TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, bên cạnh các tiêu chí về vẻ đẹp và sự sang trọng của xe, yêu cầu tiết kiệm nhiên liệu cũng được đặt lên hàng đầu Vấn đề quan trọng là làm thế nào để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến mức tiêu hao nhiên liệu và tuổi thọ của xe Do đó, việc hiểu rõ các yếu tố này sẽ giúp chúng ta có những biện pháp khắc phục hiệu quả, đồng thời tránh những tác nhân tiêu cực ảnh hưởng đến hiệu suất nhiên liệu Nhận thức được điều đó, nhóm sinh viên chúng tôi đã chọn thực hiện đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo và vận hành tới tiêu hao nhiên liệu trên xe”.
Mục đích nghiên cứu
Bài viết này sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các bộ phận chính của xe và những nguyên nhân chủ quan từ người lái hoặc ảnh hưởng của các yếu tố môi trường dẫn đến việc tiêu hao nhiên liệu cao Chúng ta sẽ phân tích tác động của các thông số cấu tạo và vận hành đến mức tiêu thụ nhiên liệu của ô tô Từ đó, bài viết đưa ra những kết luận quan trọng, giúp chúng ta nắm vững thông tin và tính chất của các yếu tố này, nhằm phòng tránh và khắc phục, từ đó tìm ra giải pháp tối ưu để tiết kiệm nhiên liệu và kéo dài tuổi thọ cho động cơ cũng như các bộ phận khác trên xe.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu này tập trung vào cấu tạo và thiết kế của xe, cũng như các bộ phận và lực tác động lên xe, ảnh hưởng đến tiêu hao nhiên liệu Các yếu tố như vận tốc, tải trọng và trình độ lái xe cũng được xem xét, bên cạnh tác động của môi trường Sau khi phân tích các nguyên nhân lý thuyết, chúng tôi sẽ áp dụng để tính toán tiêu hao nhiên liệu cho xe Toyota GT86 2013, nhằm hiểu rõ hơn về vấn đề này.
ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ VÀ CÁC LỰC TÁC DỤNG LÊN Ô TÔ
Phân tích đặc tính động cơ đốt trong và đặc tính kinh tế nhiên liệu
2.1.1 Phân tích đặc tính động cơ đốt trong Để xác định được lực hoặc mômen tác dụng lên các bánh xe chủ động của ô tô, chúng ta cần phải nghiên cứu đặc tính công suất của động cơ đốt trong loại piston Đặc tính công suất mô tả quan hệ giữa công suất Pe và hai thành phần của nó là mômen Me và tốc độ góc ωe (hay số vòng quay ne) Thông thường nó được biểu diễn qua đặc tính tốc độ của mômen M e (ω e ) hay đặc tính tốc độ của công suất P e (ω e )
Mối quan hệ giữa P e , M e , ω e được biểu diễn theo công thức:
M e - Mômen xoắn của động cơ [N.m]
P e - Công suất của động cơ [kW] ωe - Vận tốc góc của động cơ [Rad/s]
Thông thường chúng ta hay sử dụng đặc tính P e , M e (ω 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 điểm trên đặc tính ngoài, thường tương ứng với công suất cực đại, với các thông số Pemax, M e P, và ω e P Trong khi đó, chế độ mômen xoắn cực đại liên quan đến các thông số P e m, M emax, và ω e m.
* Hệ số đàn hồi (thích ứng) của động cơ theo mômen: Ở đây: K m = M emax
M emax – Mômen xoắn cực đại của động cơ
K m – Hệ số thích ứng của động cơ theo mômen Đối với từng loại động cơ, hệ số thích ứng theo mômen có giá trị như sau:
– 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 ứng) theo tốc độ:
K m = ω e m ω e p (2.3) Ở chế độ danh định khi biết K m thì:
Chúng tôi xây dựng đường đặc tính của động cơ bằng cách thử nghiệm trên bệ thử trong các điều kiện xác định Tuy nhiên, công suất động cơ đo được trên bệ thử không hoàn toàn phản ánh công suất thực tế khi động cơ được lắp đặt trên xe Do đó, chúng tôi giới thiệu hệ số công suất hữu ích h P để điều chỉnh sự khác biệt này.
Hệ số h P ′ nằm trong khoảng 0,92 đến 0,96, thể hiện sự sai khác về công suất do sự thay đổi của một số thiết bị trong quá trình thử nghiệm động cơ Trong khi đó, h P ′′ phản ánh tác động của môi trường đối với kết quả thử nghiệm.
Với: q (MPa), t ( 0 C) là áp suất và nhiệt độ phòng thử
Phân tích đặc tính ngoài động cơ
Đặc tính ngoài của động cơ, được thể hiện qua đồ thị tốc độ ngoài, phản ánh hiệu suất của động cơ khi nhiên liệu được cung cấp đầy đủ.
+ n emin – Tốc độ tối thiểu mà động cơ làm việc ổn định khi phụ tải đạt 100% (nemin
= (0,15 ÷ 0,20)n e - đối với động cơ xăng và n emin = (0,50 ÷ 0,60)n hc đối với động cơ diesel)
+ n e M – Tốc độ khi đạt mô men lớn nhất M emax
Tốc độ tối đa của động cơ với bộ hạn chế tốc độ được xác định bởi n e P, Pemax hoặc Pehc Để tính toán các thông số P e, M e, g e, cần áp dụng công thức thực nghiệm của S.R Lây-đéc-man Vùng làm việc ổn định của động cơ nằm giữa n e M và n e P, đảm bảo hiệu suất hoạt động trong khoảng này.
Khi áp suất giảm, mô men tăng, giúp phương tiện duy trì sức kéo và hiệu suất làm việc tốt, mặc dù tốc độ có thể giảm một chút Ngược lại, khi áp suất tăng, sức kéo có thể giảm nhưng tốc độ lại tăng lên.
Khi P e và M e giảm, động cơ có thể chết máy ngay cả khi gặp chướng ngại nhỏ Tuy nhiên, trong môi trường làm việc ổn định, khi gặp chướng ngại, tốc độ và công suất sẽ giảm, nhưng M e lại tăng lên, giúp động cơ vượt qua chướng ngại mà không cần giảm số.
2.1.1.1 Đối với động cơ xăng: Đặc tính ngoài động cơ xăng chia làm hai loại là : không hạn chế số vòng quay và có hạn chế số vòng quay
Động cơ xăng có hai loại đặc tính ngoài: không có bộ phận hạn chế số vòng quay và có bộ phận hạn chế số vòng quay Đặc tính không có bộ phận hạn chế thường được sử dụng cho xe du lịch, với giá trị ω emax không vượt quá 10 ÷ 20% so với ω e P Ngược lại, động cơ có bộ phận hạn chế số vòng quay thường được lắp trên xe tải để tăng tuổi thọ, với nemax được chọn trong khoảng 0,8 ÷ 0,9 n e P.
2.1.1.2 Đối với động cơ diesel Đường M e không cong bằng đường Me của động cơ xăng vì khi tốc độ giảm, hệ số nạp tăng, mức độ tiêu thụ nhiên liệu trong một chu trình giảm làm hệ số dư không khí tăng (hỗn hợp nhạt dần) nên Me tăng ít (hình 2.3) Ở động cơ diesel khi tăng tốc độ, hệ thống phun nhiên liệu làm tăng nhiên liệu cấp, một phần khi giảm tải, hệ số nạp tăng Do đó, khi giảm phụ tải ngoài, do tăng hệ số nạp, còn lượng nhiên liệu không đổi nên sẽ làm cho tốc độ động cơ tăng vọt rất nguy hiểm cho động cơ
Động cơ diesel cần được trang bị bộ hạn chế tốc độ tại nhc để kiểm soát hiệu suất hoạt động Khi đạt đến tốc độ cho phép, bộ hạn chế sẽ tự động giảm lượng nhiên liệu phun vào động cơ, đảm bảo hiệu quả và an toàn Tại nktmax, giá trị Pe và Me sẽ bằng 0.
Trong động cơ xăng, tỷ số n emax nằm trong khoảng (0,85 ÷ 1,15)n e, trong khi đó, đối với động cơ tăng áp, các đường đặc tính M e và P e cao hơn so với động cơ không tăng áp, nhưng g e lại thấp hơn, đặc biệt là ở tốc độ cao Đối với động cơ diesel, có thể xây dựng nhiều đường đặc tính khác nhau tùy thuộc vào mức độ phun nhiên liệu.
2.1.1.3 Phân tích đồ thị đặc tính ngoài
Vùng làm việc ổn định của động cơ:
Hình 2.3: Đồ thị đặc tính ngoài động cơ Diezel
Khu vực nằm giữa n e M và n e P cho thấy mối quan hệ giữa lực kéo và tốc độ Khi P e giảm, Me tăng, giúp phương tiện duy trì sức kéo và hoạt động hiệu quả, mặc dù tốc độ có thể giảm Ngược lại, khi P e tăng, sức kéo giảm nhưng tốc độ lại tăng Ngoài khu vực này, cả Pe và Me đều giảm, dẫn đến nguy cơ chết máy khi gặp chướng ngại vật nhỏ Trong vùng làm việc ổn định, khi gặp chướng ngại, tốc độ và công suất có thể giảm, nhưng Me tăng lên, giúp động cơ vượt qua chướng ngại mà không cần phải chuyển về số thấp.
Hệ số thích ứng K là chỉ số quan trọng để đánh giá khả năng vượt chướng ngại và khả năng tăng tốc của động cơ, với giá trị K càng lớn thì khả năng này càng tốt Động cơ xăng thường có đường cong M e dốc hơn so với động cơ diesel, dẫn đến giá trị K của động cơ xăng cao hơn Nếu K thấp dưới mức cho phép, ô tô sẽ gặp khó khăn khi vượt chướng ngại mà không giảm số để tăng mômen bánh xe Cụ thể, đối với động cơ xăng, K nằm trong khoảng 1,25 đến 1,35, trong khi ở động cơ diesel, K dao động từ 1,10 đến 1,15.
Khảo sát đường cong công suất Pe
Khi tăng tốc độ quá mức, áp suất P e sẽ giảm do thiết kế chỉ tính đến tiết diện lưu thông của xupáp nạp để đạt được P emax tại n e P Ở mức n e P, thời gian và tiết diện đảm bảo đủ lượng hỗn hợp hoặc không khí cần thiết để đạt P emax Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng số vòng quay n e, thời gian và tiết diện sẽ giảm đáng kể, dẫn đến giảm hệ số nạp và giảm công suất.
Khảo sát đường cong Me
Các lực tác dụng lên ô tô trong trường hợp chuyển động tổng quát
Chúng ta sẽ xem xét chuyển động của ôtô trong điều kiện tổng quát, khi ôtô di chuyển trên đường dốc không ổn định với gia tốc và chịu tác động của lực cản tại móc kéo.
Hình 2.4: Sơ đồ các lực và mômen tác dụng lên ôtô khi chuyển động lên dốc
Hình 2.4 minh họa sơ đồ các lực và mômen tác động lên ôtô khi đang tăng tốc trên dốc Các ký hiệu trong hình vẽ thể hiện ý nghĩa cụ thể của từng lực và mômen ảnh hưởng đến chuyển động của xe.
G – Trọng lượng toàn bộ của ôtô
Fk – Lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động
Ff1 – Lực cản lăn ở các bánh xe bị động
Ff2 – Lực cản lăn ở các bánh xe chủ động
Fi – Lực cản lên dốc
Fj – Lực cản quán tính khi xe chuyển động không ổn định (có gia tốc)
Fm – Lực cản ở móc kéo
Z1, Z2 – Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước, cầu sau
Mf1 – Mômen cản lăn ở các bánh xe bị động
Mf2 – Mômen cản lăn ở các bánh xe chủ động α – Góc dốc của mặt đường tính bằng độ
Sau đây ta sẽ khảo sát giá trị của các lực và mômen vừa nêu trên:
Fk là lực phản lực từ mặt đường tác động lên bánh xe chủ động, hướng cùng chiều với chuyển động của ôtô Điểm tác dụng của lực Fk nằm tại tâm của vết tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường.
Me - Momen xoắn của động cơ [N.m] itl: Tỷ số truền lực của hộp số rb: Bán kính làm việc của xe [m]
: Hiệu suất của hệ thống truyền lực
Khi bánh xe di chuyển trên đường, lực cản lăn sẽ xuất hiện, tác động song song với mặt đường và ngược lại với chiều di chuyển tại khu vực tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường.
Trên hình 2.4 biểu thị lực cản lăn tác dụng lên các bánh xe trước là Ff1 và lên các bánh xe sau là Ff2
Lực cản lăn phát sinh từ biến dạng của lốp khi tiếp xúc với mặt đường, tạo ra vết bánh xe và ma sát giữa lốp và đường Để dễ hiểu, lực cản lăn được xem như ngoại lực tác động lên bánh xe trong quá trình di chuyển, và nó được xác định theo một công thức cụ thể.
F f = F f1 + F f2 (2.10) Với: Ff là lực cản lăn của ôtô
Lực cản lăn ở các bánh xe trước và sau là:
Hệ số cản lăn ở bánh xe trước và sau được ký hiệu lần lượt là f1 và f2 Nếu giả định rằng hệ số cản lăn ở cả hai bánh xe là giống nhau, ta có thể đặt f1 = f2 = f Khi đó, công thức có thể được đơn giản hóa thành F f1 = Z 1 f và F f2 = Z 2 f.
Khi xe chuyển động trên mặt đường có độ dốc nhỏ thì góc α khá nhỏ nên có thể coi Cosα = 1 hoặc khi mặt đường nằm ngang thì ta có:
Lực cản lăn và các loại lực cản khác được xác định là dương khi chúng tác động ngược lại hướng chuyển động của xe Hệ số cản lăn còn chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, và vấn đề này sẽ được phân tích chi tiết trong chương tiếp theo.
Mômen cản lăn của ôtô được tính:
M f = M f1 + M f2 = Z 1 fr đ + Z 2 fr đ = Gfr đ cos α (2.14) Ở đây:
Mf1, Mf2 – Mômen cản lăn ở các bánh xe cầu trước và cầu sau rđ – Bán kính động lực học của bánh xe
Nếu xe chuyển động trên đường ngang thì:
Khi xe di chuyển lên dốc, trọng lượng G được phân tích thành hai thành phần: Gcosα vuông góc với mặt đường và Gsinα song song với mặt đường Thành phần Gcosα tác động lên mặt đường, tạo ra các phản lực pháp tuyến của đường.
Khi xe di chuyển lên dốc, lực cản Gsinα sẽ cản trở chuyển động của xe, được gọi là lực cản lên dốc Fi.
Mức độ dốc của mặt đường được thể hiện qua góc dốc α hoặc qua độ dốc i: i = tgα (2.17)
Nếu α < 5 o thì có thể coi: i = tgα = sinα và khi đó ta có:
Khi xe di chuyển xuống dốc, lực Fi sẽ cùng chiều với chuyển động của xe, trở thành lực đẩy (lực chủ động) Ngược lại, khi xe lên dốc, lực Fi sẽ chuyển thành lực cản và có dấu (+) Trong khi đó, khi xe xuống dốc, lực Fi sẽ là lực đẩy và có dấu (-) trong công thức (2.16).
Ngoài ra, người ta còn dùng khái niệm lực cản tổng cộng của đường F là tổng của lực cản lăn và lực cản lên dốc:
F = F f ± F i = G(f cos α ± sin α) ≈ G(f ± i) (2.19) Đại lượng f ± i được gọi là hệ số cản tổng cộng của đường và ký hiệu là :
Khi ôtô di chuyển, lực cản không khí chủ yếu xuất phát từ các yếu tố khí động học Trong đó, lực cản do hình dạng xe chiếm khoảng 80-90%, tiếp theo là lực cản do hiện tượng xốy lốc chiếm 10-15%, và cuối cùng là lực cản do ma sát giữa bề mặt xe và không khí, chiếm 4-10%.
Lực cản không khí tỉ lệ với áp suất động học qd, diện tích cản gió S và hệ số cản của không khí Cx theo biểu thức sau:
Khối lượng riêng của không khí ở nhiệt độ 25°C và áp suất 0,1013 MPa là 1,25 kg/m³ Vận tốc tương đối giữa xe và không khí được tính bằng công thức v₀ = v ± v₍g₎, trong đó v là vận tốc của ôtô và v₍g₎ là vận tốc gió.
Dấu (+) ứng với khi vận tốc của xe và của gió ngược chiều
Dấu (-) ứng với khi vận tốc của xe và của gió cùng chiều
Khi tính tóan, người ta còn đưa vào khái niệm nhân tố cản không khí W có đơn vị là Ns 2 /m 4
Lực cản không khí được xác định bởi công thức F ω = Wv 0 2 (2.25), với điểm đặt tại tâm của lực khí động học Bảng dưới đây cung cấp một số giá trị của hệ số Cx và diện tích cản gió S cho một số loại xe.
Bảng 2.1: Hệ số cản và diện tích cản không khí
Khi ôtô chuyển động không ổn định, lực quán tính của các khối lượng chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến xuất hiện
Lực quán tính đóng vai trò quan trọng trong chuyển động của xe, trở thành lực cản khi xe tăng tốc và lực đẩy khi xe giảm tốc Điểm tác động của lực quán tính nằm tại trọng tâm của xe.
Lực quán tính ký hiệu là Fj gồm hai thành phần sau:
- Lực quán tính do gia tốc các khối lượng chuyển động tịnh tiến của ôtô, ký hiệu là F’j
- Lực quán tính do gia tốc các khối lượng chuyển động quay của ôtô, ký hiệu là F’’j Bởi vậy Fj được tính:
Với: j = dv dt là gia tốc tịnh tiến của ô tô
Lực F’’j được xác định như sau:
Jn – Mômen quán tính của các chi tiết quay thứ n nào đó của hệ thống truyền lực đối với trục quay của chính nó
Mômen quán tính của bánh xe chủ động liên quan đến trục quay của nó, trong khi tỷ số truyền xác định từ chi tiết thứ n trong hệ thống truyền lực đến bánh xe chủ động.
n – Hiệu suất tính từ chi tiết quay thứ n nào đó của hệ thống truyền lực tới bánh xe chủ động
LÝ THUYẾT VỀ TIÊU HAO NHIÊN LIỆU TRÊN Ô TÔ
Khái niệm về tiêu hao nhiên liệu và phương trình tiêu hao nhiên liệu
3.1.1 Khái niệm về tiêu hao nhiên liệu trên ô tô
Tiêu hao nhiên liệu của ôtô được tính bằng lượng nhiên liệu tiêu thụ cho mỗi đơn vị hàng hóa hoặc quãng đường vận chuyển, cụ thể là tấn-km đối với ô tô tải, và mức tiêu hao trên 100km đối với ô tô cá nhân Đối với ô tô khách, mức tiêu hao được xác định theo số lượng hành khách-km hoặc trên 100km Công thức tính mức tiêu hao nhiên liệu cho một đơn vị quãng đường chạy q d của ôtô là: q d = 100Q.
Q – Lượng tiêu hao nhiên liệu [lít]
S*– Quãng đường chạy được của ôtô [km]
Mức tiêu hao nhiên liệu của ôtô không chỉ phụ thuộc vào quãng đường mà còn vào khối lượng hàng hóa vận chuyển Khi ôtô chuyên chở hàng hóa, lượng nhiên liệu tiêu thụ sẽ tăng lên Do đó, để đánh giá tính kinh tế nhiên liệu, cần xem xét theo đơn vị hàng hóa vận chuyển Ví dụ, đối với ôtô vận tải, mức tiêu hao nhiên liệu cho một đơn vị hàng hóa được tính theo công thức: q c = Qρ n.
G t – Khối lượng hàng hoá chuyên chở [tấn]
S t – Quãng đường chuyên chở của ôtô khi có hàng hóa [km] ρ n – Tỷ trọng nhiên liệu [kg/l]
3.1.2 Phương trình tiêu hao nhiên liệu trên ô tô
Khi ôtô di chuyển, hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu phụ thuộc vào hiệu suất của động cơ và năng lượng tiêu hao để vượt qua lực cản.
Trong quá trình thí nghiệm động cơ trên bệ thử, chúng ta xác định mức tiêu hao nhiên liệu theo thời gian (kg/h) và công suất phát ra của động cơ (P e [kW]) Mức tiêu hao nhiên liệu được tính toán dựa trên một biểu thức cụ thể.
Công thức tính toán G T = Q.ρ n t [kg h] (3.3) cho biết t là thời gian làm việc của động cơ tính bằng giờ (h) Để đánh giá tính kinh tế nhiên liệu của động cơ, chúng ta sử dụng suất tiêu hao nhiên liệu có ích g e, được xác định bằng g e = G T.
Q – Lượng tiêu hao nhiên liệu [l] ρ n – Tỷ trọng nhiên liệu [kg/l] t: thời gian làm việc của động cơ tính bằng giờ [h]
Pe : công suất có ích của động cơ [kW]
Theo công thức (2.5) ta có P e = f(n e ) thay vào công thức tính suất tiêu hao nhiên liệu g e = Qρ n
P emax (a( ne ne P )+b( ne ne P )
Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge là một hàm phụ thuộc vào sự thay đổi tốc độ động cơ Khi tốc độ động cơ tăng, suất tiêu hao nhiên liệu sẽ giảm, do ne nằm ở phần mẫu số và tạo ra tỉ lệ nghịch với ge.
Khi có đường cong ge, ta có thể vẽ một đường song song với trục hoành tiếp tuyến với đường ge để xác định điểm gemin Đường cong đạt gemin ở vị trí giữa n e M và n e P; nếu tốc độ nằm ngoài khoảng này, g e sẽ tăng, dẫn đến giảm tiết kiệm nhiên liệu do mức độ xoáy lốc kém, gây ra tình trạng cháy kém Điều này làm tăng tổn thất nhiệt ra nước làm mát và khiến động cơ nóng lên Ngoài ra, nếu tốc độ lớn hơn n g, công bơm và công cơ học sẽ tăng do số chu kỳ gia tăng.
Hình 3.1: Đồ thị công suất, momen, suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ
Từ công thức (3.1) và (3.4) ta rút ra được biểu thức để xác định mức tiêu hao nhiên liệu như sau: q d = 100g e P e t
Vận tốc chuyển động của ô tô: v = S ∗ t [km/h]
Từ công thức (3.4) ta được: Q = P e g e t ρ n
Khi ôtô di chuyển, công suất động cơ cần thiết để vượt qua các lực cản được thể hiện qua phương trình cân bằng công suất.
Giả thuyết là Fm=0 => Fk = FΨ+Fω+Fj
F Ψ , F ω , F j : Là lực cản chuyển động của xe [N] v * : Là vận tốc xe đơn vị m/s v * =3,6v km/h
Mức tiêu hao nhiên liệu của ôtô phụ thuộc vào hiệu suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ và công suất cần thiết để vượt qua các lực cản khi di chuyển.
Từ công thức (3.5) và (3.6) ta có công thức tính mức tiêu hao nhiên liệu: q d = 0,36g e (F Ψ +F ω ±F j ) ρ n η [ l
Phương trình (3.7) mô tả mức tiêu hao nhiên liệu khi ô tô di chuyển không ổn định với Pj khác 0 Khi Pj bằng 0, phương trình tiêu hao nhiên liệu trở thành: q d = 0,36g e (F Ψ + F ω) ρ n η [l.
100km] (3.9) Đối với ô tô tải thì phương trình tiêu hao nhiên liệu sẽ là: q c = Qρ n
Công thức G t S t = 0,36g e (F Ψ + F ω ± F j )vt ηG t S t [kg t.km] (3.10) mô tả mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô khi di chuyển trong điều kiện không ổn định, với Pj ≠ 0 Trong trường hợp Pj = 0, công thức tiêu hao nhiên liệu sẽ trở thành: q c = Qρ n.
Từ phương trình (3.8), (3.9), (3.10) và (3.11) ta rút ra nhận xét sau:
Mức tiêu hao nhiên liệu trên mỗi đơn vị quãng đường chạy sẽ giảm khi suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ giảm Điều này có nghĩa là nếu động cơ được thiết kế và vận hành hiệu quả, thì mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô trên mỗi quãng đường sẽ được cải thiện.
Hệ thống truyền lực hoạt động kém sẽ dẫn đến hiệu suất truyền lực giảm và làm gia tăng mức tiêu hao nhiên liệu cho mỗi đơn vị quãng đường.
Khi lực cản chuyển động tăng lên thì mức tiêu hao nhiên liệu sẽ tăng Trong quá trình ôtô tăng tốc sẽ làm tăng mức tiêu hao nhiên liệu.
Phương pháp tính toán tiêu hao nhiên liệu theo lý thuyết, theo thực nghiệm
Để nâng cao chất lượng sử dụng ô tô và giảm tiêu hao nhiên liệu, cần chú ý đến mức độ sử dụng công suất động cơ trong các điều kiện khác nhau Khái niệm “mức độ sử dụng công suất động cơ” (ký hiệu Yp) được đưa ra để đánh giá tỷ lệ giữa công suất cần thiết để khắc phục cản trở chuyển động và công suất thực tế mà động cơ phát ra.
Pf, Pi, P, Pj – Công suất các lực cản (W)
Pe – Công suất của động cơ (W)
Chất lượng mặt đường tốt hơn (giảm hệ số cản tổng cộng ) và vận tốc ô tô thấp hơn sẽ dẫn đến công suất động cơ sử dụng ít hơn khi tỷ số truyền của hộp số cao, từ đó làm giảm hệ số sử dụng công suất động cơ Yp.
Mức độ sử dụng công suất động cơ giảm sẽ dẫn đến tiêu hao nhiên liệu ô tô tăng Hệ số sử dụng công suất ảnh hưởng trực tiếp đến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Theo công thức g e = k y k ck g emin, trong đó gemin là suất tiêu hao nhiên liệu cực tiểu (g/kWh), ky là hệ số phản ánh mức độ sử dụng công suất, và kck là hệ số liên quan đến tốc độ động cơ.
23 ω e p - tốc độ góc động cơ ứng với công suất cực đại Pe.max
Từ công thức (3.8) (3.13) ta có công thức cuối cùng như sau: q d = 0,036k y k ck g emin (F +F ) n [ 1
3.2.2 Phương pháp tính toán tiêu hao nhiên liệu theo lý thuyết
+ Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ô tô khi chuyển động ổn định
Để phân tích mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ, việc sử dụng phương trình gặp nhiều khó khăn do suất tiêu hao nhiên liệu có ích phụ thuộc vào số vòng quay của trục khuỷu và mức độ sử dụng công suất Để giải quyết vấn đề này, ta cần xây dựng đường đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ôtô Quá trình này bắt đầu bằng việc thực hiện thí nghiệm động cơ trên bệ thí nghiệm để lập đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu theo mức độ sử dụng công suất, g e = f(YP), tương ứng với các số vòng quay khác nhau của động cơ.
Theo đồ thị, khi mức độ sử dụng công suất động cơ tăng và số vòng quay của trục khuỷu giảm, mức tiêu hao nhiên liệu sẽ giảm do g e giảm Điều này cho thấy rằng khi công suất động cơ được sử dụng đồng đều, việc giảm số vòng quay có thể giúp tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả.
Y P1 ) thì suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ g e ở số vòng quay 𝑛 𝑒 ′′′ sẽ nhỏ hơn khi ở số vòng quay 𝑛 𝑒 ′′ và 𝑛 𝑒 ′
Hình 3.2: Đồ thị đặc tính tải trọng của động cơ (𝑛 𝑒 ′′′ < 𝑛 𝑒 ′′ < 𝑛 𝑒 ′ )
Tiếp theo, chúng ta sẽ xây dựng đồ thị biểu diễn cân bằng công suất của ô tô trong trạng thái chuyển động ổn định, với các hệ số cản tương ứng của các loại mặt đường khác nhau Mục tiêu là xác định mức độ sử dụng công suất của động cơ Y P Đồ thị Pe = f(v) sẽ được thiết lập dựa trên tỉ số truyền của hệ thống truyền lực.
Căn cứ vào phương trình cân bằng công suất của ôtô khi chuyển động ổn định, ta có:
Để lập đường cong công suất phát ra của động cơ P e = f(v), cần xây dựng một đường cong phía dưới thể hiện công suất tiêu hao cho lực cản không khí, đồng thời tính toán công suất tiêu hao do ma sát trong hệ thống truyền lực.
Lập các đường cong biểu diễn công suất cản của mặt đường với các hệ số cản khác nhau F ψ η = f(v) và tính toán công suất tiêu hao do ma sát trong hệ thống truyền lực.
Dựa vào đồ thị (hình 3.3), chúng ta có thể xác định mức độ sử dụng công suất của động cơ Y P tương ứng với số vòng quay và vận tốc v cụ thể, tùy thuộc vào số truyền và điều kiện đường xá.
Để ôtô có thể di chuyển với vận tốc v1 trên đường có hệ số cản ψ1, công suất cần thiết phải tính bằng tổng hai đoạn (a+c) Trong khi đó, công suất động cơ tại vận tốc này được xác định bằng tổng hai đoạn (a+b) Từ đó, mức độ sử dụng công suất động cơ YP được tính theo tỷ số.
Y P = a+c a+b (3.17) Nếu tính Y P theo phần trăm ta có:
Y P % = a+c a+b 100 (3.17) Như vậy dựa vào đồ thị hình 3.3, ta xác định được trị số Y P (ứng với v, cho trước),
Để xác định số vòng quay của trục khuỷu động cơ n e tương ứng với vận tốc v và số truyền đã cho, ta sử dụng công thức: n e = 60vi tl.
Dựa vào trị số Y P và ne đã tìm được, chúng ta có thể xác định trị số suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ g e thông qua đồ thị hình 3.2 hoặc công thức (3.13).
Hình 3.3: Đồ thị cân bằng công suất của ôtô ứng với các hệ số cản khác nhau của mặt đường
Sau khi tính toán các lực cản chuyển động F và F, chúng ta thay thế các giá trị ge, F, F vào phương trình (3.8) để xác định mức tiêu hao nhiên liệu Từ đó, có thể xây dựng đường cong mức tiêu hao nhiên liệu của ôtô trong điều kiện chuyển động ổn định.
Đồ thị đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ôtô khi chuyển động ổn định, như thể hiện trong hình 3.4, cho phép xác định mức tiêu hao nhiên liệu (l/100km) dựa trên các trị số và v Qua phân tích đồ thị này, chúng ta có thể rút ra nhận xét về hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu của ôtô trong điều kiện di chuyển ổn định.
Mỗi đường cong của đồ thị tiêu thụ nhiên liệu có hai điểm đặc trưng quan trọng Điểm đầu tiên xác định mức tiêu hao nhiên liệu tối thiểu (qđmin) khi ôtô di chuyển trên đường với hệ số cản , và vận tốc tại điểm này được gọi là vận tốc kinh tế (v kt) Điểm thứ hai, nằm ở cuối đường cong, thể hiện lượng tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi hoạt động ở chế độ toàn tải, tương ứng với vận tốc lớn nhất của ôtô (v max) và các hệ số cản khác nhau.
TÍNH TOÁN TIÊU HAO NHIÊN LIỆU THEO LÝ THUYẾT CHO MỘT MẪU XE THỰC TẾ
Phương pháp thực hiện tính toán tiêu hao nhiên liệu cho ô tô
Lựa chọn ô tô để tính toán có đầy đủ: Thông số động cơ, thông số hệ thống truyền lực, thông số lốp, thông số thân võ, khoản tải trọng
Để tính toán tiêu hao nhiên liệu của ô tô, cần đưa ra các giả thuyết dựa trên nhiều yếu tố tác động như điều kiện bên ngoài (mặt đường, môi trường) và bên trong (động cơ, hệ thống truyền lực) Vì sự biến đổi của các yếu tố này, việc tính toán tiêu hao nhiên liệu trở nên phức tạp Do đó, cần cố định một số yếu tố để dễ dàng tính toán tiêu hao nhiên liệu khi ô tô chạy với vận tốc không đổi (v = const).
Lúc này phương trình cân bằng lực kéo là: F k = F f ∓ F i + F ω + F m
Phương trình cân bằng công suất là: P k = P f ± P i + P ω + P m
- Chọn giá trị tỉ trọng nhiên liêu (ρnl): Động cơ xăng = 0,75 kg/lít Động cơ Diêzen = 0,832 kg/lít
Các giá trị biến đổi là:
- Giá trị hiệu suất hệ thống truyền lực (ηtl ) = 0,85 ÷ 0,98
- Tải trọng xe m1, tải trọng hàng hoá m2
- Hệ số cản lăn fo với giá trị không dổi của k = 7.10 -6 (S 2 /m 2 )
- Hệ số cản không khí Cx (Ns 2 /m 4 )
- Điều kiện áp suất lốp cao có λ
- Tay số và tỉ số truyền hộp số ih
Tỉ số truyền vi sai io
Bước 2: Tính toán lực tác dụng lên ô tô
Phương trình cân bằng lực kéo là: F k = F f ∓ F i + F ω + F m
- Tính toán lực cản mặt đường 𝐅 = 𝐅 𝐟 ∓ 𝐅 𝐢
2 Tính lực cản leo dốc F i
Từ 1 và 2, => F = mg{(f 0 + Kv 2 ) cos(α) + sin(α)} [N]
- Tính toán lực cản gió
- Tính toán lực cản rơ móc (nếu có)
F m = nQ [N] Trong đó: n – số rơ mốc được kéo
Q – trọng lượng một rơ móc
- hệ số cản lăn toàn bộ mặt đường
Bước 3: Xác định công suất động cơ ở tay số nào đó i tl với vận tốc v = const
Từ thông số hệ thống truyền lực của xe, ta có thể tính toán tỉ số truyền ở một tay số cụ thể (ih), tỉ số truyền hộp số phụ (ip), bộ vi sai (i0) và truyền lực cạnh (ic) Công thức tính tỉ số truyền hệ thống truyền lực tại tay số đó là: i tl = ih * i0 * ic * ip.
Từ đó ta tính được tốc độ động cơ e theo từng tay số:
34 rb – bán kính bánh xe hay bán kính tính toán [m]
Mà: r = b r o [m] r0 – bán kính thiết kế bánh xe λ là hệ số kể đến sự biến dạng của lốp λ=0,930,935 (cho lốp có áp suất thấp) λ=0,9450,95 (cho lốp có áp suất cao.)
Với bán kính thiết kế của bánh xe: 25, 4 o 2 r h d h – chiều cao lốp [m] d – đường kính lazăng (mâm bánh xe) [inch]
Hình 4.1: Ý nghĩa các thông số trên lốp xe Ở hình trên ta đọc được con số P185/75R14 82S
P - Loại xe: Chữ cái đầu tiên cho ta biết loại xe có thể sử dụng lốp này P
Lốp "Passenger" được thiết kế cho các loại xe chở hành khách, bên cạnh đó còn có các loại lốp khác như LT (Light Truck) dành cho xe tải nhẹ và xe bán tải, cùng với loại T (Temporary) dùng cho lốp thay thế tạm thời.
Chiều rộng lốp B là bề mặt tiếp xúc giữa lốp xe và mặt đường, được đo từ vách này đến vách kia (mm).
Tỷ số 75 giữa độ cao của thành lốp (h) và độ rộng bề mặt lốp (b) được tính bằng tỷ lệ bề dày so với chiều rộng lốp Cụ thể, trong ví dụ này, bề dày của lốp chiếm 75% chiều rộng lốp, với chiều rộng là 185 mm.
Cấu trúc lốp xe chủ yếu là Radial, ký hiệu bằng chữ R, và đây là loại lốp phổ biến nhất trên thị trường Mặc dù còn tồn tại các loại lốp với ký hiệu B, D, hoặc E, nhưng chúng hiện nay rất hiếm gặp.
Đường kính la-zăng là yếu tố quan trọng, vì mỗi loại lốp chỉ tương thích với một kích thước la-zăng duy nhất Cụ thể, số 14 chỉ ra rằng đường kính la-zăng phù hợp là 14 inch.
82S - Tải trọng và tốc độ giới hạn: Nếu con số này nhỏ hơn tải trọng và tốc độ xe chạy là nguyên nhân dẫn đến nổ lốp xe
*Số 82 - Tải trọng lốp xe chịu được: Thông thường vị trí này có số từ 75 tới 105 tương đương với tải trọng từ 380 tới 925 kg
Lốp xe có chỉ số tốc độ tối đa được ký hiệu bằng một chữ cái, trong đó chữ S cho biết lốp có thể hoạt động bình thường với tốc độ tối đa là 180 km/h, bên cạnh chỉ số tải trọng.
Cống suất động cơ tại vân tốc góc e , P e (v) có thể xác định theo hai cách:
Cách 1 là dựa đồ thị đặc tính ngoài đông cơ với vận tốc góc ở v nào đó và tay số nào đó ta xác định công suất động cơ
Cách 2 là xác định Pe theo theo từng tay số dựa theo công thức S.R.Lây Đécman : n e 0ω e π
Các hệ số thực nghiệm được chọn theo loại động cơ như sau: Đối với động cơ xăng, các hệ số a, b, c đều bằng 1 Đối với động cơ điêzen 2 kỳ, a = 0,87, b = 1,13, c = 1 Đối với động cơ điêzen 4 kỳ có buồng cháy trực tiếp, a = 0,5, b = 1,5, c = 1 Đối với động cơ điêzen 4 kỳ có buồng cháy dự bị, a = 0,6, b = 1,4, c = 1 Cuối cùng, đối với động cơ điêzen 4 kỳ có buồng cháy xốy lốc, a = 0,7, b = 1,3, c = 1.
Bước 4: Xác định suất tiêu hao nhiên liệu có ích theo vân tốc g e (v)
- Xác định mức độ sữ dụng công suất động cơ theo vận tốc Y p (v)
Hệ số Ky phụ thuộc vào mức độ sử dụng công suất động cơ Yp và được xác định qua hàm thực nghiệm Ky(Yp) Hệ số này được lựa chọn dựa trên đồ thị tương ứng.
Hình 4.2: Đồ thị hệ số ảnh hưởng đến mức độ sử dụng công suất [3]
- Xác định hệ số K ck
Vận tốc góc tại vị trí công suất cực đại là: ω e p =2 π n e p
Kck là hệ số phản ánh tỉ lệ giữa vận tốc góc của động cơ tại một vận tốc cụ thể và vận tốc góc của động cơ khi đạt công suất cực đại Hệ số này được xác định thông qua thực nghiệm và thể hiện qua đồ thị.
Hình 4.3: Đồ thị hệ số ảnh hưởng đến tốc độ giới hạn của động cơ e [3]
Tuỳ thuộc tỉ số ω e (v) ω e p ⇒ K ck (v)
- Suất tiêu hao nhiên liệu có ich g e (v) g e (v) = K y (v) K ck (v) g emin [ 𝑘𝑔
𝑘𝑊 ℎ] g emin – suất tiêu hao nhiên liệu có ích nhỏ nhất xác định theo đồ thị đặc tính ngoài động cơ
Bước 5: Xác định qd(v) và vẽ đồ thị q d (v) =0,36 g e (v) (F f (v) ∓ F i + F ω (v) + F m ) ρ nl η tl [ l
Tính toán tiêu hao nhiên liệu theo lý thuyết cho một mẫu xe thực tế
Lựa chọn ô tô để tính tiêu hao nhiên liệu là ô tô du lịch Toyota GT86 2013 Thông số xe: Đông cơ H4 với dung tích xy-lanh là 2.0 L;
Công suất cực đại Pemax = 147 kW tại 7000 vg/ph;
Momen xoắn cực đại Memax = 205 N.m tại 6600 vg/ph;
Trọng lượng xe không tải m1 = 1262 kg và có tải nhẹ ( một tài xế) là m1+m2 1350 kg;
Chuyển động thẳng đều với tốc độ v = Const;
Xe Toyota GT86 là xe du lịch loại thường nên hệ số cản không khí Cx 0,35÷0,5 ta chọn 0,3 Ns 2 /m 4
Xe chuyển động với hiệu suất truyền lực ηtl3 = 0.94;
Sữ dụng nhiên liệu xăng A95 với tỉ trong ρn ≈ 0.75 kg/l;
Sử dụng hộp số 6 cấp với tỉ số truyền các tay số là 1 = 3,54; 2 = 2,06; 3 = 1,4
4 = 1; 5 = 0,74; 6 = 0,58 và tỉ số truyền cuối( vi sai) 0 = 4,1
Sử dụng lốp 215/45R17 Đồ thị đặc tính ngoài đông cơ là:
Hình 4.5: Đồ thị đặc tính ngoài của động cơ
Hình 4.6: Hình vẽ biểu diễn các thông sô kích thước bên ngoài của xe
Xây dựng đồ thị tiêu hao nhiên liệu qd(v) với các giá trị khác nhau của hệ số cản lăn f0, trong điều kiện xe chạy trên đường bằng, không kéo rơ móc và không có gia tốc.
Bước 1: Giả thuyết ban đầu:
Chọn giá trị hiệu suất hệ thống truyền lực (ηtl3 ) = 0.94
Chọn giá trị tỷ trọng nhiên liệu (ρnl) = 0.75 kg/lít
Chọn tay số tính toán là tay số 6
Xe chạy đêu trên đường bằng và không kéo rơ móc
Chọn hệ số cản lăn f01 = 0,01; f02 = 0,012; f03 = 0,023; f04 = 0,025; f05 = 0,05; f06 = 0,1; k = 7.10 -6 (S 2 /m 2 )
Bảng 4.1: Bảng hệ số cản lăn f0 ứng với V