DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU1.Các ký hiệuMo Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg xăng kmol kk mcv Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới mcv' Tỷ nhiệt mo
TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Trong quá trình học tập và thì chúng em đã trãi qua môn học “Tính toán động cơ đốt trong”, em cảm thấy quá trình tính toán động cơ rất hay và hữu ích tuy nhiên còn nhiều bất cập như các thông số khi thay đổi sẽ buộc chúng ta tính toán lại từ đầu và việc nhìn nhận sự thay đổi của thông số dẫn đến thay đổi các đặc tính của động cơ là hết sức khó khăn.
Bên cạnh đó, qua các môn học thì chúng em đã được tiếp xúc nhiều với phần mềm Matlab, trong phần mềm này có một ứng dụng là Guide một ứng dụng hỗ trợ mô phỏng giao diện người dùng rất độc đáo và rất phù hợp để giải quyết các vấn đề khi tính toán và kiểm nghiệm động cơ.
Từ những điều kiện trên , cùng với sự hướng dẫn của thầy TS Đỗ Quốc Ấm,chúng em đã lựa chọn đề tài “Ứng dụng Matlab (Guide) trong tính toán động học và động lực học của động cơ đốt trong” nhằm nghiên cứu và trang bị kiến thức thiết kế và tính toán một động cơ đốt trong.
Mục tiêu nghiên cứu
- Hiểu được ý nghĩa của các thông số ban đầu và thông số được chọn.
- Trình bày được các phương trình liên quan đến tính toán nhiệt, động học và động lực học của động cơ đốt trong.
-Vẽ được các đồ thị.
- Ứng dụng được phần mềm Matlab/Guide vào đề tài.
Phương pháp nghiên cứu
- Sử dụng các thông số lý thuyết sẵn có của xe và các thông số tính toán được để xây dựng đồ thị công, đường dặc tính ngoài, tính toán động học và động lực học của động cơ
- Sử dụng phần mềm Matlab(Guide) để thực hiện xây dựng giao diện tính toán vẽ đồ thị một cách tổng quát.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ sở lý thuyết
2.1.1 Giới thiệu đối tượng nghiên cứu
Trong khuôn khổ của đề tài được giao chúng em lựa chọn dòng xe Toyota Vios
2019 với mã động cơ 2NR-FE không tăng áp để nghiên cứu, dựa trên các thông số kỹ thuật từ nhà sản xuất. Động cơ 2NR-FE là dạng động cơ 1.5L một biến thể của động cơ loạt NR Giới thiệu lần đầu tiên quý 4 năm 2010 cho Toyota Etios Một dạng đổi mới của động cơ này là tích hợp các ống xả vào đầu xilanh để giảm lượng khí thải.
2.1.2 Thông số cho trước của động cơ
Bảng 2.1 Các thông số cho trước của động cơ
Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
2NR-FE (không tăng áp)
Hành trình piston S 90,6 mm Đường kính xylanh D 72,5 mm
Góc mở sớm xupap nạp φ1 10 Độ
Góc đóng muộn xupap nạp φ2 40 Độ
Góc mở sớm xupap xả φ3 60 Độ
Góc đóng muộn xupap xả φ4 7 Độ
Công suất định mức Ne 79 kW
Số vòng quay định mức n 6000 Vòng/phút
Kiểu làm mát Làm mát bằng nước
TÍNH TOÁN NHIỆT, XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH NGOÀI, TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐỘNG CƠ
Tính toán nhiệt
3.1.1 Các thông số cho trước của động cơ
Chọn các thông số cho trước của động cơ để xây dựng lý thuyết đồ thị công chỉ thị của một động cơ cụ thể thông qua các quá trình tính toán nhằm để kiểm nghiệm động cơ so với các phép thử thực tế trên băng tải
Trường hợp cụ thể chọn xe, chọn xe Toyota Vios 2019 với mã động cơ 2NR-FE không tăng áp để kiểm nghiệm Bảng thông số của động cơ 2NR-FE xem bảng 2.1
3.1.2 Chọn các thông số tính toán nhiệt
Trong trường hợp tính toán nhiệt trong bài bài báo cáo này là dùng để kiểm nghiệm động cơ bằng cách sử dụng các thông số đã chọn để tính toán chuyển vị piston, thể tích và áp suất trong lòng xi lanh ở các kì
- Áp suất không khí nạp (p o ) Áp suất của khí nạp (po) (thường là không khí) được nạp vào xi lanh trong quá trình hoạt động của động cơ Trong hệ thống động cơ đốt trong, khí nạp được hút vào xi lanh qua hệ thống hút khí hoặc hệ thống turbo. Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển, giá trị po phụ thuộc vào độ cao so với mực nước biển Càng lên cao thì po càng giảm do không khí càng loãng, tại độ cao so với mực nước biển. po= 0,1 (MN/m 2 )
- Nhiệt độ khí nạp mới (T o )
Nhiệt độ của khí nạp mới (To) trong ô tô là nhiệt độ của không khí sau khi nó đã được nén bởi hệ thống nạp, như là một phần của quá trình làm tăng áp suất trong buồng đốt của động cơ Đây là nhiệt độ mà không khí nạp đạt được sau khi nén và trước khi được đưa vào buồng đốt để đốt cháy với nhiên liệu Nhiệt độ này có thể dao động theo điều kiện hoạt động của động cơ và cũng được kiểm soát để đảm bảo hiệu suất và độ an toàn của hệ thống.
Nhiệt độ không khí nạp mới phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ trung bình của môi trường, nơi xe được sử dụng Điều này hết sức khó khăn đối với xe thiết kế để sử dụng ở những vùng có khoảng biến thiên nhiệt độ trong ngày lớn Miền Nam nước ta thuộc khi vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn to o C
- Áp suất khí nạp trước xupap nạp (p k ) Áp suất khí nạp trước xupap (pk) (còn được gọi là áp suất nạp) là áp suất của không khí hoặc hỗn hợp khí nén trong hệ thống nạp trước khi nó được đưa vào buồng đốt của động cơ xe ô tô Áp suất khí nạp trước xupap quyết định lượng khí được đưa vào buồng đốt, ảnh hưởng đến hiệu suất và công suất của động cơ Điều chỉnh áp suất khí nạp là một trong những yếu tố quan trọng để tối ưu hoá hoạt động của động cơ và đạt được hiệu suất tốt nhất.
Xe Vios sử dụng động cơ 4 kỳ không tăng áp nên pk= po= 0,1 (MN/m 2 )
- Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (T k )
Nhiệt độ khí nạp trước xupap (Tk) (còn gọi là nhiệt độ nạp) là nhiệt độ của không khí hoặc hỗn hợp khí nén trong hệ thống nạp trước khi nó được đưa vào buồng đốt của động cơ xe ô tô. Động cơ 4 kỳ không tăng áp: Tk=To= 293 K
- Áp suất cuối quá trình nạp (p a ) Áp suất cuối của quá trình nạp (pa) là áp suất của khí nạp sau khi đã được nén hoặc nạp vào hệ thống Là áp suất cuối cùng của khí sau khi đã trải qua quá trình nạp Đây có thể là áp suất cuối cùng được đo khi quá trình nạp hoàn tất. Đối với động cơ không tăng áp, áp suất cuối quá trình nạp trong xilanh thường nhỏ hơn áp suất khí quyển, do tổn thất trên ốp nạp và tại bầu lọc gây nên Đối với động cơ 4 kỳ không tăng áp: pa=(0,8÷0,95).poMN/m 2 (3.2)
Cuối quá trình thải, trong xilanh còn lưu lại một ít sản vật cháy, được gọi là khí sót.Trong quá trình nạp số khí sót trên sẽ giãn nở chiếm chỗ trong xilanh và trộn với khí nạp mới làm giảm lượng khí nạp mới. Áp suất khí sót (pr) là áp suất của khí còn sót lại sau khi thải qua xupap xả vì không thải hết sản phẩm cháy ra ngoài Đối với động cơ xăng: pr= (0,11 ÷ 0,12) MN/m 2
- Nhiệt độ khí sót (khí thải) (T r )
Nhiệt độ khí sót (Tr) là nhiệt độ của khí còn sót lại sau khi thải qua xupap xả vì không thải hết sản phẩm cháy ra ngoài phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp khí , mức độ giãn nỡ của sản vật cháy và sự trao đổi nhiệt giữa sản vật cháy và thành xilanh trong quá trình giãn nỡ và thải Khi tính toán, người ta thường lấy giá trị Trở cuối quá trình thải cưỡng bức
Giá trị của Trphụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như tỷ số nén, thành phần hỗn hợp, tốc độ quay, góc đánh lửa sớm
Giá trị của tỷ số nén càng cao thì khí cháy giãn nở nhiều nên Trthấp Trong động cơ xăng thành phần hòa khí ít thay đổi nên giảm tải, Trcũng giảm nhưng giảm ít Nếu các góc đánh lửa sớm quá nhỏ thì quá trình cháy rớt tăng nên Trcao Động cơ xăng:
- Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới (ΔT)
Khí nạp mới khi chuyển động trong đường ống nạp vào trong xylanh của động cơ do tiếp xúc với vách nóng nên được sấy nóng lên một trị số nhiệt độ là ΔT Mức độ sấy nóng khí nạp mới phụ thuộc vào tốc độ lưu thông của khí nạp, thời gian nạp dài hay ngắn, ngoài ra cũng phụ thuộc vào mức độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt tiếp xúc của xilanh với khí nạp Nếu nhiệt độ của môi chất mới tăng sẽ làm giảm mật độ và do đó làm giảm khối lượng môi chất mới nạp vào động cơ Vì vậy trong động cơ xăng, số nhiệt lượng cần thiết để sấy nóng môi chất mới chỉ nhằm làm cho xăng dễ bay hơi trên đường nạp, nếu quá mức ấy sẽ làm giảm lượng môi chất mới nạp vào động cơ
Khi tiến hành tính toán nhiệt của động cơ người ta thường chọn trị số ΔT căn cứ vào số liệu thực nghiệm. ΔT = 0 ÷ 20 (℃)
Hệ số nạp thêm (λ1) biểu thị sự tương quan lượng tăng tương đối của hỗn hợp khí công tác sau khi nạp thêm so với với khí công tác chiếm chỗ ở thể tích Va
Hệ số nạp thêm λ1phụ thuộc chủ yếu vào pha phân phối khí Thông thường có thể chọn: λ1= 1,02 ÷ 1,07, chọn λ1= 1,04
- Hệ số quét buồng cháy (λ 2 )
Hệ số quét buồng cháy (λ2) (còn được gọi là tỷ lệ quét buồng cháy hoặc tỷ lệ quét) là một thước đo quan trọng trong thiết kế động cơ đốt trong Nó đo lường mức độ mở rộng của không gian buồng cháy trong xilanh so với thể tích tối đa có thể đạt được khi piston (xilanh) ở vị trí trên cùng của hành trình chứa nhiên liệu. Đối với động cơ không tăng áp chọn λ2= 1.
- Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt (λ t )
Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt phụ thuộc thành phần hỗn hợp khí α và nhiệt độ khí sót T r để hiệu đính Thông thường có thể chọn λttheo bảng sau
Bảng 3.1 Bảng hệ số hiệu đính tỷ nhiệt. α 0,8 1,0 1,2 1,4 λ t 1,13 1,17 1,14 1,11 Động cơ xăng đã chọn để tính toán có α = 0,9 nên ta nội suy để tính được λt= 1,15.
- Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξb )
Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξb) phụ thuộc vào nhiều yếu tố Khi tốc độ động cơ càng cao, cháy rớt càng tăng dẫn đến (ξb) nhỏ
Dựng đường đặc tính ngoài của động cơ
3.2.1 Khái quát về đường đặc tính ngoài của động cơ Đường đặc tính công suất động cơ có thể hiểu đơn giản là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa công suất phát ra tại trục khuỷu với tốc độ quay của nó Ứng với mỗi vị trí bướm ga (hoặc chân ga) sẽ có một đường đặc tính công suất khác nhau Để đơn giản quá trình đánh giá, người ta thường sử dụng khái niệm đường đặc tính ngoài, đo khi bướm ga mở lớn nhất. Đồ thị đường đặc tính ngoài của động cơ được dùng để đánh giá sự thay đổi các chỉ tiêu chính của động cơ khi tốc độ trục khuỷu thay đổi và chọn vùng tốc độ sử dụng một cách hợp lý khi khai thác. Đồ thị p-V Ápsuất-p(MN/m2 )
3.2.2 Thứ tự dựng các đường đặc tính Đối với động cơ xăng không tăng áp thì ta xây dựng các đường đặc tính theo công thức sau.
- Đường đặc tính công suất Ne.
N ) 3 ] = 79 [ 6000 n + ( 6000 n ) 2 − ( 6000 n ) 3 ] (3.52) Với Nemax= 79 (kW),n N = 6000 rpm, a = 1, b = 1, c=1 thay vào công thức (3.52).
Ne, n: công suất hữu ích của động cơ và số vòng quay của trục khuỷu ứng với một điểm bất kỳ của đồ thị đặc tính ngồi.
Nemax ,��: là công suất có ích cực đại và số vòng quay ứng với công suất nói trên.
-Đường đặc tính momen Me.
VớiM e N = N emax ω = 200π 79 (Nm) thay vào công thức (3.53).
- Đường đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu ge. g e =g e N [ 1,2- n n
N ) 2 ] (g/kW.h) (3.54) Vớig e N =0,3827 (kg/kW h) thay vào công thức (3.54).
Hình 3.2 Đồ thị đường đặc tính ngoài
Me(Nm),ge(kg/kWh) Ne(MN) Đồ thị đường đặc tính ngoài
Tính toán động học cơ cấu piston-khuỷu trục-thanh truyền
3.3.1 Động học của piston (theo phương pháp giải tích)
Vì chu kỳ của chuyển vị, vận tốc và gia tốc lặp lại nên chỉ cần xét: [0°;360°]. Thông số kết cấu λ =R/L là tỷ số giữa bán kính quay trục khuỷu R và chiều dài thanh truyền L.
Dựa vào bảng 3.8 thông số kết cấu của ô tô có giá trị 2,9 1 ÷ 1
4,2 vàtỉsốS/D có giá trị 0,83÷1,70 với tỉ số S/D đã tính toán thực tế là 1,248, ta tiến hành nội suy và tính được λ=0,2896.
Bảng 3.8 Phạm vi giá trị các thông số kết cấu động cơ
Hình 3.3 Hệ lực tác dụng lên cơ cấu piston - trục khuỷu - thanh truyền lệch tâm
Cơ cấu piston - trục khuỷu - thanh truyền lệnh tâm là cơ cấu mà tâm chốt piston không nằm trùng trên đường tâm xylanh Việc sử dụng cơ cấu này nhằm:
+ Giảm lực ngang N tác dụng lên xylanh nhằm để giảm mài mòn và va đập của piston, xéc măng và xylanh.
+ Làm giảm tiếng ồn của động cơ.
+ Tăng dung được dung tích công tác của xylanh khi giữ nguyên đường kính xylanh D và bán kính quay trục khuỷu R
Thông thường k = R a có giá trị rất nhỏ, trong các động cơ ngày nay a < 5 mm (a là khoảng cách lệch tâm) và không vượt qua 10% đường kình piston nên ta có thể chọn a
=0,048, R là bán kính quay trục khuỷu (OB) Nên k thường biến động trong phạm vi k 0,04:0,2 nên chọn k=0,09.
Khi trục khuỷu quay một góc α thì piston dịch chuyển được một khoảng x so với vị trí ban đầu Chuyển vị của piston trong xi lanh động cơ tính bằng công thức sau:
Sp= 54,3 [ 1 − cos α + 4 λ 1 − cos 2α −λ.k.sin(α)] (mm)
L – thông số kết cấu động cơ (3.56)
L: chiều dài thanh truyền (mm)
Hình 3.4 Đồ thị chuyển vị của piston
Ta xác định phương trình tốc độ của piston là hàm phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu bằng cách vi phân biểu thức. dx dt = dα d = R[1-cos(α))+ 4 λ (1-cos(2.α))−λ.k.sin(α)] dα dt (3.58)
Ta có dx dt = n v p – tốc độ piston (mm/s) ω −vận tốc góc của trục khuỷu (rad/s) dα dt =ω= 2π n e
60 = 2π 6000 60 = 200π(rad/s) (3.59) Đồ thị chuyển vị Sp
Vi phân phương trình (3.58) ta tính được vp vp=R.ω.[sin α+ λ
Hình 3.5 Đồ thị vận tốc của piston
Lấy đạo hàm công thức (3.60) theo thời gian ta có công thức tính gia tốc của piston. jp= dv p dt = dα dv ∙ dα dt = dα dv ω (3.61) j p = Rω 2 [cos(α) + λ.cos(2.α)+λ.k.sin(α)] (3.62) j p = 54,3.(200π) (200π) [cos(α) + 0,2896.cos(2.α)+λ.k.sin(α)] (mm/s 2 ) Đồ thị vận tốc vp vp(mm/s)
Hình 3.6 Đồ thị gia tốc của piston
Tính toán động lực học cơ cấu trục khuỷu -thanh truyền
Phần tính toán động lực học nhằm xác định quy luật biến thiên của lực khí thể, lực quán tính và hợp lực tác dụng lên piston cũng như các lực tiếp tuyến tác dụng lên bề mặt cổ khuỷu (chốt khuỷu) Trên cơ sở đó sẽ xây dựng đồ thị véc tơ lực (phụ tải) tác dụng lên bề mặt cổ khuỷu, cổ trục và bạc đầu to thanh truyền Từ các đồ thị véc tơ phụ tải ta biết được một cách định tính tình trạng chịu lực của bề mặt và đô đột biến của tải thông qua hệ số va đập.
3.4.2 Động lực học của cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền
Lực khí thể là lực do hỗn hợp không khí và nhiên liệu bị đốt cháy trong xi lanh giãn nở về thể tích tác dụng 1 lực lên đỉnh pít tông đẩy pít tông đi xuống.
Ta triển khai đồ thị công p-V thành đồ thị Pkt= f(α) với α ϵ [0°;720°], bỏ qua lượng hao hụt povà tính trên đơn vị diện tích đỉnh piston (MN/m 2 )
Pkt=(pkt−po).Fp= (pkt−po).π D tt 4 2 =(pkt−0,01) π 0,08695 4 (MN) (3.63) Trong đó: pkt- áp suất khí trong xilanh động cơ po= 0,01 MN/m2- áp suất khí quyển
Fp diện tích đỉnh piston (m 2 ) Đồ thị gia tốc jp
Góc quay (độ) jp(mm/s2 )
B Lực quán tính của các chi tiết chuyển động
- Khối lượng cơ cấu khuỷu trục-thanh truyền
Khối lượng nhóm pistonm np (khối lượng các chi tiết chuyển động thẳng) bao gồm khối lượng của piston, xecmang, chốt piston Ngoài ra còn có khối lượng của các guốc trượt,… m np = G np g = 1 g.(G p + G x + G c + …) (3.64) Động cơ xămg, piston là hợp kim nhôm và có D =(60~100) mm và m np = 8 ~ 15 (g/cm 2 ) Nội suy nên ta chọn đượcm np = 10,1875 (g/cm 2 )
Khối lượng của trục khuỷu (các chi tiết chuyển động quay) m K =m ChK + 2m m ρ R (3.65)
Thanh truyền chuyển động khá phức tạp, đầu nhỏ chuyển động tịnh tiến, đầu to chuyển động quay, thân chuyển động lắc Vì vậy, trong tính toán lực quán tính ta thay thế nhóm thanh truyền bằng một hệ tương đương có khối lượng tập trung tại ba điểm (tại tâm chốt piston, tâm chốt khuỷu và trọng tâm thanh truyền) Khối lượng của thanh truyền (bỏ qua khối lượng xéc măng và chốt)
Tổng các khối lượng thay thế phải bằng khối lượng thực của thanh truyền: mtt =m A +mB +mo (3.66)
Do là động cơ xăng và có D =(60~100)mm , mtt = (10 ~ 20) (g/cm 2 ) Nên ta nội suy đượcm tt = 13,125 (g/cm 2 )
Khối lượng quy về đầu nhỏ thanh truyền: mA = (0,275÷0,359)mtt (3.67) ChọnmA= 0,35mtt = 0,35.13,125 = 4,5938(g/cm 2 )
Khối lượng đầu to thanh truyền mB = (0,65÷0,725)mtt (3.68)
Khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền m j =m np +m A = 10,1875 + 4,5938 = 14,7813 (g/cm 2 ) (3.69)
Khối lượng chuyển động quay của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền Do trục khủyu làm bằng vật liệu thép rèn và có D =(60~100)mm, mk=(15~20) (g/cm 2 ) Nên ta nội suy đượcmtt= 13,125 (g/cm 2 ) mr=mK+mB ,5625 + 8,5313 = 25,0938 (g/cm 2 ) (3.70)
- Lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến
Lực quán tính do khối lượng chuyển động tịnh tiến mj gây nên thường được gọi tắt là lực quán tính chuyển động tịnh tiến
Pj= - mj.Jp= - mj.R.ω 2 [cos(α)+λ.cos(2α) +λ.k.sin(α)].10 -6 (3.71)
- Lực quán tính của khối lượng chuyển động quay tác dụng lên đường tâm má khuỷu
Ta tiến hành vẽ đồ thị P 1 =f(α) bằng cách cộng hai đồ thịP j =f(α) vàP kt =f(α).
Hình 3.7 Đồ thị P,Pkt ,Pj, P1 Đồ thị P,Pkt,Pj,P1
Góc quay trục khuỷu (độ)
D Hệ lực tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu-thanh truyền
- Lực tổng hợp tác dụng lên chốt piston
Lực tổng tác dụng lên chốt piston: là hợp lực của lực khí thể pkt và lực quán tính tịnh tiến pj, có giá trị bằng tổng đại số của hai lực này.
- Lực tác dụng dọc tâm thanh truyền
Lực tác dụng dọc tâm thanh truyền: β = arcsin[λ.(sinα-k)] (3.75)
Lực ngang là phản lực của xi lanh lên pít tông có giá trị tùy thuộc vào vị trí di chuyển của pít tông.
Hình 3.8 Đồ thị lực thẳng góc đường tâm xylanh
T=P tt sin(α+β)=P 1 sin(α+β) cosβ (MN/m 2 ) (3.78) Góc quay trục khuỷu (độ) Đồ thị lực ngang-N
Hình 3.9 Đồ thị lực tiếp tuyến
Z=P tt cos(α+β)=P 1 cos(α+β) cosβ (MN/m 2 ) (3.79)
Hình 3.10 Đồ thị lực pháp tuyến
E Moment tổng cộng tác dụng lên trục khuỷu của động cơ i=1 n=4M i =R i=1 n=4 T i (3.80) Đồ thị lực tiếp tuyến T
Góc quay trục khuỷu (độ) Đồ thị lực pháp tuyến Z
Góc quay trục khuỷu (độ)
Trong đó: i=1 n=4 Tilà tổng lực tiếp tuyến tác dụng lên trục khuỷu
R: là bán kính quay của trục khuỷu.
Ta chia lực tiếp tuyến tác dụng lên từng xylanh trong mỗi chu kì thành 4 phần:
T1: lực tiếp tuyến tác dụng lên trục khuỷu trong quá trình nạp.
T2: lực tiếp tuyến tác dụng lên trục khuỷu trong quá trình nén.
T3: lực tiếp tuyến tác dụng lên trục khuỷu trong quá trình cháy giãn nở.
T4: lực tiếp tuyến tác dụng lên trục khuỷu trong quá trình thải. Động cơ đã cho là động cơ xăng 4 xylanh, lập bảng thử tự nổ 1-3-4-2 của động cơ như sau: δ k =180 τ i = 180 4
4 0° (3.81) δk là góc lệch công tác
Bảng 3.9 Bảng thứ tự công tác của động cơ
Nửa vòng quay của trục khuỷu
Góc quay trục khuỷu Xi lanh số
Thứ nhất 0 0 -180 0 Nổ Xả Nén Nạp
Thứ hai 180 0 -360 0 Xả Nạp Nổ Nén
Thứ ba 360 0 -540 0 Nạp Nén Xả Nổ
Thứ tư 540 0 -720 0 Nén Nổ Nạp Xả
Trong đó: τ: số kì i: số xylanh Đối với động cơ 4 xylanh có thứ tự làm việc 1-3-4-2, tại ví trí đầu tiên khi trục khuỷu của xyalnh 1 nằm ở 0° (hoặcα1= 720°) thì:
- Trục khuỷu của xylanh 3 nằm ở:α 3 = 720° - 180° = 540°
- Trục khuỷu của xylanh 4 nằm ở:α 4 = 540° - 180° = 360°
- Trục khuỷu của xylanh 2 nằm ở:α2 = 360° - 180° = 180°
Thời gian ngắn nhất tính theo góc quay của trục khuỷu, giữa lần nổ trong hai xylanh kề nhau là:
F Đồ thị vector phụ tải tác dụng lên bề mặt chốt khuỷu Đồ thị vector phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu dùng để xác định lực tác dụng lên chốt khuỷu ở mỗi vị trí của khuỷu trục Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được vị trí chịu lực bé nhất để khoan lỗ dầu bôi trơn và xác định phụ tải khi tính sức bền ở trục Đồ moment M
Hình 3.12 Hệ lực tác dụng lên trục khuỷu
Nghiên cứu về hệ lực tác dụng lên trục khuỷu, trước tiên ta xét trên mỗi khuỷu trục, tại chốt khuỷu (nếu chế tạo rời) có các lực tác dụng sau:
- Lực ly tâm PKo(lực quán tính của khối lượng chuyển động quay của phần khối lượng quy về đầu to thanh truyền) được xác định bằng công thức
Từ hình vẽ ta có hợp lực tác dụng lên trục khuỷu Qch là vector lực Qch được xác định bằng phương trình vector sau
Mà T+ Z =P tt thay vào công thức (3.83) ta có:
Hình 3.13 Đồ thị phụ tải
G Đồ thị lực tác dụng lên chốt khuỷu
Theo hình (3.12) ta có� và ;PK0 cùng phương, ngược chiều, Tvà Zvuông góc với nhau, nên áp dụng định lý pytago ta tính được giá trị của Q ch ứng với từng góc quay của trục khuỷu
Q ch : hợp lực tác dụng lên chốt khuỷu
T+Pk0(MN/m 2 ) Đồ thị phụ tải
Hình 3.14 Đồ thị lực tác dụng lên chốt khuỷu Q
H Đồ thị mài mòn chốt khuỷu Để vẽ được đồ thị mài mòn chốt khuỷu ta thực hiện theo phương pháp lập bảng và tiến hành như sau:
-Vẽ 1 đường tròn tượng trưng cho chốt khuỷu với bán kính bất kỳ, chia đường tròn thành
24 phần bằng nhau (mỗi phần 15°) và đánh số thứ tự (0, 1, 2, …23) theo chiều quy ước ngược chiều kim đồng hồ.
-Lấy 24 giá trị của Qch tương ứng với góc quay trục khuỷu từ 0-360°, mỗi giá trị cách nhau 15° góc quay trục khuỷu, làm tương tự ứng với góc quay trục khuỷu từ 360°- 720° sau đó ghi vào bảng bên dưới và tính hợp lực∑ Qi của các lực tác dụng trên các điểm 0, 1,
2, …, 23 Ghi các giá trị của các ∑ Q i trong phạm vi tác dụng vào bảng bên dưới (phạm vi tác dụng giả thiết là 120 o , nên tương ứng với 9 ô trong bảng).
- Cộng trị số của ∑ Q theo chiều dọc từ trên xuống ta được các giá trị ∑ Qo, ∑ Q1,…, ∑
Sau khi có được các giá trị của ∑ Qita tiến hành như sau:
- Đặt các đoạn thẳng đại diện cho ∑ Q ở các điểm 0, 1, 2, …, 23 từ đường tròn hướng về tâm theo thứ tự các điểm.
- Nối các điểm lại với nhau bằng một đường cong thích hợp ta được đường cong thể hiện độ mài mòn chốt khuỷu.
Góc quay trục khuỷu (độ)
Qch(MN) Đồ thị lực tác dụng lên chốt khuỷu Qch
Hình 3.15 Đồ thị mài mòn chốt khuỷu
Qy(MN/m2 ) Đồ thị mài mòn
ỨNG DỤNG MATLAB (GUIDE)
Giới thiệu chung về Guide
GUI (Graphical User Interface) là giao diện đồ họa có điều khiển bởi nhiều thanh công cụ được người lập trình tạo sẵn, cho tương tác giữa người dùng là giao diện chương trình, Mỗi chương trình được người lập trình tạp sẵn giao diện thực hiện một vài chức năng được người lập tỉnh tạo sẵn và giao tiếp với người sử dụng. Ứng dụng của Matlab lập trình giao diện rất mạnh và dễ thực hiện, nó có thể tạo ra giao diện người dùng tương tự VBB, C++,
GUI bao gồm đầy đủ các chương trình hỗ trợ như thực hiện phép toán LOGIC, mô phỏng không gian 2D,3D, đọc hiển thị dữ liệu, liên kết đa phương tiện Giao tiếp với người dùng thông qua hình ảnh, các nút nhấn thực thi
Hầu hết GUI chỉ thực hiện (trả lời) lệnh người dùng thông qua các tác động của người dùng lên giao diện, người sử dụng không cần biết cấu trúc chương trình vẫn có thể thực hiện được GUI được thực hiện thông qua các hàm CALLBACK Khi người dùng tác động lên giao diện bằng các cách khác nhau, hàm CALLBACK sẽ được gọi để thực thi.
Có 2 phương pháp để lập trình GUI:
+ Cách đơn giản nhất là sử dụng công cụ có sẵn trong GUI Matlab để lập trình Ưu điểm của cách này là dễ thực hiện và các hàm FUNCTION được GUI tự tạo sẵn.
+ Cách này được lập trình từ siêu tệp Mfile bằng các hàm FUNCTION do người lập trình tự viết, nó có ưu điểm là tùy biến cao Tuy nhiên cách này khó hơn và đòi hỏi người lập trình phải có hiểu biết sâu và trình độ. Ở đây với những bài tập đơn giản về giao diện, ta thực hiện cách thứ nhất để lập trình giao diện với nhưng công cụ được hỗ trợ sẵn trong Matlab Khi thao tác trên giao diện chúng ta không thể thay đổi các hàm trong nó.
4.1.2 Các bước thao tác với Guide và mô tả các chức năng các công cụ cơ bản trong Guide
Thực hiện khởi động Matlab đến GUI theo hình sau:
+ Khởi động Matlab từ biểu tượng Matlab trên màn hinh desktop
+ Trong cửa sổ Comment Windowns gõ lệnh “guide” và enter: ta được giao diện màn hình như hình 4.1.
Hình 4.1 Giao diện khi bắt đầu khởi động Guide Chức năng của các các chọn:
+ Blank GUI (Default): Hộp thoại GUI trống không có một điều khiển uicontrol nào cả. + Guide with Uicontrols: Hộp thoại Guide với một vài uicontrol như button, Chương trình có thể chạy ngay.
+ GUI with Axes and Menu: Hộp thoại GUI với một uicontrol axes và button, các menu để hiển thị đồ thị.
+ Modal Question Dialog: Hộp thoại đặt câu hỏi Yes, No.
+ Open Existing GUI: mở một project có sẵn
+ Create New GUI: Tạo một hộp thoại GUI mới theo một trong các loại sau
Hình 4.2 Giao diện file đuôi fig trong Guide Trước khi tạo giao diện ta lưu File lại, Matlab sẽ tự động lưu 2 file, một file đuôi m và một file đuôi fig hoặc ta có thể nhấn F5, Matlab sẽ chuyển đường dẫn đến thư mục lưu file, chọn nơi cần lưu và nhấn Save.
- Mô tả chức năng các công cụ cơ bản trong Guide
Trong giao diện trên chúng ta có thể thao tác để tùy biến các thanh công cụ phù hợp với mục đích sử dụng Mô tả chức năng các công cụ cơ bản:
Hình 4.3 Các thanh công cụ trong guide
1) Nhóm các biểu tượng được Matlab GUI hỗ trợ sẵn.
+ Push Button: là nút nhấn, khi nhấn vào sẽ thực thì lệnh trong cấu trúc hàm callback của nó
+ Slider: là thanh trượt cho phép người dùng di chuyển thanh trượt để thục thi lệnh.
+ Radio Button: Nó giống như Check Box nhưng thường được sử dụng để tạo sự lựa chọn duy nhất, tức là 1 lần chỉ được chọn 1 trong số các nhóm nhiều nút Khi một ô được chọn thì các ô còn lại trong nhóm bị bỏ chọn.
+ Check box: Sử dụng để đánh dấu tích (thực thỉ) vào và có thể check nhiều ô đề thực thì + Edit Text: là nơi các kí tự được nhập vào từ người dùng, người dùng có thể thay đổi được
+ Static Text: Là các kí tự được hiển thị thông qua các callback, hoặc thông thường để viết nhân cho các biểu tượng, người dùng không thể thay đổi nội dung.
2) Là nơi để cân chỉnh các nút, biểu tượng trên giao diện.
3) Là nơi để tạo giao diện con liên kết với giao diện chính.
4) Nút Play (Run) để thực thi chương trình.
5) Thanh công cụ để mở, lưu, chỉnh sửa file.
6) Nhấp chuột vào để thay đổi độ rộng của giao diện
Chú ý: có thể thay đổi các thuộc tính của các điều khiển bằng cách mở hộp thoại Inspection.
Hình 4.5 Hộp thoại Inspection Phía bên trái của Menu Inspector là tên thuộc tính, có thể gọi thực thi các thuộc tỉnh này bằng các lệnh.
Phía bên phải là giá trị của thuộc tính, giá trị này do người dùng đặt, có thể thay đổi thông qua các lệnh gọi (callback), hoặc được thiết lập trước.
Ứng dụng GUI vào đề tài
Do yêu cầu của đề tài cần phải thực hiện tính toán và vẽ những đồ thị đặc tính của động cơ một cách nhanh nhất, chính xác nhất và hơn hết là có thể thay đổi các thông số trong quá trình làm việc nên Guide/Matlab là lựa chọn tốt và khả nhất mà chúng em ứng dụng vào đề tài.
Mặt khác, trong đề tài này, ứng dụng còn giúp nguời dùng dễ dàng quan sát những thay đổi dù là nhỏ nhất của các đồ thị công, đặc tính ngoài, mài mòn, khi điều chỉnh các thông cơ bản Từ đó, dễ dàng kiểm nghiệm và lựa chọn thông số phù hợp nhất cho động cơ.
Hình 4.6 Sơ đồ khối Guide
4.2.3 Giao diện thiết kế và cách hoạt động
Giao diện thiết kế sẽ được lưu trữ dưới dạng file fig và được thể hiện như hình sau.
Hình 4.7 Giao diện chương trình GUIDE Trong chương trình, chúng em đã sử dụng các khối công cụ lập trình như:
Chọn đồ thị Chọn thông số
+ Pop-up Menu: Thanh chọn đồ thị
Hình 4.8 Thanh chọn đồ thị + Push Botton: Nút vẽ
Hình 4.9 Nút vẽ đồ thị + Static Text: Tên chương trình
+ Edit Text: Các ô nhập thông số
Hình 4.11 Các ô nhập thông số + Axes: Hiển thị đồ thị
Hình 4.12: Màn hình hiển thị đồ thị
Trong tất cả các khối công cụ trên chúng em đã tác động chúng dựa trên hộp thoại Inspector chủ yếu sẽ thay đổi phần tag (xem như tên của công cụ lập trình trong khi lập trình) và phần string (phần hiển thị tên của khối công cụ lập trình trong giao diện chương trình) Đặc biệt đối với thanh chọn đồ thị (Pop-up Menu) phần string được xem như là một thông tin được chuyển đổi từ tín hiệu kí tự thành tín hiệu số để xác định dạng đồ thị cần vẽ.
Hình 4.13 Đặc tính string và tag trong hộp thoại Inspector
- Cách hoạt động chương trình
Sau khi mở Guide và tạo lập file fig, thì chúng em tiến hành thiết kế chương trình từ những các khối công cụ lập trình như hình “ Giao diện chương trình Guide” và ấnSave thì tất cả các thuộc tính cũng như các Callback của các khối công cụ lập trình sẽ được thể hiện trong file m tương ứng ở giao diện lập trình Matlab.
Hình 4.14 Giao diện lập trình Matlab/Guide file m
Sau đó, chúng em sẽ thực hiện công việc xây dựng code để tạo lập những chức năng của các khối công cụ lập trình.
Hoàn thành code và xây dựng giao diện chương trình thì sẽ chạy được chương trình bằng cách nhấn lệnh Run trong giao diện file m hoặc file fig.
Hình 4.15 Giao diện khi chạy chương trình Sau khi nhấn lệnh Run thì chúng ta sẽ chọn đồ thị và nhập các thông số theo bảng
“Nhập số liệu”, tiếp tới, chúng ta sẽ nhấn lệnh “Vẽ” thì chương trình sẽ chạy và xuất ra các đồ thị mà chúng ta yêu cầu.
Chương trình sẽ chia ra làm ba màn hình hiển thị đồ thị nhằm mục đích dễ dàng nhận xét sự thay đổi của các lực thành phần như lực ngang N, lực tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z sẽ ảnh hưởng lên các lực tổng hợp Qch, và độ mài mòn chốt khuỷu như thế nào.
Hình 4.16 Đồ thị mài mòn, lực T, lực Z khi chạy chương trình Lưu ý: Các thông số có thể thay đổi trực tiếp trong khi chương trình chạy và các đồ thị sẽ được cập nhật lại khi nhấn “Vẽ” trên giao diện.
