax.
Khối này dùng để tách giá trị lớn nhất, nhỏ nhất của giá trị đầu vào e Khối Divide
2.2.2.4 Thư viện Ports và Subsystems
Hình 2.22 Các khối trong thư viện Ports và Subsystems a Subsystem
Khối subsystem trong mô hình Simulink được sử dụng để tạo ra các hệ thống con, cho phép tổ chức và quản lý mô hình một cách hiệu quả Việc kết nối với các mô hình khác được thực hiện thông qua các khối Inport và Outport, với số lượng đầu vào và đầu ra của khối subsystem phụ thuộc vào số lượng các khối này.
Hình 2.24 Khối Inport và Outport c Trigger
Các hệ con khối Trigger, hay còn gọi là hệ được kích hoạt bằng xung, có khả năng kích hoạt tại sườn dương (Trigger type: rising), sườn âm (Trigger type: falling) hoặc cả hai sườn (either) của xung kích hoạt.
2.2.2.5 Các khối thông dụng khác a Integrator
Khối Integrator thực hiện việc tính tích phân tín hiệu đầu vào Giá trị ban đầu có thể được thiết lập trực tiếp trong hộp thoại Block Parameter hoặc chọn từ nguồn bên ngoài qua tùy chọn Internal trong ô Initial condition source Đầu ra của khối có thể được sử dụng để tính toán thêm.
Sử dụng để tính toán biểu thức
Ngõ vào phải là một hàm u(I), giá trị phải là đại lượng vô hướng
Khối này có khả năng thực hiện cho SISO (single input single output) và MISO (multi input single output) c Switch
Ngõ ra sẽ giữ giá trị của ngõ vào đầu tiên cho đến khi giá trị ngõ vào thứ hai vượt qua ngưỡng quy định, tại thời điểm đó ngõ ra sẽ chuyển sang giá trị của ngõ vào thứ hai.
Tính toán một khâu bão hòa, nghĩa là giới hạn biên độ của ngõ ra Những thông số: giá trị trên và dưới của ngõ ra e Sign
Thực thi một hàm dấu
2.2.3 Mô hình hóa động cơ đốt trong và ứng dụng Simulink để mô phỏng
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ESP MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Giới thiệu khái quát và thành phần của ESP
Chương trình Mô phỏng Động cơ (ESP) là một công cụ tương tác, dễ sử dụng, giúp mô phỏng hiệu suất nhiệt của động cơ Được phát triển tại Đại học Stanford, ESP không chỉ phục vụ mục đích giảng dạy mà còn hỗ trợ các nhà thiết kế động cơ trong quá trình nghiên cứu và phát triển.
Người dùng có khả năng thiết lập các thông số động cơ như đường kính xy lanh, số kỳ, chiều dài thanh truyền, độ nâng và thời gian nâng xú páp Chương trình hỗ trợ phân tích cả động cơ truyền thống và động cơ thế hệ mới Ngoài ra, người dùng có thể điều chỉnh các thông số hoạt động như tốc độ động cơ, thời gian đánh lửa, thời gian đóng mở xú páp, tuần hoàn khí thải và áp suất trên đường ống cho các mô hình không có cổ góp Đối với các mô hình có cổ góp, người dùng cần thiết lập hình dạng đường ống, thông tin dòng khí và các thông số ma sát Các mô hình và thông số có thể được lưu trữ trong tập tin cài đặt động cơ, tự động tải khi mở ESP Các thông số này có thể được điều chỉnh để phù hợp với dữ liệu động cơ thực tế, từ đó giúp phát triển động cơ hiệu quả hơn.
ESP có khả năng hoạt động độc lập bằng cách nhập trực tiếp các thông số vào chương trình Tuy nhiên, một số thông số cũng có thể được tải từ các tập tin có sẵn, được tạo ra bởi các phần mềm như ESPJAN và ESPCAM.
ESPJAN và cách tạo tệp tin ESJ
3.2.1 Công dụng của ESP Ở trong điều kiện lý tưởng với nhiệt độ đủ cao và các chất được tiếp xúc tốt với nhau, chúng ta có thể tính toán được nồng độ cân bằng của các thành phần khác nhau Các tính chất của chất phản ứng và sản phẩm có thế tính toán được nếu chúng ta biết được các thành phần để lập thành một bảng Bảng này cho phép tính toán trạng thái cân bằng hóa học của các hỗn hợp phức tạp bằng cách sử dụng các chương trình máy tính được phát triển cho mục đích này, chẳng hạn như là STANJAN
Với chương trình ESPJAN, chúng ta có thể tính toán bảng giá trị enthalpy (H) và các sản phẩm P-V cho hỗn hợp chất phản ứng và sản phẩm, sau khi xác định nhiên liệu, chất oxy hóa, tỷ lệ nhiên liệu và không khí cùng với áp suất Bảng này sẽ được sử dụng trong ESP để tính toán các đặc tính của động cơ, giả định rằng các sản phẩm phản ứng đang ở trạng thái cân bằng hóa học và tác động của áp lực về thành phần cân bằng là không đáng kể ESPJAN cũng cung cấp dữ liệu về năng lượng cụ thể của các chất phản ứng và sản phẩm, tạo ra một bảng dữ liệu hữu ích cho quá trình phân tích.
3.2.2 Cách sử dụng phần mềm ESP a Khởi chạy chương trình
Có hai cách để khởi chạy chương trình:
- Nhấp đúp chuột vào biểu tượng ESPJAN trên màn hình chính
- Vào mục START All programs ESP ESPJAN
Hình 3.1 Khởi chạy chương trình
Sau khi khởi chạy chương trình, nhấn “Continue” để tiếp tục Bạn sẽ được hỏi có muốn đọc bản hướng dẫn tóm tắt hay không; chọn “Yes” để xem hướng dẫn hoặc “No” để tiếp tục sử dụng chương trình.
Hình 3.2 Màn hình sau khi khởi động chương trình
Sau khi khởi động, tập tin dữ liệu *.SUD chứa các thành phần nguyên tử và dữ liệu nhiệt động lực cho các kiểu chất phản ứng và sản phẩm Tập tin ESP.SUD là tập tin dữ liệu STANJAN mặc định được tải khi bắt đầu ESPJAN Mặc dù tập tin này có thể được chỉnh sửa bằng STANJAN, nhưng việc này không nằm trong phạm vi nghiên cứu của giáo trình này.
Trong các chương trình ESPJAN, ESPCAM và ESP, mỗi bước đều có mục "Help" nằm dưới, cho phép người dùng nhấp vào để xem hướng dẫn cụ thể cho từng bước Bên cạnh đó, việc thiết lập các thông số trong phản ứng cũng rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả của quá trình.
Chúng ta chọn các chất phản ứng bằng cách đánh dấu vào các ô tương ứng, như Hình 3.3, sử dụng phương trình:
Với vế trái là các chất phản ứng, gồm C7H16 là xăng và (O2 + 3,76N2)là hỗn hợp không khí
Hình 3.3 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 3.4 Chọn chất làm nhiên liệu
Sau khi lựa chọn C7H16 (xăng) làm chất làm nhiên liệu, bạn cần nhấn “Proceed to reactant moles specification” để chỉ định số mole cho chất phản ứng, số mole này được xác định từ phương trình phản ứng đã đề cập trước đó.
Sau khi nhập xong mỗi thông số, hãy nhấn “Enter” trên bàn phím để xác nhận Nếu thông số hợp lệ, nó sẽ hiển thị màu xanh như trong Hình 3.4 Tiếp theo, chọn “Proceed to product species selection” để tiếp tục chọn chất làm sản phẩm.
Hình 3.6 Chọn sản phẩm phản ứng
Sản phẩm trong bài viết này đề cập đến các thành phần chính có trong khí xả, được xác định theo phương trình 3.1 Sau khi chọn chất làm sản phẩm, người dùng cần nhấn “Proceed to final data input” để tiến đến bước cuối cùng Cuối cùng, kết quả mô phỏng sẽ được xuất ra.
Trong phần "Dữ liệu cuối cùng", hãy lần lượt nhập các thông số cần thiết, bao gồm áp suất của chất phản ứng, áp suất của sản phẩm, tên mô phỏng và tên tệp tin có đuôi ESJ để sử dụng cho ESP.
Trong mục “Print file”, người dùng có thể chọn xuất kết quả bằng cách nhấn vào “None” để không xuất hoặc chọn đường dẫn để lưu kết quả qua “Write properties to …” Cuối cùng, nhấn “Calculate the properties” để lưu các tập tin Chương trình sẽ lưu từng tập tin một trong trường hợp có hai tập tin cần lưu, và người dùng cần nhấn “continue” sau mỗi lần lưu.
Hình 3.7 Chọn áp suất và lưu tập tin
Để mở tập tin có đuôi OUT (ví dụ: KQ.OUT) trong ESPJAN, bạn có thể thực hiện theo hai cách: Trên màn hình chính của ESPJAN, chọn File → Import text file → KQ.OUT, hoặc từ thanh công cụ nhanh, nhấn vào biểu tượng và chọn tập tin KQ.OUT.
Hình 3.8 Mở tập tin có đuôi 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.
ESPCAM và cách tạo tệp tin ESV
ESPCAM tạo ra tập tin ESV để thiết lập biên dạng xú páp theo góc quay trục khuỷu Các góc mở và đóng của xú páp được định nghĩa là tham số hoạt động trong hệ thống ESP.
Chúng ta có thể chỉnh sửa tập tin ESV hiện có hoặc tạo một tập tin mới chạy trên nền Matlab để hiển thị kết quả dưới dạng đồ thị trực quan.
3.3.2 Cách sử dụng ESPCAM a Khởi chạy chương trình
Tương tự ESPJAN, ESPCAM cũng có hai cách khởi chạy:
- Nhấp đúp chuột vào biểu tượng ESPCAM trên màn hình chính
- Vào mục START All programs ESP ESPCAM
Sau khi khởi chạy, bấm “Continue” để tiếp tục sử dụng chương trình b Thiết lập các thông số cho biên dạng xú páp
Trong mục “Task”, người dùng có hai tùy chọn: chỉnh sửa tập tin ESV bằng cách chọn “Edit” hoặc tạo chương trình mới với số điểm nhập vào bằng cách chọn “Create new program…” Số điểm này đại diện cho các vị trí khác nhau của xú páp tương ứng với góc quay của trục khuỷu, và khi tập hợp lại sẽ tạo thành đường cong biểu diễn độ nâng xú páp theo thời gian Để có đường cong mịn hơn, số điểm cần nằm trong khoảng từ 2 đến 48 Trong trường hợp này, chúng ta chọn tạo tập tin mới và bấm “Do task” để tiếp tục.
Hình 3.12 Nhập bảng độ nâng xú páp Độ nâng xú páp được tính theo công thức:
2 ∗ [1 − cos 360∗(θ cr −θ op ) θ cl −θ op ] (3.2) Trong đó:
- L: độ nâng xú páp tại góc mở 𝜃 𝑐𝑟 ;
- Lmax: độ nâng tối đa của xú páp;
- 𝜃 𝑐𝑟 : góc quay tức thời của trục khuỷu;
- 𝜃 𝑜𝑝 : góc xú páp khi bắt đầu mở Thông thường chúng ta chọn giá trị là 0;
Nếu hoạt động nạp và xả của xú páp không giống nhau, cần tạo ra hai tập tin riêng biệt cho mỗi xú páp.
Hình 3.13 Góc phân phối khí của một động cơ
Bảng 3.1 Độ nâng của xú páp nạp
Bảng 3.2 Độ nâng của xú páp xả
Sau khi nhập bảng độ nâng xú páp, ta tiến hành lưu tập tin
Trong phần "Tùy chọn tệp đầu ra", người dùng có thể tạo đồng thời các tệp Matlab (để xuất kết quả dưới dạng đồ thị), tệp có đuôi PRN (xuất kết quả dưới dạng văn bản) và tệp có đuôi ESV (dùng trong ESP) bằng cách chọn ô vuông bên trái Để xem kết quả dưới dạng văn bản, từ màn hình làm việc của ESPCAM, người dùng chọn File → Import text file và chọn tệp có đuôi PRN Kết quả sẽ được xuất ra như hình minh họa bên dưới.
Hình 3.15 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.
ESP- cách chạy một chương trình hoàn chỉnh
Chúng ta khởi chạy ESP bằng hai cách tương tự như ESPJAN:
- Nhấp đúp chuột vào biểu tượng ESP trên màn hình chính
- Vào mục START All programs ESP ESP
Sau khi khởi chạy, chương trình sẽ xuất hiện thông tin về chương trình và tác giả Bấm “Continue” để tiếp tục
Hình 3.18 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
Chương trình sẽ tự động tải tập tin SETUP.ESS, chứa các thông số động cơ đã được thiết lập Để tiếp tục, hãy nhấn "Continue".
To use an existing ESS file, select "Use another setup file." To create a new file, choose "Create totally new setup." The following section will guide you on how to edit an existing file, including setting the engine parameters.
Thiết lập các thông số hoạt động “Operating Parameters”
Trong mục này, ta cài đặt các thông số:
- Nhập tốc độ quay trục khuỷu (vòng/ phút) tại ô “revolutions per minute”
- Nhập góc đánh lửa sớm tại ô “Ignition at…” hoặc chọn điều chỉnh tự động “Motoring” trong mục “Firing”
- Nhập các thông số điều kiện môi trường xung quanh trong mục
Ambient conditions refer to the intake ambient pressure and exhaust ambient pressure, both measured in atmospheres (atm), while the ambient temperature is expressed in Kelvin (K).
Hình 3.21 Thông số hoạt động và điều kiện môi trường
Chúng ta có thể quyết định có sử dụng xú páp EGR hay không thông qua việc điều chỉnh các thông số như phần trăm khối lượng khí thải hồi về và nhiệt độ hồi về, được đo bằng độ K.
Trong phần "Kiểm soát Van", bạn cần thiết lập các thông số góc quay của trục khuỷu theo thứ tự: góc mở và đóng của xú páp nạp, cũng như góc mở và đóng của xú páp xả Hai thông số cuối cùng là tỷ lệ phần trăm tối đa mà xú páp nạp và xả có thể mở.
Hình 3.22 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:
Để nhập phương thức hoạt động của xú páp nạp, bạn có thể chọn “Cosine” để sử dụng dữ liệu có sẵn từ chương trình, với đồ thị độ nhấc xú páp theo thời gian là đường cô-sin Nếu muốn nhập thông số góc quay của trục khuỷu khi xú páp mở và đóng, hãy chọn “Cosine-constant-cosine” Ngoài ra, bạn cũng có thể sử dụng tập tin có đuôi ESV đã được tạo bởi chương trình ESPCAM bằng cách chọn “Use…” và nhấn biểu tượng để tìm kiếm tập tin.
- Nhập phương thức hoạt động của xú páp xả tương tự xú páp nạp ở trên
- Nhập diện tích (m 2 ) tối đa mà dòng khí đi qua xú páp nạp (intake) và xả (exhaust) trong mục “Valve Reference Areas”
Trong phần "Piston/Cylinder", bạn cần nhập các thông số như đường kính xy lanh (mét), tỷ số nén và hành trình của piston (mét) Tiếp theo, trong mục "piston program", hãy chọn kiểu động cơ: động cơ thông thường (conventional) với chiều dài thanh truyền (rod length) tính bằng mét, hoặc động cơ chu kỳ kép hình sin (Dual stroke sinusoid) với chu kỳ giãn nở mở rộng (expansion stroke).
Hình 3.24 Cài đặt thông số xú páp và piston
Cài đặt thông số mô hình trong mục “Model Parameters”
Để chọn thông số đặc tính nhiên liệu trong phần "Gas Properties", bạn có thể sử dụng tập tin có đuôi ESJ được tạo bởi ESPJAN hoặc lựa chọn từ các thông số có sẵn trong chương trình.
Trong mục “Mô hình dòng chảy van” (Valve flow model), hãy thiết lập thông số dòng khí qua xú páp bằng cách xác định hệ số nạp cho xú páp nạp (intake valve) và xú páp xả (exhaust valve) trong quá trình đi vào và hồi về (backflow).
Hình 3.25 Cài đặt thông số khí nạp và xú páp
Trong mô hình truyền nhiệt "Heat Transfer Model", các yếu tố quan trọng được cài đặt bao gồm số Stanton cho quá trình nén, quá trình cháy đối với khí không cháy và khí đã cháy, cũng như quá trình giãn nở Mô hình này cũng xem xét truyền nhiệt trong xy lanh, từ dòng xú páp nạp và xả, cùng với tỷ số vùng nhiệt trên điểm chết trên so với diện tích mặt cắt ngang của xy lanh Ngoài ra, vùng nhiệt trong dòng khí nạp và xả cũng được tính toán dựa trên diện tích mặt cắt ngang của xy lanh Cuối cùng, nhiệt của vòng đệm, piston và nắp máy, cũng như nhiệt của dòng xú páp nạp và xả được xác định theo độ K.
Cài đặt mô hình dòng chuyển động trong mục “Turbulence Model” bao gồm tỷ số động năng giữa dòng cản đi vào và động năng của dòng thực tế, cũng như giữa dòng xả và dòng hồi về Ngoài ra, cần xem xét yếu tố cản trở phân tán trong quá trình nén, cháy, giãn nở và trao đổi khí, cùng với yếu tố cản trở sinh ra trong suốt các quá trình này.
Hình 3.27 Cài đặt mô hình dòng chuyển động
Để cài đặt kiểu ngọn lửa tại “Flame Geometry Table”, bạn có thể sử dụng tập tin có đuôi ESF nếu đã có sẵn, hoặc chọn thông số của chương trình với tùy chọn “Cylindrical burn” Ngoài ra, bạn cũng có thể tạo một tập tin ESF mới bằng cách nhấp vào “Flame Geometry Table”.
Nhập thông số thể tích khí đã cháy vào cột đầu tiên, lượng nhiệt tại điểm chết trên vào cột thứ hai, và tỷ số vùng cháy tại điểm chết trên so với diện tích mặt cắt ngang của xy lanh vào cột còn lại.
- Sau khi nhập bảng, ta tiến hành lưu tập tin dưới định dạng ESF ở bên dưới
Hình 3.28 Tạo tập tin ESF
Mô hình lan truyền ngọn lửa (Flame Propagation Model) được cài đặt với các thông số quan trọng như khối lượng đã cháy khi đánh lửa, tốc độ màng lửa (m/s), tỷ số giữa tốc độ lan truyền màng lửa và vận tốc lan truyền, cùng với lượng nhiên liệu đã cháy, phản ánh hiệu suất của buồng đốt.
Hình 3.29 Cài đặt mô hình lan truyền ngọn lửa
In the "Intake manifold model," we can select the type of engine with an intake manifold by adjusting several parameters These include the entrance blockage for the intake feeder, which refers to the area of the inlet for the common manifold, and the discharge blockage fraction for the intake feeder, indicating the area of the outlet for the common manifold Additionally, we can modify the entrance blockage fraction for each cylinder's intake runner, the friction factor for the inlet feeder, and the friction factor for each cylinder's inlet runner Other important parameters are the lengths of the intake feeder and the intake runner for each cylinder, as well as their respective diameters The volume of the intake junction and the number of inlet runners from the feeder are also crucial factors to consider for optimizing engine performance.
Hình 3.30 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 3.31 Thiết lập thông số cổ góp xả
Lưu tập tin dưới định dạng ESS tại mục “ Setup file save option”
Hình 3.32 Lưu tập tin dưới định dạng ESS
Sau khi chọn cách lưu tập tin, bấm “Execute selected run task” để
Xuất kết quả mô phỏng và tính toán
Hình 3.33 Lựa chọn tác vụ tiếp theo
- Để xuất kết quả dưới dạng văn bản, chọn “Write model parameter to file ESM” rồi bấm “Execute selected run task”, rồi bấm
“Continue” sau khi tập tin đã lưu
- Để chạy thử chương trình, chọn và nhập số chu kỳ vào chỗ trống