Thiết kế thí nghiệm cân bằng nhiệt động cơ đốt trong

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- TĂNG VĂN THĂNG THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM CÂN BẰNG NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC LUẬN VĂN THẠC S

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

TĂNG VĂN THĂNG

THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM CÂN BẰNG NHIỆT

ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS.TS PHẠM MINH TUẤN

HÀ NỘI – NĂM 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các

LỜI CẢM ƠN

Với tư cách là tác giả của bản luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Minh Tuấn, người đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi hoàn thành bản luận văn này

Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí Động lực, Viện Đào tạo Sau đại học đã giúp đỡ tạo điều kiện về cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn

Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy và các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện cả về thời gian, vật chất lẫn tinh thần để tôi có thể hoàn thành bản luận văn này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong suốt thời gian tôi tham gia học tập và làm luận văn

Học viên

Tăng Văn Thăng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix

MỞ ĐẦU 1

i Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2

ii Phương pháp nghiên cứu 2

iii Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 2

iv Các nội dung chính trong đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Thực trạng đào tạo ngành Động cơ đốt trong tại Trường ĐHBK Hà Nội4 1.1.1 Các loại hình đào tạo 4

1.1.2 Chương trình đào tạo đại học và sau đại học 4

1.1.3 Các thí nghiệm sử dụng trong đào tạo và nghiên cứu 2115 10

1.2 Sự cần thiết phải xây dựng thí nghiệm cân bằng nhiệt 11

1.2.1 Khái quát chung về thí nghiệm cân bằng nhiệt 11

1.2.2 Vai trò của thí nghiệm cân bằng nhiệt trong đào tạo ngành động cơ 11

1.2.3 Một số cơ sở đào tạo trên thế giới sử dụng thí nghiệm cân bằng nhiệt 12

1.3 Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong và mức độ đáp ứng xây dựng thí nghiệm cân bằng nhiệt 13

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ VỀ CÂN BẰNG NHIỆT TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 15

2.1 Cân bằng nhiệt trong động cơ đốt trong 15

2.1.1 Phương trình cân bằng nhiệt trong động cơ đốt trong 15

2.1.2 Phân tích lựa chọn phương án thí nghiệm cân bằng nhiệt 17

2.2 Ý nghĩa của cân bằng nhiệt trong động cơ đốt trong 20

2.3 Kết luận 20

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM CÂN BẰNG NHIỆT 21

3.1 Lựa chọn động cơ thí nghiệm 21

3.1.2 Lý do chọn động cơ D243 làm động cơ thí nghiệm 22

3.2 Xây dựng mô hình thí nghiệm 22

3.2.1 Phanh điện APA 100 24

3.2.2 Thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554 27

3.2.3 Thiết bị làm mát nước AVL 553 29

3.2.4 Bộ ổn định nhiệt độ nhiên liệu AVL 753 30

3.2.5 Bộ điều khiển tay ga THA 100 32

3.3 Thiết bị đo 33

3.3.1 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S 33

3.3.2 Xác định nhiệt độ tr, tv, Tthải, Tk bằng các cảm biến đo nhiệt độ 35

3.3.3 Xác định Gn bằng phương pháp đo lưu lượng nước làm mát qua đồng hồ đo nước kết hợp với đồng hồ bấm giây 39

3.3.4 Đo lượng không khí nạp vào động cơ 41

3.4 Thiết kế các đường ống và van trong hệ thống đo lưu lượng nước làm mát 44

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG QUY TRÌNH VÀ CÁC BIỂU MẪU THÍ NGHIỆM 47

4.1 Xây dựng quy trình thí nghiệm 47

4.1.1 Mục đích của thí nghiệm cân bằng nhiệt 47

4.1.2 Chuẩn bị thí nghiệm 47

4.1.3 Quy trình thí nghiệm 48

4.2 Các biểu mẫu thí nghiệm 60

4.3 Kết quả thí nghiệm 65

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Q0 Nhiệt lượng của nhiên liệu đưa vào động cơ

QH Nhiệt trị thấp của nhiên liệu

Gnl Lượng tiêu thụ nhiên liệu trên một đơn vị thời gian

Gkk Lưu lượng không khí

Qe Nhiệt lượng tương ứng với công suất động cơ

Qlm Nhiệt lượng truyền cho môi chất làm mát

Gn Lưu lượng khối lượng nước làm mát thông qua động cơ trong 1 giây

Cn Nhiệt dung riêng của nước

tnr Nhiệt độ nước ra khỏi động cơ

tnv Nhiệt độ nước vào động cơ

Qth Nhiệt độ nước do khí thải mang đi

M1 Sản phẩm của vật cháy quy về 1 kg nhiên liệu

M2 Môi chất mới quy về 1 kg nhiên liệu

Nhiệt dung riêng đẳng áp trung bình của không khí

Tk Nhiệt độ khí nạp mới tại đường nạp

Tth Nhiệt độ khí thải

Qd Nhiệt lượng do dầu bôi trơn mang đi

Cd Nhiệt dung riêng của dầu bôi trơn

tdr Nhiệt độ dầu ra khỏi động cơ

tdv Nhiệt độ dầu vào động cơ

Qkc Nhiệt lượng trong phần nhiên liệu không cháy

M0 Lượng khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hết 1 kg nhiên liệu

Qcl Nhiệt lượng còn lại

Qw Nhiệt lượng ứng với động năng của khí thải

Qbx Nhiệt lượng bức xạ

QT Nhiệt lượng khí thải trong đường ống thải

Qms Nhiệt lượng do ma sát giữa pít tông và xi lanh

ne Số vòng quay của động cơ

ndm Số vòng quay định mức

D243 Động cơ diesel D243

AVL554 Thiết bị làm mát dầu bôi trơn

AVL 533 Thiết bị làm mát nước

AVL733s Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu

AVL753 Bộ ổn định nhiệt độ nhiên liệu

THA100 Bộ điều khiển tay ga

CABLE BOOM Hộp chứa các thiết bị chuyển đổi

PUMA Hệ thống điều khiển chính

PC Máy tính xử lý các kết quả đo đạc

FEM-A Thiết bị chuyển đổi tín hiệu

FEM-DAC Thiết bị chuyển đổi tín hiệu Analog sang Digital

PC-System Thiết bị nhận sử lý tín hiệu và hiển thị kết quả đo đạc

Pt100 Cảm biến kiểu nhiệt điện trở

Rh Biến trở dạng sợi đốt

RT Biến trở dạng sợi đốt thay đổi theo nhiệt độ khí nạp

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Danh mục học phần chung đào tạo cử nhân khối kỹ thuật 75

Bảng 1.2 Danh mục học phần riêng đào tạo cử nhân Kỹ thuật Cơ khí động lực 76

Bảng 1.3 Danh mục học phần tự chọn tự do khuyến cáo của chương trình cử nhân .78

Bảng 1.4 Danh mục học phần chi tiết của chương trình đào tạo kỹ sư Cơ khí động lực 79

Bảng 1.5 Danh mục học phần đào tạo cử nhân Công nghệ kỹ thuật ôtô 83

Bảng 1.6 Danh mục học phần tự chọn tự do khuyến cáo đào tạo cử nhân Công nghệ kỹ thuật ôtô 85

Bảng 1.7 Chương trình đạo tạo của chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực (KT) 85

Bảng 1.8 Chương trình đạo tạo của chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực - Kỹ thuật Động cơ đốt trong (KT) 86

Bảng 1.9 Chương trình đạo tạo của chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực - Kỹ thuật Động cơ đốt trong (KH) 87

Bảng.2.1 Tỉ lệ các thành phần cân bằng nhiệt 16

Bảng 4.1 Kết quả đo lưu lượng nước thông qua động cơ 63

Bảng 4.2 Kết quả thí nghiệm cân bằng nhiệt lấy từ Puma và đo trực tiếp 64

Bảng 4.3 Công thức tính toán 65

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ phòng thí nghiệm động cơ đốt trong 14

Hình 2.1 Sơ đồ cân bằng nhiệt của động cơ 17

Hình 3.1 Mặt cắt ngang động cơ D243 21

Hình 3.2 Mặt cắt dọc động cơ D243 22

Hình 3.3 Sơ đồ kết nối các thiết bị của hệ thống băng thử 23

Hình 3.4 Sơ đồ phòng thử động lực học 24

Hình 3.5 Phanh điện APA 100 25

Hình 3.6 Đặc tính phanh chế độ máy phát 26

Hình 3.7 Đặc tính phanh chế độ động cơ điện 27

Hình 3.8 Sơ đồ khối thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554 28

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554 28

Hình 3.10 Sơ đồ khối thiết bị làm mát nước làm mát động cơ AVL 553 29

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát nước AVL 553 30

Hình 3.12 Hệ thống ổn định nhiệt độ nhiên liệu AVL 753 30

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát nhiên liệu 31

Hình 3.14 Hệ thống điều khiển tay ga THA 100 32

Hình 3.15 Hệ thống đo tiêu thụ nhiên liệu AVL 733S 33

Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo tiêu thụ nhiên liệu AVL 733S 34

Hình 3.17 Sơ đồ đấu nối thiết bị đo tiêu thụ nhiên liệu với động cơ và Puma 35

Hình 3.18 Cấu tạo cảm biến đo nhiệt độ 35

Hình 3.19 Sơ đồ tín hiệu cảm biến Pt100 37

Hình 3.20 Sơ đồ tín hiệu cảm biến Thermocouple Pt100 38

Hình 3.21 Sơ đồ kết nối các cảm biến với Puma 39

Hình 3.22 Cấu tạo của đồng hồ đo thể tích nước thông qua động cơ 40

Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý đo khối lượng nước thông qua động cơ 41

Hình 3.24 Cấu tạo cảm biến đo lưu lượng khí nạp 42

Hình 3.25 Sơ đồ nguyên lý làm việc của cảm biến đo lưu lượng khí nạp 43

Hình 4.1 Sơ đồ quy trình thí nghiệm 48

Hình 4.2 Sơ đồ kết nối các thiết bị của Puma 49

Hình 4.3 Hộp thoại AVL PUMA Application Manager 50

Hình 4.4 Sơ đồ trình tự hoạt động của Puma 51

Hình 4.5 Các bước khi chuyển từ MONITOR sang MANUAL 54

Hình 4.6 Màn hình kiểm tra các thiết bị của hệ thống 55

Hình 4.7 Kết quả thông báo lỗi trong bảng kiểm tra các thiết bị 56

Hình 4.8 Cửa sổ đặt các tham số giới hạn 56

Hình 4.9 Cửa sổ thông báo giá trị vượt quá giới hạn 56

Hình 4.10 Thanh công cụ để chuyển từ trạng thái Monitor sang Manual và ngược lại 57

Hình 4.11 Màn hình để lựa chọn các thông số cần đo đạc 58

Hình 4.12 Màn hình manual của Puma hiển thị kết quả đo thí nghiệm 59

Hình 4.13 Đồ thị biểu diễn kết quả thí nghiệm cân bằng nhiệt 66

Hình 4.14 Tỉ lệ thành phần nhiệt lượng của động cơ D243 71

Hình 4.15 Đồ thị biểu diễn kết quả thí nghiệm cân bằng nhiệt 72

MỞ ĐẦU

Động cơ đốt trong đóng một vai trò quan trọng và không thể thay thế trong nền kinh tế toàn cầu Với tầm quan trọng đó thì đối với thế giới nói chung và Việt Nam của chúng ta nói riêng, công tác nghiên cứu để cải tiến động cơ đốt trong cho phù hợp với tình trạng nguồn nhiên liệu của dầu mỏ đang dần dần cạn kiệt, đó là vấn đề quan tâm của các nhà sản xuất động cơ

Cùng với xu hướng phát triển mạnh mẽ của ngành động cơ ở các nước trên thế giới, Bộ môn động cơ đốt trong – Viện cơ khí động lực – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội rất quan tâm đến vấn đề đào tạo thạc sỹ Cơ khí động lực và công tác nghiên cứu ngành động cơ đốt trong

Chính vì lý do đó mà phòng thí nghiệm AVL Bộ môn động cơ đốt trong đã được xây dựng với sự tài trợ của chính phủ Áo Với việc được trang bị những thiết

bị hiện đại, cho phép có thể đi sâu nghiên cứu động cơ đốt trong và thực hiện các thí nghiệm nhằm chứng minh cho lý thuyết

Được sự đồng ý của Bộ môn và của thầy hướng dẫn mà em đã chọn đề tài

“Thiết kế thí nghiệm cân bằng nhiệt động cơ đốt trong” (Design heat balance

experiment for internal busion engine) với việc xây dựng được một bài thí

nghiệm cụ thể dựa trên những thiết bị sẵn có của phòng thí nghiệm và xây dựng mô hình đo lưu lượng nước làm mát thông qua động cơ Mục đích của bài thí nghiệm này giúp học viên có được những kiến thức thực tế để chứng minh cho lý thuyết cân bằng nhiệt trong môn học lý thuyêt động cơ đốt trong Không những thế qua thí nghiệm này ta có thể nghiên cứu sự thay đổi các thành phần nhiệt lượng của động

cơ theo từng chế độ làm việc từ đó có những biện pháp thiết kế, khắc phục các hạn chế ở các hệ thống phụ trợ nhằm làm giảm tối đa những tổn thất đồng thời tăng công suất của động cơ, tăng hiệu quả kinh tế của động cơ

Tuy nhiên do thời gian và trình độ còn hạn chế nên trong luận văn mới chỉ ở dạng tìm hiểu xây dựng về mặt lý thuyết chưa có thời gian chế tạo và các số liệu có được thì cũng chủ yếu tham khảo các số liệu ở phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong

Trong thời gian làm luận văn này không thể tránh khỏi những thiết sót Em mong rằng sau này đề tài sẽ tiếp tục được phát triển sâu hơn

Qua đây em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của GS.TS Phạm Minh Tuấn cùng các thầy cô trong trong Bộ môn động cơ đốt trong và các thầy cô khác trong Viện Cơ khí động lực trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp

i Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

*) Mục đích nghiên cứu

Thiết kế thí nghiệm cân bằng nhiệt phục vụ cho đào tạo chuyên ngành Kỹ thuật động cơ nhiệt của Viện Cơ khí Động lực, Trường ĐHBK Hà Nội nói riêng hay các đơn vị có đào tạo Cơ khí Động lực nói chung trên toàn quốc

*) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí động lực - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Động cơ nghiên cứu là động cơ D243 được trang bị các thiết bị cần thiết để thí nghiệm cân bằng nhiệt

ii Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp tổng hợp các kết quả nghiên cứu về phương pháp tính toán và thí nghiệm cân bằng nhiệt của động cơ để đưa ra giải pháp xây dựng thí nghiệm cân bằng nhiệt cho động cơ D243 phục vụ cho công tác đào tạo

iii Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

- Lần đầu tiên ở việt nam thiết kế đi đến có thể chế tạo các hệ thống phục vụ cho thí nghiệm cân bằng nhiệt

- Thí nghiệm xây dựng để phục vụ cho đào tạo đại học và trên đại học cho ngành Động cơ đốt trong, Trường ĐHBK Hà Nội và các Trường Đại học có giảng dạy về động cơ đốt trong

iv Các nội dung chính trong đề tài

Thuyết minh của đề tài được trình bày theo các phần như sau:

 Mở đầu

 Chương 2 Cơ sở về cân bằng nhiệt trong động cơ đốt trong

 Chương 3 Thiết kế thí nghiệm cân bằng nhiệt

 Chương 4 Xây dựng quy trình và các biểu mẫu thí nghiệm

 Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Thực trạng đào tạo ngành Động cơ đốt trong tại Trường ĐHBK Hà Nội

1.1.1 Các loại hình đào tạo

Viện cơ khí động lực với tên giao dịch quốc tế là STE (School of Transportation Engineering), Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội tiền thân là khoa động lực từ năm 1966 và được thành lập ngày 27/06/2006 theo quyết định số 3236/QĐ-BGDĐT của Bộ giáo dục và đào tạo; bao gồm 4 bộ môn, một phòng thí nghiệm và một trung tâm tư vấn thuộc lĩnh vực động lực được tách ra từ khoa cơ khí Viện có chức năng

cơ bản là nghiên cứu khoa học và chuyển giao công nghệ về lĩnh vực khoa học và công nghệ cơ khí động lực Ngoài ra, viện còn tiến hành đào tạo, bồi dưỡng nhân lực trình độ đại học, cao học và tiến sỹ ngành cơ khí động lực

Với nhiều thành tựu đạt được trong đào tạo, nghiên cứu và chuyển giao công nghệ, với đội ngũ giảng viên nhiều kinh nghiệm và hệ thống trang thiết bị hiện đại, Viện Cơ khí động lực xứng đáng với vị trí dẫn đầu ở Việt Nam và đang dần tiếp cận với tầm khu vực trong lĩnh vực cơ khí động lực

Các loại hình đào tạo tại mà Viện Cơ khí động lực đang đào tạo rất đa dạng gồm

có 5 chuyên ngành đào tạo: Động cơ, Ôtô, Kỹ thuật tàu thủy, Kỹ thuật hàng không

và Máy thủy khí Trong những năm gần đây, Viện tiếp nhận đào tạo hàng năm 280 sinh viên Đại học, 45 học viên Cao học và 6 Ngiên cứu sinh

Ngoài ra Viện còn đào tạo Kỹ sư chất lượng cao ngành Hàng không theo chương trình hợp tác của hai Chính phủ Việt-Pháp; giảng dạy môn Kỹ thuật thủy khí cho gần 1500 sinh viên của Trường; giảng dạy môn Động cơ đốt trong cho sinh viên Khoa Cơ khí; đảm nhiệm một số môn về Máy và Tự động Thủy lực cho các Khoa Kinh tế và Máy hóa Bên cạnh đó Viện còn tổ chức và tham gia bồi dưỡng chuyên đề cho cán bộ kỹ thuật ở các cơ sở sản xuất

1.1.2 Chương trình đào tạo đại học và sau đại học

1.1.2.1 Chương trình đào tạo đại học

Trình độ đào tạo: Đại học

Ngành đào tạo: Kỹ thuật Cơ khí động lực

(Ban hành tại Quyết định số 561 /QĐ-ĐHBK-ĐTĐH ngày 25/04/2011 của Hiệu trưởng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội)

sĩ trong và ngoài nước

- Kỹ năng xã hội cần thiết để làm việc hiệu quả trong nhóm đa ngành và trong môi trường quốc tế

- Năng lực phát triển sản phẩm và giải pháp kỹ thuật Cơ khí Động lực trong bối cảnh kinh tế, xã hội và môi trường

- Phẩm chất chính trị, đạo đức, có ý thức phục vụ nhân dân, có sức khoẻ, đáp ứng yêu cầu xây dựng và bảo vệ Tổ quốc

 Thời gian đào tạo và khối lượng kiến thức toàn khóa:

- Thời gian đào tạo theo thiết kế: 4 năm (8 học kỳ chính)

- Khối lượng kiến thức toàn khoá: 132 tín chỉ (TC)

 Đối tượng tuyển sinh:

Học sinh tốt nghiệp phổ thông trúng tuyển kỳ thi đại học khối A vào nhóm ngành phù hợp của Trường ĐHBK Hà Nội theo quy chế chung của Bộ Giáo dục và Đào tạo

Người đã tốt nghiệp đại học các ngành khác có thể học chương trình thứ hai theo quy chế chung của Bộ Giáo dục và Đào tạo và theo những quy định cụ thể của

 Quy trình đào tạo, điều kiện tốt nghiệp:

Quy trình đào tạo và điều kiện tốt nghiệp áp dụng Quy chế đào tạo đại học, cao đẳng chính quy theo học chế tín chỉ của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội được thể hiện trong Bảng 1.1, Bảng 1.2, Bảng 1.3

 Chương trình Kỹ sư Cơ khí Động lực:

Trình độ đào tạo: Đại học

Ngành đào tạo: Kỹ thuật Cơ khí (Động lực)

- Kỹ năng chuyên nghiệp và phẩm chất cá nhân cần thiết để thành công trong nghề nghiệp

- Kỹ năng xã hội cần thiết để làm việc hiệu quả trong nhóm đa ngành và trong môi trường quốc tế

- Năng lực lập dự án, thiết kế, thực hiện và vận hành các thiết bị, hệ thống đo lường, điều khiển và tự động hoá phù hợp bối cảnh kinh tế, xã hội và môi trường

- Phẩm chất chính trị, ý thức phục vụ nhân dân, có sức khoẻ, đáp ứng yêu cầu xây dựng và bảo vệ Tổ quốc

Người tốt nghiệp chương trình Kỹ sư Cơ khí Động lực có thể đảm nhiệm công việc với vai trò là:

 Kỹ sư thiết kế, phát triển

 Kỹ sư vận hành, bảo dưỡng

 Kỹ sư kiểm định, đánh giá

 Thời gian đào tạo theo thiết kế: 5 năm

 Khối lượng kiến thức toàn khoá: 162 tín chỉ (TC)

- Chương trình chuyển hệ từ CNKT:

Áp dụng cho sinh viên đã tốt nghiệp Cử nhân kỹ thuật Cơ khí động lực (4 năm) hoặc các ngành gần gũi Thời gian đào tạo và khối lượng kiến thức phụ thuộc định hướng sinh viên lựa chọn ở chương trình Cử nhân kỹ thuật:

 Thời gian đào tạo theo thiết kế: 1-1,5 năm

 Khối lượng kiến thức toàn khoá: 36 - 54 tín chỉ (TC)

 Đối tượng tuyển sinh:

- Học sinh tốt nghiệp phổ thông trúng tuyển kỳ thi đại học vào nhóm ngành phù hợp của Trường ĐHBK Hà Nội sẽ theo học chương trình 5 năm hoặc chương trình 4+1 năm

- Người tốt nghiệp Cử nhân kỹ thuật Cơ khí theo chương trình đào tạo Kỹ thuật Cơ khí Động lực của Trường ĐHBK Hà Nội được tuyển thẳng vào học chương trình chuyển hệ 1 năm theo đúng định hướng chuyên ngành Người tốt nghiệp Cử nhân Cơ khí theo chương trình đào tạo Kỹ thuật Cơ khí Động lực của Trường ĐHBK Hà Nội được tuyển thẳng vào học chương trình chuyển hệ 1 năm khác định hướng chuyên ngành nhưng phải học bổ sung một số học phần

- Người tốt nghiệp Cử nhân Công nghệ Kỹ thuật Ô tô của Trường ĐHBK Hà Nội được xét tuyển vào học chương trình chuyển hệ 1 năm sau khi hoàn thành một học kỳ chuyển đổi, bổ sung

- Người đang học chương trình Cử nhân hoặc Kỹ sư các ngành khác tại Trường ĐHBK Hà Nội có thể học chương trình song bằng theo Quy định về học ngành thứ hai hệ đại học chính quy của Trường ĐHBK Hà Nội

của các trường đại học khác có thể học chương trình thứ hai theo quy chế chung của

Bộ Giáo dục và Đào tạo và theo những quy định cụ thể của Trường ĐHBK Hà Nội

 Quy trình đào tạo, điều kiện tốt nghiệp:

Quy trình đào tạo và điều kiện tốt nghiệp áp dụng Quy chế đào tạo đại học, cao đẳng chính quy theo học chế tín chỉ của Trường ĐHBK Hà Nội Những sinh viên theo học chương trình song bằng còn phải tuân theo Quy định về học ngành thứ hai

hệ đại học chính quy của Trường ĐHBK Hà Nội

Phần danh mục chi tiết của chương trình đào tạo được thể hiện trong Bảng 1.4

 Chương trình cử nhân Công nghệ kỹ thuật ô tô:

Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Loại hình đào tạo: Chính quy

- Phẩm chất chính trị, đạo đức, có ý thức phục vụ nhân dân, có sức khoẻ, đáp ứng yêu cầu xây dựng và bảo vệ Tổ quốc

sung thêm 01 để được nhận bằng Kỹ sư của Trường ĐHBK Hà Nội hoặc học tiếp lên trình độ Thạc sĩ (theo chương trình Thạc sĩ kỹ thuật)

 Thời gian đào tạo và khối lượng kiến thức toàn khóa:

 Thời gian đào tạo theo thiết kế: 4 năm (8 học kỳ chính) Theo quy chế đào

tạo, để hoàn thành chương trình sinh viên có thể rút ngắn tối đa 3 học kỳ hoặc kéo dài tối đa 5 học kỳ

 Khối lượng kiến thức toàn khoá: 133 tín chỉ (TC), không kể khối lượng

kiến thức Giáo dục thể chất và Giáo dục quốc phòng – an ninh

 Đối tượng tuyển sinh:

Thí sinh trúng tuyển kỳ thi đại học khối A vào nhóm ngành Công nghệ kỹ thuật của Trường ĐHBK Hà Nội theo quy chế chung của Bộ Giáo dục và Đào tạo

 Quy trình đào tạo, điều kiện tốt nghiệp:

Quy trình đào tạo và điều kiện tốt nghiệp áp dụng Quy chế đào tạo đại học, cao đẳng chính quy theo học chế tín chỉ của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Danh mục học phần chi tiết được thể hiện trong Bảng 1.5 và Bảng 1.6

1.1.2.2 Chương trình đào tạo sau đại học

 Mục tiêu đào tạo thạc sĩ:

Chuyên ngành Kỹ thuật Máy và thiết bị thủy khí: Đào tạo thạc sĩ chuyên ngành

Kỹ thuật máy và thiết bị thủy khí có trình độ chuyên môn sâu tốt, có thể làm chủ các lĩnh vực khoa học và công nghệ liên quan đến kỹ thuật máy và thiết bị thủy khí,

có phương pháp tư duy hệ thống, có kiến thức khoa học cơ bản và kỹ thuật cơ sở vững chắc, kiến thức chuyên môn trình độ cao và kỹ năng thực hành tốt, khả năng nghiên cứu khoa học độc lập và sáng tạo, khả năng thích ứng cao với môi trường kinh tế-xã hội, giải quyết tốt những vấn đề khoa học và kỹ thuật của ngành máy và thiết bị thủy khí

Chuyên ngành Kỹ thuật động cơ nhiệt: Đào tạo thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật động cơ nhiệt có trình độ chuyên môn sâu tốt, có thể làm chủ các lĩnh vực khoa học

và công nghệ liên quan đến Kỹ thuật động cơ đốt trong, có phương pháp tư duy hệ thống, có kiến thức khoa học cơ bản và kỹ thuật cơ sở vững chắc, kiến thức chuyên

và sáng tạo, khả năng thích ứng cao với môi trường kinh tế - xã hội, giải quyết tốt những vấn đề khoa học và kỹ thuật của chuyên ngành

Chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô và Xe chuyên dụng: Đào tạo thạc sỹ chuyên ngành Kỹ thuật ô tô và xe chuyên dụng có trình độ chuyên môn sâu tốt, có thể làm chủ các lĩnh vực khoa học và công nghệ liên quan đến kỹ thuật ô tô và xe chuyên dụng, có phương pháp tư duy hệ thống, có kiến thức khoa học cơ bản và kỹ thuật cơ

sở vững chắc, kiến thức chuyên môn trình độ cao và kỹ năng thực hành tốt, khả năng nghiên cứu khoa học độc lập và sáng tạo, khả năng thích ứng cao với môi trường kinh tế-xã hội, giải quyết tốt những vấn đề khoa học và kỹ thuật của ngành công nghiệp ô tô và xe chuyên dụng

Chương trình đào tạo cung cấp kiến thức lý thuyết nâng cao, hiện đại về kỹ thuật ô tô, kỹ năng thực hành tốt, có năng lực phát hiện vấn đề và ứng dụng kiến thức lý thuyết và kỹ năng thực hành để giải quyết các vấn đề thực tiến thuộc lĩnh vực kỹ thuật ô tô và xe chuyên dụng, đảm bảo tính hội nhập với các nước trong khu vực và tính liên thông giữa các bậc học

 Chương trình đào tạo thạc sĩ:

Học phần chi tiết của chương trình đạo tạo thạc sĩ được thể hiện trong Bảng 1.7, Bảng 1.8 và Bảng 1.9

1.1.3 Các thí nghiệm sử dụng trong đào tạo và nghiên cứu 2115

Như đã trình bày ở trên, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội có các chương trình đào tạo với nhiều định hướng chuyên sâu Mỗi định hướng chuyên sâu đều có các bài thí nghiệm phục vụ cho đào tạo và nghiên cứu Do giới hạn về khuôn khổ luận văn nên ở đây chỉ trình bày giới hạn trong định hướng chuyên sâu Động cơ đốt trong

Các bài thí nghiệm hiện có cho định hướng Động cơ đốt trong gồm:

- Thí nghiệm lấy đặc tính ngoài động cơ được thực hiện trên băng thử động cơ nhiều xylanh APA 100, băng thử động cơ cỡ nhỏ Didacta, hoặc băng thử điện cỡ trung dùng biến trở nước Các thông số đo gồm có: công suất, suất tiêu thụ nhiên

- Thí nghiệm quá trình nghiên cứu phun, cháy trong động cơ diesel trên động cơ nghiên cứu 1 xylanh AVL-5402 sử dụng Visoscope AVL 513D để quay phim, chụp ảnh các quá trình diễn ra trong buồng cháy

- Thí nghiệm xác định diễn biến áp suất trong xylanh sử dụng hệ thống Indicating System trên động cơ thí nghiệm là diesel D243

- Thí nghiệm điều khiển các thông số quá trình phun động cơ Common Rail trên động cơ nghiên cứu 1 xylanh AVL-5402 sử dụng phần mềm INCA

- Thí nghiệm xác định phát thải theo chu trình thử Châu Âu cho xe con, xe tải nhẹ

và xe máy được thực hiện trên các băng thử Chassisdynanometer 48” và 20” có hệ thống đo khí thải lấy mẫu kiểu thể tích không đổi (Constant Volume Sampling)

- Ngoài ra còn các thí nghiệm cơ bản khác như đo áp suất nén trong xylanh, lưu lượng khí lọt xuống các te, ổn định nhiệt độ nhiên liệu và nhiệt độ nước làm mát động cơ…

Tuy nhiên chưa có thí nghiệm cân bằng nhiệt phục vụ cho đào tạo và nghiên cứu

1.2 Sự cần thiết phải xây dựng thí nghiệm cân bằng nhiệt

1.2.1 Khái quát chung về thí nghiệm cân bằng nhiệt

Tính toán cân bằng nhiệt là giai đoạn cuối của tính toán nhiệt đối với động cơ đốt trong nhằm mục đích xác định các thành phần năng lượng phân bố trong động

cơ, trên cơ sở đó tìm các biện pháp giảm các tổn thất để dùng nhiệt vào việc có ích Ngoài ra, kết quả cân bằng nhiệt làm cơ sở tính toán và thiết kế các hệ thống phụ trợ như hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn và hệ thống tăng áp dùng tuốcbin khí thải Cân bằng nhiệt được xác định bằng thực nghiệm trên băng thử công suất động

cơ nhằm xác định tất cả các thành phần năng lượng như: công suất có ích, nhiệt do khí thải mang đi, nhiệt do nước làm mát mang đi, nhiệt trong nhiên liệu không cháy… để từ đó xác định được lượng nhiệt còn lại ứng với nhiệt đối lưu, bức xạ… của động cơ trao đổi với môi trường Đây là đại lượng rất khó xác định trực tiếp

1.2.2 Vai trò của thí nghiệm cân bằng nhiệt trong đào tạo ngành động cơ

Thí nghiệm cân bằng nhiệt có vai trò phục vụ cho sinh viên trong việc học tập môn Lý thuyết động cơ đốt trong

Phục vụ cho công tác nghiên cứu để cải tiến khả năng làm việc của động cơ đốt trong như:

- Tính những tổn thất nhiệt trong động cơ, trên cơ sở đó có thể tìm biện pháp giảm các tổn thất để dùng nhiệt vào những việc có ích Ví dụ: dùng nhiệt của khí thải và nước làm mát để lắp đặt các thiết bị sử dụng số nhiệt đó

- Kết quả thí nghiệm cân bằng nhiệt cho ta cơ sở để thiết kế các hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn… hoặc thiết kế tuabin tăng áp

Như vậy: Thí nghiệm cân bằng nhiệt rất quan trọng trong quá trình đào tạo chuyên ngành vì nó giúp cho người học có được một cái nhìn toàn cảnh và trực giác

về phân bố năng lượng trong động cơ Tuy nhiên, hầu hết các cơ sở đào tạo về động

cơ đốt trong ở Việt Nam hiện nay đều không có thí nghiệm này

Để xây dựng thí nghiệm cân bằng nhiệt cần có động cơ thí nghiệm lắp trên băng thử công suất phù hợp cùng với các thiết bị phụ trợ để đo lưu lượng của nhiên liệu, không khí, nước làm mát và dầu bôi trơn; đo nhiệt độ của nước làm mát, dầu bôi trơn và khí thải…

Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong của Viện Cơ khí Động lực, Trường ĐHBK Hà Nội có đầy đủ các trang thiết bị nêu trên, tuy nhiên chưa được ghép nối với nhau tạo thành một thí nghiệm cân bằng nhiệt động cơ hoàn chỉnh để phục vụ cho đào tạo đại học và sau đại học theo hướng chuyên sâu Kỹ thuật động cơ nhiệt Chính vì vậy, việc thực hiện đề tài “Thiết kế thí nghiệm cân bằng nhiệt động cơ đốt trong” cụ thể cho Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Trường ĐHBK Hà Nội là cần thiết và có ý nghĩa học thuật cũng như ý nghĩa thực tiễn rõ nét

1.2.3 Một số cơ sở đào tạo trên thế giới sử dụng thí nghiệm cân bằng nhiệt

Một số trường đại học kỹ thuật ở nước ngoài chú trọng vài trò của cân bằng nhiệt trong đào tạo và nghiên cứu nên đã đầu tư xây dựng thí nghiệm cân bằng nhiệt một cách bài bản Xin nêu một ví dụ, đó là Trường Đại học khoa học ứng dụng Bremen (Hochschule Bremen) Tại đây, thí nghiệm cân bằng nhiệt được xây dựng

và thực hiện tại Phòng thí nghiệm năng lượng thuộc Viện kỹ thuật Năng lượng (Institut für Energietechnik) mang tên Julius Robert Mayer, [14] Thí nghiệm này

Động cơ thử nghiệm là động cơ diesel công suất 240 mã lực, tốc độ vòng quay 2000 v/ph lắp trên băng thử động cơ dùng phanh thủy lực (nước) Chế độ thí nghiệm để

1800 v/ph và công suất 200 mã lực Đo lưu lượng nước làm mát bằng phương pháp

hở và bấm giây, đo lưu lượng khí nạp bằng tấm tiết lưu, đo nhiệt độ nước vào, ra bằng nhiệt kế và đo nhiệt độ khí thải bằng cặp nhiệt ngẫu Mỗi một ca thí nghiệm có

5 sinh viên tham gia Cán bộ hướng dẫn phổ biến phương pháp và thao tác thí nghiệm trong 1 tiết Trong 1 tiết còn lại, sinh viên làm thí nghiệm với sự phân công chi tiết cho từng vị trí: nhóm trưởng phát lệnh và gạt van đo nước, điều khiển tải, đo nhiệt độ, đọc kết quả đo mô men, tốc độ vòng quay… và ghi kết quả vào bảng theo mẫu Thí nghiệm được thực hiện với 5 lần đo lặp lại và kết quả cuối cùng nhận được là trung bình cộng của 5 lần đo

1.3 Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong và mức độ đáp ứng xây dựng thí nghiệm cân bằng nhiệt

Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong Trường Đại học Bách khoa Hà Nội được thể hiện trên hình 1.1, bao gồm một phòng điều khiển chung và 4 phòng thí nghiệm sau:

- Băng thử động cơ một xy lanh

- Băng thử động lực học: Thí nghiệm động cơ nhiều xy lanh

- Băng thử xe con và ôtô tải hạng nhẹ

Hệ thống phụ trợ đối với băng thử động cơ bao gồm các hệ thống chiếu sáng,

hệ thống thông gió, quạt gió để bảo cho quá trình thí nghiệm đảm bảo tính chính

PHßNG THÝ NGHIÖM

§éNG C¥ MéT

XY LANH

NGHIÖM §éNG C¥ NHIÒU XY LANH

PHßNG THÝ NGHIÖM PH¢N TÝCH KHÝ TH¶I §éNG C¥

Hình 1.1 Sơ đồ phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong

1.4 Kết luận chương 1

Thí nghiệm cân bằng nhiệt thực sự là cần thiết cho việc nghiên cứu phát triển động cơ nhằm làm giảm tối đa các tổn thất mất đi trong quá trình sinh nhiệt của động cơ để từ đó có những cải tiến kỹ thuật tối ưu cho các hệ thống làm mát, bôi trơn, tăng áp cũng như nghiên cứu thiết kế các bộ phận phụ trợ để tăng công suất động cơ và làm giảm tiêu hao nhiện liệu Đồng thời xây dựng thí nghiệm cân bằng nhiệt nhằm phục vụ cho đào tạo tại kỹ sư, thạc sĩ, tiến sĩ cũng như các công việc nghiên cứu khác của Viện Cơ khí Động lực, Trường ĐHBK Hà Nội, do đó việc xây dựng thí nghiệm cân bằng nhiệt thực sự là cần thiết

Phòng thí nghiệm Động cơ đốt của Viện Cơ khí Động lực, Trường ĐHBK Hà Nội hoàn toàn đáp ứng được điều kiện xây dựng thí nhiệm cân bằng nhiệt nói trên

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ VỀ CÂN BẰNG NHIỆT TRONG ĐỘNG CƠ

ĐỐT TRONG 2.1 Cân bằng nhiệt trong động cơ đốt trong

2.1.1 Phương trình cân bằng nhiệt trong động cơ đốt trong

Với T thlà nhiệt độ khí thải (K) trong đường thải; T k(K) là nhiệt độ khí nạp mới tại đường nạp; M1,M2là sản phẩm của vật cháy và môi chất mới quy về 1 kg nhiên liệu (kmol/kgnl); C''pth

,C''pk

Do đó Q d cũng được tính toán bởi các thành phần được xác định thực tế trên động cơ

ch

Q : Nhiệt lượng trong phần nhiên liệu không cháy được Khi  ≥ 1 thì Q ch

được tính vào Q cl còn khi < 1 thì Q ch tính như sau:

Q Q  Q Q Q Q Q

(2-8)Thông thường, cân bằng nhiệt thể diện dưới dạng không thứ nguyên bằng cách chia cả hai vế cho Q0:

Bảng 2.1 Tỷ lệ của các thành phần cân bằng nhiệt

Động cơ xăng 21 ÷ 33 12 ÷ 27 30 ÷ 50 0 ÷ 4,5 3 ÷ 10

Động cơ diesel 26 ÷ 27 15 ÷ 35 25 ÷ 40 0 ÷ 5 2 ÷ 5

Động cơ gas 23 ÷ 35 20 ÷ 25 35 ÷ 45 0 ÷ 5 2 ÷ 10

2.1.2 Phân tích lựa chọn phương án thí nghiệm cân bằng nhiệt

Để thực hiện được các thí nghiệm cân bằng nhiệt trên động cơ một cách tương đối chính xác thì ta phải được trang bị những thiết bị đo đạc tương đối hiện đại và chính xác Chính vì thế mà Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội được xây dựng để đáp ứng các vấn đề trên

Muốn thực hiện được chính xác các thí nghiệm cân bằng nhiệt ta phải tiến hành xác định các thành phần chưa biết ở vế trái của phương trình cân bằng nhiệt, qua đó

có thể xác định được thời điểm làm việc nào của động cơ là có tính hiệu quả, tính kinh tế nhất Từ đó có phương pháp điều chỉnh hợp lý để đạt được yêu cầu đặt ra Qua sơ đồ cân bằng nhiệt (hình 2.1), ta có thể thấy rõ mối quan hệ của các thành phần nhiệt lượng trong động cơ Từ đó có những phương pháp phân tích thích hợp để xác định chính xác các thành phần nhiệt lượng đó trong tính toán cân bằng nhiệt

Hình 2.1 Sơ đồ cân bằng nhiệt của động cơ

Q o : Nhiệt lượng do nhiên liệu đưa vào động cơ; Q i : Nhiệt lượng tương đương với công chỉ thị của động cơ; Q e : Nhiệt lượng tương đương với công suất có ích của động cơ; Q vách : Nhiệt lượng truyền qua vách qua thể tích xi lanh;Q mát : Nhiệt lượng tỏa ra cho môi trường làm mát; Q ∑ : Nhiệt lượng tổng cộng chứa trong khí thải; Q m : Nhiệt lượng tương đương với công tiêu hao cho ma sát và cho việc dẫn động các cơ cấu phụ; Q ms : Nhiệt lượng truyền cho môi trường làm mát do ma sát giữa pittông và xéc măng; Q ch : Phần nhiệt lượng mất mát của nhiên liệu do cháy không hoàn toàn;

Q cl : Phần nhiệt lượng tổn thất khác; Q w : Nhiệt lượng ứng với động năng của khí thải;Q bx : Nhiệt lượng mất mát do bức xạ; Q T : Nhiệt lượng do khí trong ống thải tỏa

ra cho hệ thống làm mát; Q th : Nhiệt lượng do khí thải mang theo ra ngoài

Từ phương trình cân bằng nhiệt:

Q0 = Qe + Qlm + Qth+ Qch+ Qd +Qcl (J/s) Với:

Để tiến hành tính toán cân bằng nhiệt ta phải xác định các thành phần nhiệt lượng ở cả hai vế của phương trình trên Tức là ta phải tiến hành thí nghiệm để xác định các thành phần sau:

Gnl: Lượng nhiên liệu động cơ tiêu thụ trong 1 giây (kg/s)

Gn: Lượng nước qua động cơ trong thời gian 1 giây (kg/s)

tr, tv: Nhiệt độ nước ra, vào động cơ (0C)

Tth, Tk: Nhiệt độ khí xả và nhiệt độ khí nạp đi vào động cơ (K)

Gd: Lượng dầu bôi trơn qua động cơ trong thời gian 1 giây (kg/s)

Ne: Công suất của động cơ (kW)

tdr, tdv: Nhiệt độ dầu ra và vào động cơ (0C)

Để xác định:

Gnl: Dùng thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL733S tại phòng thí nghiệm

tnr, tnv, tdv, tdr, Tth, Tk: Dùng các cảm biến đo nhiệt độ tại phòng thí nghiệm; và bản chất cấu tạo nguyên lý làm việc là giống nhau, tuy nhiên dải đo cảm biến cho mỗi loại, mỗi môi trường là khác nhau nên vật liệu chế tạo khác nhau

Ne: Được xác định thông qua Me và ne là mômen và số vòng quay của động cơ được hiển thị bằng hệ thống điều khiển băng thử Puma

Kết luận: Như vậy tất cả các thành phần trên đều được đo bằng những thiết bị sẵn có và được xác định thông qua Puma

Tuy nhiên phòng thí nghiệm chưa có đủ thiết bị để đo Gn, Gd Chính vì thế để hoàn chỉnh một bài thí nghiệm về cân bằng nhiệt chúng ta phải xây dựng mô hình

đo lưu lượng nước và dầu thực tế qua động cơ

Chúng ta có thể đo lưu lượng nước làm mát (Gn)theo mạch kín, với dụng cụ đo

là đồng hồ đo lưu lượng nước kết hợp với đồng hồ bấm giây

Đo lưu lượng dầu bôi trơn (Gd): ta có thể làm tương tự như đo Gn Để đảm bảo

an toàn cho hoạt động của động cơ, mặt khác nhiệt lượng do dầu bôi trơn mang đi không lớn ((1,5 ÷ 3%)Q0 ), do đó ta không xác định lượng của dầu bôi trơn theo cách trên Lượng dầu bôi trơn qua động cơ sẽ được xác định thông qua lưu lượng bơm dầu (bơm điện) lắp trên thiết bị làm mát dầu AVL554

Qcl: được tính sau khi đã xác định được thành phần nhiệt lượng trong phương trình cân bằng nhiệt

2.2 Ý nghĩa của cân bằng nhiệt trong động cơ đốt trong

Nhằm xác định các đại lượng đặc trưng cho quá trình làm việc cũng như các thông số đặc trưng cho chu trình công tác của động cơ và các đại lượng liên quan Qua đó để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật chung của động cơ phục vụ sản xuất để đánh giá tính hoàn thiện về kết cấu của các cụm, hệ thống phục vụ công tác nghiên cứu phát triển động cơ

Các cơ sở sản xuất và trung tâm nghiên cứu phát triển có mục đích khác nhau:

- Ở các cơ sở sản xuất, thí nghiệm động cơ chủ yếu là để phục vụ kiểm tra, điều chỉnh động cơ sau lắp ráp và đánh giá nghiệm thu động cơ theo yêu cầu sửa chữa, chế tạo nó giúp nhà máy đánh giá được chất lượng xuất xưởng

- Ở các trung tâm nghiên cứu phát triển động cơ, thí nghiệm động cơ ngoài việc đánh giá các chỉ tiêu kinh kế kỹ thuật của động cơ như ở các cơ sở sản xuất, còn phải nghiên cứu sâu hơn các vấn đề liên quan như quá trình cháy, quá trình truyền nhiệt, nhiệt động học, thủy khí động học

2.3 Kết luận

- Qua phương trình cân bằng nhiệt ta có thể đo được các thông số trực tiếp trên động cơ thông qua các hệ thống như băng thử, các cảm biến, các đường ống van tại một thời điểm nào đó, ta có thể xác định được tỉ lệ thành phần cân bằng nhiệt từ đó

có những phương pháp điều chỉnh hợp lý các thành phần để đạt được yêu cầu đặt ra

- Để thực hiện được chính xác các thí nghiệm ta phải xác định được thời điểm làm việc hiệu quả của động cơ từ đó có những phương pháp điều chỉnh hợp lý để đạt được yêu cầu đặt ra

- Tất cả các thành phần đều được đo bằng các thiết bị có sẵn và được xác định thông qua puma

- Để đánh giá được các chỉ tiêu kỹ thuật chung của động cơ phục vụ sản xuất để đánh giá tính hoàn thiện về kết cấu của các cụm, hệ thống phục vụ nghiên cứu phát triển động cơ

- Nhằm xác định các đại lượng đặc trưng cũng như các thông số đặc trưng cho chu trình công tác của động cơ và các đại lượng liên quan

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM CÂN BẰNG NHIỆT

3.1 Lựa chọn động cơ thí nghiệm

3.1.1 Giới thiệu về động cơ D243

Động cơ D243 là động cơ Diesel do Belarus sản xuất Với công suất 80 mã lực,

số vòng quay định mức 2200 (vòng/phút), động cơ D243 được dùng chủ yếu để lắp đặt trên máy kéo Về kết cấu D243 tương tự như D240, tuy nhiên kết cấu buồng cháy của D243 được thiết kế tạo xoáy lốc tốt hơn D240 và số vòng quay định mức lớn hơn Mặt cắt ngang và dọc của động cơ D243 được thể hiện trên hình 3.1 và hinh 3.2

Hình 3.2 Mặt cắt dọc động cơ D243 3.1.2 Lý do chọn động cơ D243 làm động cơ thí nghiệm

Động cơ D243 được Bộ môn Động cơ đốt trong sử dụng để phục vụ cho các thí nghiệm và lắp đặt trên băng thử tính năng động lực học cao Trên nắp xilanh được khoét để lắp cảm biến đo áp suất buồng cháy

Việc xây dựng các thí nghiệm cân bằng nhiệt dùng động cơ D243 sẽ trợ giúp cho học viên trong việc tìm hiểu và xây dựng các thí nghiệm tương tự trên động cơ này một cách thuận lợi, dễ dàng hơn

3.2 Xây dựng mô hình thí nghiệm

Để xác định các thành phần trên ta tiến hành xây dựng các thí nghiệm cân bằng nhiệt bằng cách tìm hiểu các cấu tạo, nguyên lý hoạt động của từng loại thiết bị đo

nghiờn cứu thớ nghiệm để hoàn thiện cỏc đặc tớnh của động cơ đũi hỏi sự phối hợp của nhiều ngành khoa học với nhau Nhờ sự phỏt minh mới trong lĩnh vực húa lý, cụng nghệ thụng tin, điện tử đó tạo ra những cụng cụ quan trọng cho việc nghiờn cứu Phũng thớ nghiệm động cơ nhiều xy lanh được trang bị nhiều thiết bị hiện đại

và bố trớ như sơ đồ hỡnh 3.3 dưới đõy:

Điêu hoà nhiệt độ nuớc làm mát AVL553

bảng điêu khiển k57 PUMA

Phanh điện APA100

Cân nhiên liệu AVL733S

điêu hoà nhiệt độ nhiên liệu AVL753

Hỡnh 3.3 Sơ đồ kết nối cỏc thiết bị của hệ thống băng thử

Hệ thống băng thử bao gồm cỏc thiết bị sau:

- Động cơ D243

- Cụm phanh điện APA100

- Cụm làm mỏt dầu bụi trơn AVL 554

- Cụm làm mỏt nước làm mỏt AVL553

- Cõn nhiờn liệu AVL733S

- Làm mỏt nhiờn liệu AVL 753

- Bộ kộo ga THA100

CABLE BOOM là hộp chứa các thiết bị chuyển đổi các tín hiệu thu nhận được từ các cảm biến lắp trên động cơ Puma và chuyển các tín hiệu điều khiển từ Puma đến các cảm biến đó

FEM (Front And Modul) hay thiết bị đầu cuối: Thiết bị này có nhiệm vụ chuyển các tín hiệu tương tự (Analog) thu được từ các cảm biến thành tín hiếu số (Digital), tín hiệu số này sẽ được chuyển về Puma

PUMA là hệ thống điều khiển chính cho sự hoạt động của toàn bộ băng thử Puma như một hệ điều hành, người điều khiển có thể can thiệp trực tiếp trên hệ điều hành này để điều khiển băng thử

K57 là bảng điều khiển, trên bảng này có các phím Người điều khiển có thể tác động vào để điều khiển sự làm việc của động cơ

PC là máy tính để xử lý các kết quả đo đạc

Hình 3.4 Băng thử động lực học động cơ nhiều xy lanh 3.2.1 Phanh điện APA 100

độ phanh điện và động cơ điện Tác dụng tương hỗ giữa lực từ của stato và rotor sẽ tạo ra tải trọng cho động cơ hoặc kéo động cơ đốt trong quay Vỏ stato do được đặt trên hai gối đỡ nên cũng có xu hướng quay theo Một cảm biến lực (loadcell) giữ vỏ stato ở vị trí cân bằng và xác định giá trị lực tương hỗ này Thay đổi giá trị của lực này bằng cách thay đổi cường độ dòng điện vào băng thử Tốc độ quay của băng thử được xác định bằng cảm biến tốc độ kiểu đĩa quang Công suất lớn nhất của băng thử ở chế độ động cơ điện là 200kW, ở chế độ phanh điện là 220kW trong dải tốc độ từ 2250 đến 4500 vòng/phút, tốc độ cực đại 8000 vòng/phút Băng thử được trang bị các hệ thống điều khiển, xử lý số liệu tự động và hiển thị kết quả, mô hình hoá như PUMA, EMCON 300, Concerto và ISAC 300, giúp cho quá trình điều khiển được dễ dàng và bảo đảm kết quả thử nghiệm chính xác

Hình 3.5 Phanh điện APA 100

Từ trường tương hỗ giữa rotor và stator tạo ra mô men cản với rotor và cân băng với momen dẫn động từ rotor (rotor là cụm phanh được nối với trục dẫn động

từ động cơ) Cường độ từ trường tương hỗ giữa rotor và stator được điều chỉnh để tăng hoặc giảm mô men cản trên trục dẫn động từ động cơ Khả năng thay đổi mô men phanh thích hợp cho việc điều khiển tự động ở các chế độ thử của động cơ Cụm phanh có chức năng làm việc ở chế độ máy phát (phanh đối với động cơ)

và chế độ động cơ (kéo động cơ quay) nên có thể dùng để chạy rà nguội và thí nghiệm động cơ trên cùng một băng thử Đặc tính phanh ở chế độ máy phát được thể hiện trên hình 3.6 và hình 3.7 thể hiện đặc tính phanh ở chế độ động cơ

Ngoài ra công suất động cơ được hấp thụ và biến đổi thành năng lượng điện trong thiết bị (phanh) Dòng điện này qua bộ biến tần và được đưa ra ngoài

Phanh APA 100 còn có chức năng mô tả các sức cản lên động cơ như động cơ đang lắp trên ôtô chạy trên đường bằng phần mềm ISAC

Hình 3.6 Đặc tính phanh chế độ máy phát

Hình 3.7 Đặc tính phanh chế độ động cơ điện 3.2.2 Thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554

Theo tiêu chuẩn thử nghiệm về động cơ cũng như về khí thải đều có yêu cầu về nhiệt độ dầu bôi trơn phải nằm trong giới hạn cho phép Cụm làm mát dầu có chức năng giữ ổn định nhiệt độ dầu bôi trơn Hình 3.8 giới thiệu sơ đồ khối thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL554

Khi động cơ làm việc một phần nhiệt sẽ truyền cho dầu bôi trơn, sẽ làm nóng dầu bôi trơn, do đó ảnh hưởng đến chất lượng bôi trơn (tính năng lý hoá của dầu bôi trơn) nên cần làm mát dầu bôi trơn Và khi động cơ bắt đầu làm việc ở môi trường

có nhiệt độ thấp, lúc này nhiệt độ động cơ thấp (độ nhớt của dầu cao) ảnh hưởng đến chất lượng bôi trơn (tính lý hoá của dầu bôi trơn) cũng như làm tăng thời gian hâm nóng động cơ (có thể động cơ không thể làm việc được) do vậy cần làm nóng dầu bôi trơn

Hình 3.8 Sơ đồ khối thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554

Hình 3.9 giới thiệu sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát dầu bôi trơn, dầu từ các

te được bơm 3 hút qua đầu nối nhanh 1 và lọc dầu 2 Dầu sau khi qua bơm được đưa tới bộ làm mát dầu 4 và bộ sấy 5 Tùy theo nhiệt độ dầu mà van ba ngả 7 sẽ cho dầu đi qua bộ làm mát hay đi qua bộ sấy Dầu từ van ba ngả đi qua đầu nối nhanh

để trở về các te dầu Van 6 sử dụng trong trường hợp dầu bôi trơn được lấy đằng sau bơm dầu của động cơ và không có bộ sấy dầu, trong trường hợp này nếu nhiệt

độ chưa đạt van 6 sẽ mở ra để dầu không qua hệ thống làm mát mà trực tiếp đi bôi trơn

1: Đầu nối nhanh; 2: Lọc dầu; 3: Bơm dầu; 4: Bộ trao đổi nhiệt với nước làm mát bên ngoài; 5: Bộ sấy dầu; 6: Van điều chỉnh nhiệt; 7: Van 3 ngả; 8: Cảm biến

nhiệt; 9: Cảm biến áp suất

3.2.3 Thiết bị làm mát nước AVL 553

Hình 3.10 Sơ đồ khối thiết bị làm mát nước làm mát động cơ AVL 553

Theo các tiêu chuẩn thử nghiệm về động cơ cũng như về khí thải đều có yêu cầu về nhiệt độ nước làm mát Cụm làm mát nước có chức năng giữ ổn định nhiệt

độ nước làm mát động cơ được thể hiện trên hình 3.10

Khi động cơ làm việc một phần nhiệt được truyền cho các chi tiết động cơ, do

đó gây ra các ứng suất nhiệt cho các chi tiết nên cần phải làm mát động cơ

Khi động cơ bắt đầu làm việc, nhiệt độ động cơ còn thấp, do đó rất khó khởi động nên làm nóng nước vòng ngoài để hâm nóng động cơ, khi động cơ đã làm việc nhiệt độ động cơ tăng khi đó cụm AVL 553 sẽ điều chỉnh nhiệt độ nước vòng ngoài phù hợp để làm mát nhiệt độ nước làm mát động cơ

Hình 3.11 giới thiệu sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị làm mát nước AVL

553 Đường nước ra từ động cơ được nối vào đầu B, nước đi qua bộ trao đổi nhiệt 3 nhiều hay ít phụ thuộc vào độ mở của van 2, độ mở van 2 được điều khiển từ tủ 7, tùy theo nhệt độ nước quay về động cơ cửa A Nước vòng ngoài được bơm đẩy qua đầu nối nhanh 5, qua lọc 4 đi vào bộ trao đổi nhiệt với nước vòng trong, sau đó nước đi ra theo đường đầu nối nhanh 6

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát nước AVL 553

1: Van xả; 2: Van điều khiển nhiệt độ; 3: Bộ trao đổi nhiệt; 4: Lọc nước vòng

ngoài; 5,6: Đầu nối nhanh; 7: Tủ điều khiển

3.2.4 Bộ ổn định nhiệt độ nhiên liệu AVL 753

Nhiệt độ nhiên liệu trong hệ thống không giống như nhiệt độ nhiên liệu trên đường cung cấp do có đường nhiên liệu hồi mang nhiệt từ động cơ Do đó mật độ nhiên liệu thay đổi làm sai lệch kế quả đo Hình 3.12 giới thiệu hệ thống ổn định nhiệt độ nhiên liệu AVL 753 có nhiệm vụ điều hoà nhiệt độ nhiên liệu đồng thời đảm bảo lưu lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ, AVL 753 dùng nước vòng ngoài làm mát lượng nhiên liệu đã được định sẵn từ cân nhiên liệu Lưu lượng nhiên liệu được đảm bảo bằng một bơm trên đường nhiên liệu cung cấp cho động cơ