THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Bè côc vµ néi dung cña tµi liÖu: Tµi liÖu nµy nh»m phôc vô qu¸ tr×nh ®µo t¹o sau ®¹i häc Chuyªn ngµnh Kü thuËt §éng c¬ nhiÖt, víi bè côc vµ néi dung cô thÓ nh− sau: + Ch−¬ng 1. C¸c d¹ng thö nghiÖm vµ yªu cÇu ®èi víi viÖc thö nghiÖm ®éng c¬ hiÖn ®¹i. + Ch−¬ng 2. Ph−¬ng ph¸p vµ thiÕt bÞ ®o c¸c th«ng sè c¬ b¶n cña ®éng c¬. + Ch−¬ng 3. Ph−¬ng ph¸p vµ thiÕt bÞ ®o c¸c th«ng sè ®¸nh gi¸ t×nh tr¹ng kü thuËt cña ®éng c¬. 13 + Ch−¬ng 4. Ph−¬ng ph¸p vµ thiÕt bÞ ®o hµm l−îng c¸c chÊt « nhiÔm trong khÝ th¶i. + Ch−¬ng 5. Mét sè thö nghiÖm dïng cho viÖc nghiªn cøu vµ ph¸t triÓn ®éng c¬. + Ch−¬ng 6. HÖ thèng thiÕt bÞ thö nghiÖm ®éng c¬ hiÖn ®¹i cña h·ng AVL List GmbH. Tµi liÖu nµy ®· ®−îc PGSTS L¹i V¨n §Þnh, PGSTS Vò §øc LËp, PGSTS Hµ Quang Minh, PGSTS §µo Träng Th¾ng ®äc vµ ®ãng gãp nhiÒu ý kiÕn bæ Ých tr−íc khi in. Nh©n dÞp nµy, t¸c gi¶ còng xin ch©n thµnh c¶m ¬n Bé m«n §éng c¬ vµ Phßng Sau §¹i häc ®· t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi ®Ó tµi liÖu nµy sím ®−îc phôc vô b¹n ®äc. Do biªn so¹n lÇn ®Çu nªn tµi liÖu nµy kh«ng tr¸nh khái nh÷ng thiÕu sãt nhÊt ®Þnh. Mäi ý kiÕn ®ãng gãp xin göi vÒ ®Þa chØ: Bé m«n §éng c¬ Khoa §éng lùc Häc viÖn Kü thuËt Qu©n sù, 100 Hoµng Quèc ViÖt CÇu GiÊy Hµ Néi.

Học viện Kỹ thuật quân sự

Bộ môn động cơ- khoa động lực

TS Nguyễn Hoàng Vũ

Thử nghiệm

động cơ đốt trong

(Dùng cho học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Động cơ nhiệt;

Kỹ thuật Xe máy quân sự - công binh; Máy tầu)

Hà nội - 2008

Mục lục

Trang

Chương 1 các dạng thử và yêu cầu đối với việc thử

nghiệm động cơ hiện đại

15

2.2.6 Phanh kết hợp 34

b Các chế độ vận hành của phanh

2.2.8 Sự phù hợp giữa động cơ thử và đặc tính của phanh 37

a Đo lực phanh

b Đo mô men xoắn

c Hiệu chỉnh và đánh giá sai số khi đo mô men xoắn

d Đo mô men xoắn trong chế độ thử chuyển tiếp

2.3.1 Ghi nhận dữ liệu trong quá trình thử nghiệm động cơ 54

2.3.4 Bộ chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số 57

2.4.2 Xác định trực tiếp số vòng quay của trục 65

a Sử dụng cảm biến góc quay

b Sử dụng thiết bị đo góc tuyệt đối

a Xác định số vòng quay thông qua điện áp và dòng điện stato

b Xác định số vòng quay trục khuỷu thông qua tín hiệu điện áp

đánh lửa hoặc biến dạng của đường ống cao áp

c Xác định số vòng quay trục khuỷu thông qua dao động và tiếng

b Nhiên liệu diesel

a Đo mức tiêu hao nhiên liệu bằng bình thông nhau

b Đo mức tiêu hao nhiên liệu bằng lưu lượng kế

a Đo lượng nhiên liệu tiêu hao bằng phương pháp cân

b Đo lượng nhiên liệu tiêu hao thông qua độ dịch chuyển của

bình đo

c Đo lượng nhiên liệu tiêu hao theo nguyên lý Coriolis

d Đo lượng nhiên liệu tiêu hao bằng mạch thuỷ lực dạng cầu

Wheatstone

2.5.5 Xác định lượng nhiên liệu hồi trong quá trình đo 87

a Với động cơ xăng dùng bộ chế hoà khí

5

2.6.2 Thiết bị đo lưu lượng khí nạp dùng gíc lơ dạng bản mỏng 94

2.6.7 Xác định lưu lượng khí nạp dựa vào việc phân tích khí thải 100

c Những chú ý khi đo nhiệt độ trong môi trường lỏng, khí và hơi

2.8.2 Xác định tổn thất cơ khí từ đồ thị công chỉ thị và công suất có

ích

119

2.8.3 Xác định tổn thất cơ khí bằng phương pháp quay trơn 1202.8.4.Xác định tổn thất cơ khí bằng phương pháp Morse 1212.8.5 Xác định tổn thất cơ khí bằng phương pháp Willian 122

b Quy trình kiểm tra áp suất cuối nén

c Đánh giá kết quả đo

3.3 Phương pháp và thiết bị kiểm tra độ chân không trên đường ống nạp 1273.3.1 Sơ đồ bố trí và thiết bị kiểm tra độ chân không 1273.3.2 Tác động của sự điều chỉnh và tình trạng cơ khí của động cơ

đến độ chân không trên đường ống nạp

128

3.3.3 Kiểm tra độ chân không ở chế độ động cơ quay trơn 1293.3.4 Kiểm tra độ chân không ở tốc độ không tải cầm chừng 1293.3.5 Kiểm tra sự đồng đều về độ chân không giữa các xi lanh 129

3.4 Phương pháp và thiết bị kiểm tra mức độ lọt khí của xi lanh 130

7

3.4.2 Quy trình kiểm tra mức độ lọt khí của xi lanh 132

3.5 Phương pháp và thiết bị kiểm tra góc phun sớm, góc đánh lửa sớm 133

3.5.2 Thiết bị xác định góc phun sớm, góc đánh lửa sớm 1333.6 Kiểm tra sự đồng đều về công suất giữa các xi lanh 1363.6.1 Nguyên lý kiểm tra sự đồng đều về công suất giữa các xi lanh 136

4.2.2 Khi kiểm tra mức ô nhiễm của PTCGĐB, ĐCĐT đang sử dụng 146

a Theo phương pháp hấp thụ tia hồng ngoại

b Phân tích hàm l−ợng CO theo nguyên lý đốt cháy

a Thiết bị đo tổng l−ợng HC ch−a cháy

b Thiết bị phân tích chi tiết l−ợng HC ch−a cháy

b Thiết bị đo độ mờ khí thải

c Quy trình đo độ khói đối với PTCGĐB lắp động cơ diesel

4.7.2 Cảm biến lamđa 169

a Cấu tạo của cảm biến lamđa

b Nguyên lý hoạt động của cảm biến lamđa

4.8 Mức giới hạn cho phép về hàm lượng các chất ô nhiễm trong khí thải 1774.8.1 Với PTCGĐB sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới

4.8.2 Với các ô tô đang lưu hành

Chương 5 Một số thử nghiệm dùng cho nghiên cứu

b Kết cấu của cảm biến áp suất kiểu áp điện

a Lựa chọn vị trí đo áp suất trong buồng cháy chính

b Lựa chọn vị trí đo đối với buồng cháy trước hoặc buồng cháy

xoáy lốc

c Lựa chọn vị trí đo áp suất thấp đối với hệ thống trao đổi khí

d Chuẩn bị và thiết kế vị trí lắp cảm biến áp suất

e Làm mát cảm biến áp suất kiểu áp điện

5.1.4 Ghi nhận và xử lý tín hiệu áp suất trong xi lanh 198

a Các vấn đề chung

b Trang thiết bị phục vụ và việc xử lý sơ bộ dữ liệu đo

c Chuyển đổi tín hiệu ra của cảm biến thành áp suất tuyệt đối

d Kiểm tra dữ liệu về áp suất trong xi lanh

5.2 Đo diễn biến áp suất nhiên liệu và độ nâng kim phun của động cơ

diesel

204

5.2.1 Đo diễn biến áp suất nhiên liệu diesel trên mạch cao áp 204

a Cảm biến áp suất kiểu cầu đo sức căng

b Cảm biến áp suất kiểu áp điện

5.2.3 Trang thiết bị phục vụ và việc xử lý sơ bộ dữ liệu đo 2105.3 Quan sát các hiện tượng xảy ra trong động cơ bằng thiết bị quang học 211

a Đặc tính kỹ thuật và phạm vi ứng dụng

b Bố trí và lắp đặt thiết bị đo

c Chuẩn bị không gian cho thiết bị quang học

d Kết quả thu được từ thiết bị AVL-VisioScope

Chương 6 Hệ thống thiết bị thử nghiệm động cơ hiện

đại của hãng AVL List GmbH

6.2.2 Hệ thống tự động hoá thiết bị đo và bệ thử PUMA (Prỹfstands-

Und Meòtichnik- Automatisierung)

225

11

6.2.3 Phanh điện (APA 204/E/0934) 2276.2.4 Hệ thống đo mức tiêu thụ khí nạp (AVL Air Flow Meter) 2316.2.5 Hệ thống đo mức tiêu hao nhiên liệu (AVL Fuel Balance 733S) 2336.2.6 Hệ thống kiểm soát nhiệt độ nhiên liệu (AVL Fuel Temprature

6.2.15 Đánh giá chung về bệ thử động cơ động lực học cao 252

Lời nói đầu

Đối với mọi lĩnh vực nghiên cứu, việc thử nghiệm trên thực tế là rất cần thiết Đặc điểm của ngành động cơ đốt trong là thiết kế theo mẫu và việc tính toán thường mang tính kiểm nghiệm Ngoài ra, chuyên ngành Kỹ thuật Động cơ nhiệt có liên quan mật thiết đến nhiều lĩnh vực chuyên môn khác như chế tạo máy, kim loại và vật liệu học, thuỷ khí động lực học, nhiệt động và truyền nhiệt,

điều khiển nên khi tính toán lý thuyết các quá trình xảy ra trong động cơ chúng

ta thường phải sử dụng rất nhiều giả thiết để đơn giản hoá bài toán Do vậy, công việc thử nghiệm càng có vai trò quan trọng hơn

Trong giai đoạn hiện nay, động cơ đốt trong và phương tiện cơ giới đường

bộ đang phải đối mặt với 2 vấn đề lớn là phải giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Cùng với sự phát triển mạnh của kỹ thuật đo lường và điều khiển, việc điều khiển động cơ bằng điện tử là xu thế tất yếu để đáp ứng 2 yêu cầu nói trên Hơn nữa, các hãng sản xuất đã và đang áp dụng rất nhiều công nghệ mới trên động cơ đốt trong Những yếu tố trên làm cho quá trình thử nghiệm động cơ ngày càng phức tạp và đa dạng hơn

Vì những lý do trên, việc thử nghiệm động cơ hiện đại phải đáp ứng các yêu cầu mới, cụ thể là: cần nâng cao độ chính xác của số liệu thử nghiệm thu

được; các trang thiết bị phục vụ thử nghiệm cần phải có khả năng đáp ứng các dạng thử nghiệm ngày càng phức tạp hơn; tốc độ lấy mẫu và xử lý dữ liệu phải cao hơn rất nhiều; mức độ tự động hoá quá trình thử và việc điều khiển trang thiết

bị cần được tăng cường; cũng như cần phát huy vai trò của thử nghiệm ảo (mô phỏng số) trong quá trình nghiên cứu và phát triển sản phẩm;

Đứng trước những yêu cầu này, các cán bộ kỹ thuật thuộc chuyên ngành

Kỹ thuật Động cơ nhiệt cần liên tục cập nhật thông tin chuyên ngành, trong đó có vấn đề thử nghiệm động cơ đốt trong

Bố cục và nội dung của tài liệu:

Tài liệu này nhằm phục vụ quá trình đào tạo sau đại học Chuyên ngành Kỹ thuật Động cơ nhiệt, với bố cục và nội dung cụ thể như sau:

+ Chương 1 Các dạng thử nghiệm và yêu cầu đối với việc thử nghiệm

+ Chương 4 Phương pháp và thiết bị đo hàm lượng các chất ô nhiễm trong khí thải

+ Chương 5 Một số thử nghiệm dùng cho việc nghiên cứu và phát triển

động cơ

+ Chương 6 Hệ thống thiết bị thử nghiệm động cơ hiện đại của hãng AVL List GmbH

Tài liệu này đã được PGS-TS Lại Văn Định, PGS-TS Vũ Đức Lập, PGS-TS

Hà Quang Minh, PGS-TS Đào Trọng Thắng đọc và đóng góp nhiều ý kiến bổ ích trước khi in Nhân dịp này, tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Bộ môn Động cơ

và Phòng Sau Đại học đã tạo điều kiện thuận lợi để tài liệu này sớm được phục vụ bạn đọc

Do biên soạn lần đầu nên tài liệu này không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ: Bộ môn Động cơ - Khoa Động lực - Học viện Kỹ thuật Quân sự, 100 Hoàng Quốc Việt - Cầu Giấy - Hà Nội

Chương 1

các dạng thử và Yêu cầu đối với

việc thử nghiệm động cơ hiện đại

1.1 Đặc điểm phát triển của ngành động cơ đốt trong

Sau gần một thế kỷ tập trung vào việc chế tạo các phương tiện cơ giới

đường bộ (PTCGĐB) hoạt động tốt, tin cậy, tiện nghi và an toàn, nền công nghiệp

ô tô hiện đang phải đối mặt với 2 trở ngại chính:

+ Phải giảm mức tiêu thụ nhiên liệu vì nhiên liệu truyền thống hiện nay

có nguồn gốc hoá thạch và trữ lượng của chúng là có giới hạn Ngoài ra, chúng ta

đều thấy, giá nhiên liệu liên tục tăng rất mạnh trong thời gian qua

+ Phải giảm thiểu các vấn đề tiêu cực liên quan đến PTCGĐB, đặc biệt là

ô nhiễm trực tiếp và ô nhiễm gián tiếp

Ngoài những ưu điểm không thể phủ nhận, trong quá trình hoạt động của mình, động cơ đốt trong (ĐCĐT) cũng gây ra những tác động xấu đến sức khoẻ con người và môi trường sinh thái (Bảng 1-1)

Bảng 1-1

Tác động đến sức khoẻ và môi trường của các chất ô nhiễm trong khí thải ĐCĐT

ảnh hưởng tới sức khoẻ

Thay đổi khí hậu Chất

ô

nhiễm

Trực tiếp

Gián tiếp

Mưa a-xit

Sự phì

dưỡng

ảnh hưởngtầm nhìn

Trực tiếp

Gián tiếp

Theo nhận định của nhiều chuyên gia, ĐCĐT vẫn giữ vai trò là nguồn

động lực chính và chưa thể thay thế trong vòng vài chục năm tới Tuy nhiên, thực

tế hiện nay cho thấy, chính những tiêu chuẩn về môi trường sẽ là một trong những yếu tố mạnh nhất tác động đến sự phát triển của ĐCĐT trong tương lai Điều này cũng đặt ra yêu cầu cấp thiết đối với các nhà chuyên môn là phải nghiên cứu tìm

15

những giải pháp phù hợp nhằm hạn chế tác động tiêu cực của ĐCĐT trong khi vẫn duy trì được những ưu điểm của chúng

Đặc điểm phát triển của ngành động cơ đốt trong (ĐCĐT) là thiết kế theo mẫu và việc tính toán thường mang tính kiểm nghiệm Chuyên ngành Kỹ thuật

Động cơ nhiệt nói chung có liên quan mật thiết đến khá nhiều lĩnh vực chuyên môn khác (chế tạo máy, kim loại và vật liệu học, thuỷ khí động lực học, nhiệt

động và truyền nhiệt, điều khiển ) Vì lý do này nên khi tính toán lý thuyết các quá trình xảy ra trong động cơ thường phải sử dụng khá nhiều giả thiết để đơn giản hoá bài toán

Cùng với sự phát triển mạnh của kỹ thuật đo lường và điều khiển, chúng ta

đều nhận thấy rằng xu thế điều khiển động cơ bằng điện tử là tất yếu Các hệ thống phụ trợ trên ĐCĐT ngày càng nhiều và phức tạp hơn (nhất là các hệ thống phục vụ mục đích kiểm soát và xử lý ô nhiễm); số lượng các thông số cần kiểm soát và điều khiển cũng nhiều hơn Ngoài ra, xét về góc độ điều khiển, ĐCĐT chỉ

là một hệ cơ-điện tử nhỏ trong hệ cơ-điện tử lớn là PTCGĐB (hoặc hệ thống động lực) Chính sự phức tạp này đòi hỏi cần có nhiều nghiên cứu thực nghiệm để cải tiến và phát triển sản phẩm

Các đặc điểm nêu trên cho thấy, việc thử nghiệm đóng vai trò hết sức quan trọng và không thể thiếu đối với quá trình phát triển của ĐCĐT

1.2 Các dạng thử nghiệm động cơ

Hiện nay, việc thử nghiệm ĐCĐT có thể tạm chia thành 3 dạng chính:

1.2.1 Thử nghiệm kiểm tra

sau sửa chữa Đây là dạng thử nghiệm đơn giản nhất và thường được tiến hành với mục đích xác định xem các chỉ tiêu chính của động cơ (công suất có ích, suất tiêu hao nhiên liệu, mức độ ô nhiễm ) có phù hợp với yêu cầu kỹ thuật hay không Dạng thử này cũng nhằm kiểm tra xem việc sửa chữa, lắp ráp, điều chỉnh động cơ

có phù hợp hay không

được tiến hành song song với việc chế tạo hoặc cải tiến động cơ nhằm xác định những thông số kết cấu và điều chỉnh tối ưu phù hợp với điều kiện kỹ thuật cụ thể Thời gian của kiểu thử này thường kéo dài và có thể lặp đi lặp lại nhiều lần

sự tham gia và giám sát của một hội đồng (do cấp có thẩm quyền chỉ định) nhằm xem xét, đánh giá trước khi cho phép một kiểu kết cấu mới của động cơ hoặc một

cụm kết cấu mới được đưa vào áp dụng hành loạt Dạng thử này thường tiến hành tại các cơ sở chế tạo động cơ có quy mô lớn

hiện tại và trên cơ sở đó có thể dự báo khả năng sử dụng tiếp theo của động cơ

1.2.2 Thử nghiệm nghiên cứu và phát triển

Dạng thử này có thể rất đơn giản nhưng cũng có thể rất phức tạp Dạng thử nhằm mục đích chọn và đánh giá chất lượng điều chỉnh (thí dụ như với bộ chế hoà khí, bơm cao áp và vòi phun ) thường là những thử nghiệm khá đơn giản Các dạng thử nhằm xem xét sự ảnh hưởng của một vài yếu tố khác nhau đến quá trình làm việc của động cơ (nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện khí hậu và yếu

tố vận hành tới các chỉ tiêu kinh tế-năng lượng của động cơ; ảnh hưởng của điều kiện khí hậu đến độ bền, tuổi thọ của động cơ ) thường phức tạp hơn rất nhiều

Ngày nay, các dạng thử nghiệm phục vụ việc nghiên cứu và phát triển (R&D) động cơ khá phức tạp và đa dạng, với một số dạng điển hình như:

+ Thử nghiệm khi phát triển các mẫu động cơ mới nhằm đáp ứng tiêu

chuẩn ô nhiễm: Đây là dạng thử nghiệm rất phức tạp gồm nhiều công đoạn đan

xen nhau Thực tế cho thấy, để phát triển một mẫu động cơ mới thoả mãn các tiêu chuẩn ô nhiễm ngày càng nghiêm ngặt có thể phải mất tối thiểu 3 năm liên tục

+ Thử nghiệm khi thay đổi nhiên liệu: hiện nay, đứng trước nguy cơ cạn

kiệt nguồn nhiên liệu có nguồn gốc hoá thạch truyền thống, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế (CNG, LPG, Biofuel ) hoặc nhiên liệu có thành phần thay đổi so với nhiên liệu truyền thống đang được quan tâm rất nhiều Những nghiên cứu hiện nay tập trung vào 2 hướng chính là tận dụng các động cơ hiện có hoặc cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu cho phù hợp với loại nhiên liệu mới

+ Thử nghiệm xây dựng Bản đồ điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu

và điều khiển động cơ (Engine Map): Việc điện tử hoá quá trình điều khiển động

cơ và cung cấp nhiên liệu đang là xu thế tất yếu của ngành ĐCĐT nhằm thoả mãn hai yêu cầu chính là giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và mức độ ô nhiễm môi trường Với các hệ cơ-điện tử trên ĐCĐT hiện nay, bộ dữ liệu mẫu nạp trong ECU đóng vai trò rất quan trọng và là bí quyết công nghệ của các hãng sản xuất động cơ Quá trình thử nghiệm và tính toán để thu được bộ dữ liệu cho ECU này khá tốn kém và phức tạp

1.2.3 Thử nghiệm ảo bằng phần mềm máy tính

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ mô phỏng, các phương pháp tính toán mới, công nghệ tin học và các phần mềm máy tính phục vụ tính toán-thiết kế cũng như những hiểu biết ngày càng tốt hơn của chúng ta về các

17

quá trình nội tại xảy ra trong buồng cháy và các hệ thống của động cơ, đã giúp cho các nhà chuyên môn thuộc lĩnh vực Kỹ thuật Động cơ nhiệt có thể tiến hành các thử nghiệm ảo (mô phỏng) với độ chính xác không thua kém nhưng tiết kiệm

được nhiều thời gian và chi phí khi so sánh với việc thử nghiệm thực trên bệ thử

Dựa trên ngân hàng các dữ liệu đã có, kết hợp với các phần mềm chuyên dụng sẽ cho phép chúng ta tiến hành khảo sát, đánh giá chi tiết nhiều phương án thiết kế-cải tiến khác nhau trên máy tính, trước khi tiến hành chế tạo động cơ mẫu

và thử nghiệm thực trên bệ thử Đây là cách tiếp cận đã và đang được áp dụng rộng rãi tại các hãng sản xuất ĐCĐT, ô tô

1.3 Những yêu cầu với việc thử nghiệm động cơ hiện đại

Để đáp ứng yêu cầu phát triển, công tác thử nghiệm ĐCĐT hiện đại phải

đáp ứng các yêu cầu sau:

+ Số liệu thử nghiệm phải có độ chính xác cao hơn rất nhiều: đây là yêu

cầu rõ nét nhất Trước đây, do hạn chế về kỹ thuật đo lường-điều khiển, mức độ

tự động hoá nên kết quả thử nghiệm động cơ thường có sai số khá cao Ví dụ, với phương pháp truyền thống đo số vòng quay trục khuỷu bằng máy phát tốc sẽ

có sai số ở mức vài % Tuy nhiên, với việc sử dụng cảm biến góc quay trục khuỷu không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn cho phép dải đo được mở rộng hơn

+ Trang thiết bị phục vụ thử nghiệm phải có khả năng đáp ứng các dạng

thử nghiệm này càng phức tạp hơn: Cho đến nay, các cơ cấu cơ khí trên động cơ

không có sự thay đổi nhiều nhưng các hệ thống điều khiển và phụ trợ (cung cấp nhiên liệu và không khí; làm mát; bôi trơn; kiểm soát và xử lý ô nhiễm ) ngày càng phức tạp hơn Do vậy, các dạng thử nghiệm cũng ngày càng đa dạng và phức tạp hơn Để đáp ứng yêu cầu này, hệ thống trang thiết thử nghiệm phải đảm bảo tính đa năng, có khả năng kết hợp một cách linh động các modul thiết bị phục vụ từng dạng thử

+ Yêu cầu tốc độ lấy mẫu và xử lý dữ liệu cao hơn rất nhiều: Trong quá

trình hoạt động của ĐCĐT, nhiều sự kiện xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn

Để phục vụ yêu cầu nghiên cứu, dữ liệu đo cần được tham chiếu theo góc quay trục khuỷu (GQTK) với độ phân giải rất cao (đôi khi cần lấy mẫu số liệu sau mỗi 0,1 0GQTK ở số vòng quay rất lớn) Ngoài ra, số lượng các tham số cần đo đồng thời trong quá trình thử nghiệm cũng ngày càng nhiều hơn Để đáp áp ứng yêu cầu rất cao này đòi hỏi phải có hệ thống thu thập, xử lý và lưu trữ dữ liệu thử nghiệm đủ mạnh

+ Tăng cường mức độ tự động hoá quá trình thử và việc điều khiển trang

thiết bị: đây gần như là yêu cầu bắt buộc đảm bảo các mục tiêu: giảm nhân công

và thời gian thử nghiệm; tăng cường độ chính xác và mức độ đồng bộ của số liệu

đo thu được; giảm giá thành Hiện nay, rất nhiều công việc thử nghiệm đã có thể lập trình để tự động thực hiện và giám sát bằnh máy tính Với các bệ thử hiện đại, sau khi đã hoàn thành công tác chuẩn bị, đôi khi chỉ cần 1 người vận hành toàn

bộ hệ thống tại phòng điều khiển Tất nhiên, để đáp ứng yêu cầu của công việc thử nghiệm động cơ hiện đại, nhân viên vận hành phải được đào tạo bài bản và có

đủ năng lực chuyên môn

+ Tăng cường vai trò của thử nghiệm ảo (mô phỏng số) trong quá trình

nghiên cứu và phát triển sản phẩm: đây là xu thế ngày càng rõ ràng tại các cơ sở

chuyên nghiên cứu và sản xuất động cơ Đôi khi, những thử nghiệm thực trên bệ thử chỉ nhằm mục đích lấy số liệu đầu vào hoặc hiệu chỉnh mô hình, còn phần lớn công việc còn lại được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng trên máy tính

19

Chương 2

Phương pháp và thiết bị đo các thông số cơ bản của động cơ

2.1 Các Thành phần cơ bản của bệ thử động cơ

Để nghiên cứu về sự vận hành cũng như đặc tính ô nhiễm của ĐCĐT, trước tiên cần phải kiểm soát được tốc độ và tải đặt lên động cơ Việc này được thực hiện nhờ phanh thử (Dynamometer) (Hình 2-1) Chính vì vậy, phanh là bộ phận quan trọng nhất trong toàn bộ bệ thử

Trục truyền

Cảm biến tốc độ

Động cơ thử

Hình 2-1 Các thành phần chính của bệ thử động cơ

Ngoài ra, bệ thử cần có các hệ thống thiết bị để đo các thông số vận hành

của động cơ như: số vòng quay trục khuỷu, mức tiêu thụ nhiên liệu, mức tiêu thụ khí nạp, nhiệt độ của các loại môi chất công tác (khí nạp, khí thải, nước làm mát, dầu bôi trơn ) khác nhau

Trong quá trình thử nghiệm động cơ, chúng ta cần quan sát và ghi nhận sự thay đổi rất nhanh (tính theo thời gian thực hoặc theo GQTK) của các thông số cần quan tâm (áp suất trong xi lanh, áp suất suất phun, độ nâng kim phun, độ nâng xu páp ) Độ lớn của các thông số này thường xuyên thay đổi rất lớn trong thời gian rất ngắn (khoảng một vài phần nghìn giây) Do vậy, cần có hệ thống thu thập, xử lý và lưu trữ dữ liệu thử nghiệm Đây là hệ thống không thể thiếu và là biểu hiện rõ nhất về mức độ chuyên nghiệp, mức độ tự động hoá, mức độ đồng

bộ của các bệ thử động cơ hiện đại

Vật liệu ma sát

Cánh tay đòn

Hình 2-2 Nguyên lý hoạt động của phanh cơ khí, [13]

Ban đầu, việc thử nghiệm ĐCĐT sử dụng phanh cơ khí (Hình 2-2) Thông qua mức độ siết chặt của đai ốc sẽ làm thay đổi lực cản tác dụng lên trục khuỷu

Đai ma sát bị dừng quay bởi cánh tay đòn mô men Lực yêu cầu để dừng quay cánh tay đòn được đo bằng một lò xo cân bằng Khi lực tác dụng lên cánh tay đòn

được đo theo cách này, nó thường được kết hợp với một bộ dập dao động trên cánh tay đòn như trên Hình 2-2

Mô men xoắn mà động cơ phải phát ra để thắng sức cản của dải phanh có thể tính toán theo công thức:

với: M- mô men xoắn

R - bán kính quay của cánh tay đòn, [m]

F- lực cản yêu cầu để dừng sự quay của cánh tay đòn, [N]

Giá trị mô men xoắn ứng với một giá trị tốc độ trục khuỷu sẽ xác định công suất phát ra của động cơ và công suất được hấp thụ bởi phanh Công suất này có thể xác định theo công thức:

22

n.2

trường điện từ, chất lỏng) Hiện nay, loại phanh dùng ma sát để cản trở chuyển

động quay của trục động cơ đã bị lỗi thời

b Phân loại phanh thử

Các loại phanh được phân loại dựa theo phương pháp hấp thụ năng lượng cơ khí do ĐCĐT dẫn động phanh tạo ra:

+ Phanh cơ khí: phanh này đã lỗi thời và gồm 2 dạng chính là phanh dây

và phanh cơ khí kiểu Prony (Hình 2-3)

+ Phanh thuỷ lực (Hydraulic Dynamometer): có khá nhiều dạng phanh

thuỷ lực khác nhau: phanh thuỷ lực có lượng môi chất công tác không đổi; phanh thuỷ lực có lượng môi chất công tác thay đổi; phanh thuỷ lực dạng đĩa; phanh thuỷ lực dạng “Bolt-on”

bơm thuỷ lực nhiều pít tông có hành trình cố định và một bơm có hành trình thay

đổi Bơm có hành trình cố định sẽ tạo ra phanh ưu điểm của phương án này (so với các dạng phanh khác) là nó có khả năng tạo ra tải lớn nhất tại số vòng quay gần bằng không Ngoài ra, nó cũng có khả năng quay trơn ĐCĐT cần thử Tuy nhiên, loại phanh này không được sử dụng rộng rãi

điện 1 chiều, phanh điện xoay chiều và phanh điện xoáy

tạo gần giống như lý hợp ma sát) để tạo cản và hấp thụ công suất

này là quạt phanh Waller Dạng phanh này có độ chính xác không cao và ít được

sử dụng, chủ yếu dùng để thử động cơ máy bay lên thẳng (yêu cầu độ chính xác không cao lắm và tiếng ồn không phải là trở ngại lớn)

Trong quá trình thử nghiệm ĐCĐT hiện nay, chủ yếu sử dụng phanh thuỷ lực và phanh điện

2.2.2 Phanh cơ khí

Loại phanh cơ khí lâu đời nhất là phanh dây (Hình 2-3 a), được sử dụng những năm đầu thế kỷ 19 Đây là một thiết bị rất nguy hiểm, tuy nhiên nó có khả

năng đo khá chính xác công suất của động cơ Kế sau nó là phanh cơ khí kiểu Prony (Hình 2-3 b) cũng dựa vào ma sát cơ khí và cũng giống như phanh dây, nó yêu cầu làm mát bằng nước

Qua công thức (2.1) ta thấy, đường kính của trục cũng như chiều rộng của phanh không ảnh hưởng đến việc tính toán mô men phanh Tuy nhiên, đường kính trục và chiều rộng má phanh sẽ quyết định công suất phanh (vì phụ tải tác dụng lên một đơn vị diện tích của phanh không thể vượt quá giá trị cho phép)

đóng vai trò chất bôi trơn (mặc dù có làm giảm hệ số ma sát nhưng tránh được hiện tượng cháy trục/phanh hoặc bó kẹt phanh) Hiện nay, phanh cơ khí ít được sử dụng (do hạn chế về khả năng hấp thụ công suất và tản nhiệt)

2.2.3 Phanh thuỷ lực

Trong phanh thuỷ lực, người ta sử dụng ma sát của chất lỏng để tạo cản Với loại phanh này, sự thay đổi lực cản đối với trục khuỷu ĐCĐT là khá chậm (cần đến vài giây để thực hiện) Loại phanh này cũng không có khả năng quay trơn hoặc khởi động ĐCĐT

Loại trừ phanh thuỷ lực dạng đĩa, tất cả các phanh còn lại đều hoạt động theo cùng một nguyên lý (Hình 2-4) Một trục mang một roto hình trụ quay tròn trong một khoang vỏ kín nước Khi trục được dẫn động, lực ly tâm sẽ tạo ra sự lưu thông mạnh của nước theo chiều mũi tên như trên Hình 2-4 a Dòng chuyển động 24

này sẽ truyền mô men từ roto sang stato và do đó tạo ra một mô men cản đối với chuyển động quay của trục roto Mô men này được cân bằng bởi một mô men bằng về giá trị và ngược chiều tác động lên vỏ stato

d) c)

Stato

Hình 2-4 Nguyên lý hoạt động của phanh thuỷ lực, [12]

a- Các bộ phận chính; b- Cánh roto;

c-Mặt cắt qua tiết diện A-A; d- Miêu tả dòng xoáy Toroidal

Lực xoáy do chuyển động của roto gây ra dẫn đến sự trượt hỗn loạn với tốc

độ cao của nước và làm tiêu tan công suất thành dạng nhiệt truyền cho nước trong phanh Khu vực giữa của dòng xoáy được thông với không khí môi trường (qua một ống nối bên trong roto) để giảm thiểu hư hỏng đối với bề mặt làm việc của phanh (do bị xói mòn hoặc bị xâm thực)

Ma sát trong của chất lỏng tăng tỷ lệ với bình phương của số vòng quay

động cơ Do đó, mô men phanh biến thiên theo dạng parabol khi tăng số vòng quay Chính vì vậy, phanh thuỷ lực thích hợp với ĐCĐT có số vòng quay cao (động cơ trên PTCGĐB, động cơ tuốc-bin khí ) Nếu dùng với các động cơ có tốc

độ chậm (động cơ tầu thuỷ thấp tốc) thì phanh sẽ rất cồng kềnh và nặng

Mô men phanh có thể tạo ra của phanh thuỷ lực phụ thuộc vào hình dáng kết cấu mặt trong của vỏ và của roto, cũng như đường kính của phanh Mô men

phanh này có thể thay đổi rất lớn, phụ thuộc rất nhiều vào hình dáng kết cấu của roto và stato và có thể xác định theo công thức của dòng xoáy:

với: k -thông số cấu tạo và độ điền đầy nước trong phanh;

γ- trọng lượng riêng của chất lỏng;

n- số vòng quay trục roto;

d- đường kính hiệu dụng của phanh

Giới hạn công suất cực đại mà phanh thuỷ lực có thể hấp thụ được sẽ tương ứng với lượng nhiệt mà nước có thể mang ra khỏi phanh Nhiệt độ của nước

ra khỏi phanh phải nhỏ hơn 700C (nếu không sẽ xuất hiện bọt nước, làm cho ma sát trong phanh sẽ không đồng nhất và phanh bị dao động) Công suất cực đại của phanh được tính từ khối lượng nước lớn nhất chảy qua phanh:

860

t.c.m

với: Nmax – công suất cực đại có thể hấp thụ, [kW];

mh- lưu lượng nước qua phanh, [kg/h];

∆t- chênh lệch nhiệt độ cực đại có thể đạt được, [0C];

Cp- nhiệt dung đẳng áp của nước

Mô men của phanh thuỷ lực cũng được xác định như với phanh cơ khí (thường dùng phương pháp cân và lực phanh F được xác định trực tiếp) Công suất của phanh thuỷ lực được xác định theo công thức, [3]:

đường kính phanh, nên trong một số trường hợp để đo công suất lớn có thể nối nhiều phanh thuỷ lực lại với nhau

Phụ thuộc vào phương pháp thay đổi cản, các loại phanh thuỷ lực được chia thành các dạng sau:

+ Phanh thuỷ lực có lượng môi chất công tác không đổi: (kiểu Froude

hoặc bản mỏng) như trên Hình 2-5 Trong loại phanh này, mô men xoắn có thể hấp thụ được thay đổi bằng cách điều chỉnh cường độ của dòng xoáy giữa roto và

26

stato (thông qua việc bổ sung hoặc rút bớt các đệm dạng bản mỏng nằm giữa roto

và stato)

Hình 2-5 Phanh thuỷ lực không thay đổi lượng môi chất công tác,

1- Roto ; 2- Van nước ra; 3- Van nước vào; 4- Các bản mỏng để điều khiển tải; 5- Lỗ nước vào cánh roto; 6-Lớp vỏ lót (tháo ra được); 7- ổ đỡ trục quay của stato 8- ổ đỡ của trục roto; 9- Đồng hồ số vòng quay của roto; 10- Cơ cấu đo lực (Load cell)

+ Phanh thuỷ lực có lượng môi chất công tác thay đổi: loại phanh này có

cấu trúc gần giống phanh kiểu Froude (nhưng không có các đĩa điều chỉnh dạng bản mỏng), mô men cản được thay đổi bằng cách thay đổi lượng nước chứa trong khoang công tác Việc điều chỉnh lượng nước được thực hiện thông qua các van (vào, ra) được liên kết với một hệ thống điều khiển từ xa khá phức tạp ưu điểm

của loại phanh này là mô men hấp thụ của phanh có thể thay đổi nhanh hơn so với dạng phanh dùng bản mỏng để điều chỉnh tải

Trong nhóm này, một dạng phanh hay được sử dụng là phanh thuỷ lực kiểu chốt, có sơ đồ nguyên lý làm việc như trên Hình 2.6 a

Van xả nước

Nước

Stato

Vị trí cấp nước vào phanh

Trục phanh

Roto Nước

Hình 2.6 a Phanh thuỷ lực dạng chốt, [3]

+ Phanh thuỷ lực dạng đĩa: roto của chúng có dạng đĩa mỏng (1 hoặc

nhiều đĩa) quay trong các khe hở nhỏ được hình thành trên stato Công suất được hấp thụ bởi sự trượt mạnh của nước và mô men cản được điều khiển giống như phanh có lượng môi chất công tác thay đổi Loại phanh này có thể sử dụng để đo mô men xoắn của các loại ĐCĐT có tốc độ rất cao (ví dụ động cơ tua bin khí) Một dạng cải tiến của loại phanh này là đĩa phanh được đục lỗ và như vậy nó có khả năng hấp thụ công suất lớn hơn với cùng kích thước phanh

+ Phanh thuỷ lực có lượng môi chất công tác thay đổi, có thể lắp trực

Mỹ (Hình 2.6 b) Nó có nguyên lý vận hành giống các loại phanh thuỷ lực đã mô tả ở trên, nhưng được thiết kế để có thể nối trực tiếp với bưởng ly hợp của động cơ (hoặc khung gầm của xe) Do vậy, loại phanh này không cần hệ thống bệ thử phức tạp và rất có ích khi cần kiểm tra một số lượng lớn động cơ (ví dụ sau đại 28

tu) Tải của phanh được kiểm soát bởi van nước vào và ra Công suất hấp thụ lớn nhất của dạng phanh này có thể lên đến 1000 kW

Trục nối

Đĩa để lắp với bưởng bánh đà

Đầu nối (nước vào, ra)

Cơ cấu đo tải (Load cell)

điện xoáy (Eddy Current) Ngoài ra, năng lượng điện cũng có thể bị tiêu hao trong phanh dưới dạng nhiệt và được nước làm mát mang ra ngoài Đối với các

ĐCĐT cỡ lớn (có công suất trên 1MW), đây gần như là biện pháp duy nhất để đo công suất của chúng

Cường độ từ trường giữa stato và roto của phanh được điều chỉnh để tăng hoặc giảm sức cản tác động lên trục ĐCĐT Một ưu điểm rất lớn của phanh điện

là trường điện từ có thể thay đổi gần như tức thời và do vậy sức cản tác động lên trục khuỷu cũng có thể thay đổi rất nhanh (trong 1 phần nhỏ của 1 giây) Đây là

đặc tính rất có ích, ví dụ khi đột ngột mở rộng bướm ga thì trục khuỷu phải bị cản trở bởi phanh để không suất hiện sự gia tăng quá mạnh về tốc độ trục khuỷu

Nếu coi công suất máy phát điện phát ra là Nd, công suất tổn thất trong máy phát là Nt , thì công suất do ĐCĐT phát ra N sẽ được xác định theo công thức: N = Nd + Nt Ta có thể dễ dàng xác định được N nếu xác định được Nd (vì

đường cong hiệu suất của máy phát điện thường được hãng sản xuất cung cấp

cùng với thiết bị) ưu điểm của loại phanh này là có thể đo trực tiếp mô men quay (nhờ cơ cấu cân hoặc lực kế) do máy phát được đặt trên ổ bi có thể lắc lư được

Trên thực tế, có thể chọn máy phát một chiều hoặc xoay chiều để làm phanh tuỳ thuộc vào mục đích, điều kiện sử dụng cũng như khả năng tiêu thụ công suất của động cơ điện sinh ra Trên quan điểm kinh tế, nhất là với các động cơ công suất lớn, nên đưa công suất điện (do máy phát sinh ra) vào lưới điện chung Tuy nhiên, phương án này cũng gặp một số trở ngại đó là sự khác biệt về

điện thế và tần số Ngoài ra, cũng phải chú ý đến sự thay đổi tải trọng vì công suất tiêu thụ của lưới điện không ổn định Trong quá trình thí nghiệm, tốt nhất là

có được nguồn tiêu thụ ổn định và có thể điều chỉnh được, do vậy thường dùng

điện trở (bằng kim loại hoặc chất lỏng) để tiêu thụ năng lượng điện Các điện trở này cho phép điều chỉnh tải trọng (công suất của máy phát) theo yêu cầu hoặc giữ tải trọng này không đổi trong quá trình thử Điện trở kim loại có thể dùng các dây kim loại hoặc các tấm gang đúc Ngoài ra, các bệ thử kiểu này hay dùng điện trở chất lỏng (thường là nước pha thêm sôđa-Na2CO3) ưu điểm của điện trở chất lỏng là dễ kiếm và chiếm diện tích nhỏ Thông qua việc thay đổi độ ngập sâu của

hệ thống các bản cực vào trong chất lỏng sẽ thay đổi dòng điện đi qua dung dịch

điện phân Khi đó chính nước trở thành vật dẫn điện, làm điện trở và bị nung nóng Khả năng dẫn diện của loại điện trở này tương đối lớn, chủ yếu thông qua hiện tượng điện phân nước và khả năng dẫn điện của nước (được gia tăng khi pha thêm sôđa) Cần chú ý rằng, khả năng dẫn điện của 2 bản cực đối xứng không tỷ

lệ bậc nhất với diện tích bản cực được nhúng trong chất điện phân mà tỷ lệ với căn bậc 2 của diện tích được nhúng Do vậy, trong phạm vi tải nhỏ rất khó điều chỉnh vì dòng điện nhỏ Để khắc phục, hình dạng phần đầu của tấm bản cực được thiết kế khá đặc biệt (thường có dạng lưỡi hái) để cường độ dòng điện phụ thuộc bậc nhất vào diện tích nhúng sâu của bản cực Đối với phanh điện xoay chiều, phải làm 3 ngăn chứa tách biệt, mỗi ngăn cho 1 pha Cũng cần chú đảm bảo tải trong các pha là như nhau

Phanh điện được phân thành 3 loại như sau:

+ Phanh điện 1 chiều (DC dynamometer): bao gồm một máy phát điện 1

chiều được lắp đặt như trên Hình 2-7 Trong một số trường hợp, các phanh 1 chiều cỡ nhỏ có công suất điện phát ra khoảng vài kW, công suất này có thể bị tiêu hao nhờ hệ thống làm mát bằng không khí được thiết kế cùng với roto của phanh ưu điểm lớn của phanh điện 1 chiều là có thể làm việc ở 2 chế độ là máy phát và động cơ điện ở chế độ động cơ điện, phanh có thể sử dụng để khởi động

và quay trơn ĐCĐT (ví dụ khi thử xác định tổn thất cơ khí) Phanh điện 1 chiều

30

có cấu trúc bền vững; dễ điều khiển và có khả năng điều khiển bằng máy tính; cho phép thay đổi rất nhanh mô men cản tác động lên trục khuỷu Nhược điểm của phanh điện 1 chiều là bị giới hạn về tốc độ và có quán tính cao

Cơ cấu đo tải (Load cell)

Đối trọng

Hộp cáp

điện

Hình 2-7 Phanh điện 1 chiều, [12]

+ Phanh điện xoay chiều (AC dynamometer): Bộ phận chính của phanh

điện xoay chiều là 1 máy phát xoay chiều Cũng giống như phanh điện 1 chiều, chức năng của phanh có thể thay đổi được Loại phanh này cùng phù hợp với việc

điều khiển bằng máy tính và cho phép thay đổi nhanh tải tác động lên trục khuỷu Tuy nhiên, nó cũng không cho phép thay đổi nhanh về tốc độ, do quán tính của các chi tiết quay lớn

+Phanh điện xoáy (Eddy Current): Các loại phanh này dựa theo nguyên lý

cảm ứng điện từ để tạo ra mô men cản và tiêu hao năng lượng của ĐCĐT Khi một đĩa kim loại quay trong một từ trường (có thể điều chỉnh được), trong đĩa sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng có xu hướng hãm (phanh) đĩa quay lại Mô men hãm tỷ lệ thuận với cường độ trường kích thích và do vậy có thể điều chỉnh liên tục tải trọng tác dụng lên đĩa Dòng điện cảm ứng sinh ra trong đĩa quay sẽ làm nóng đĩa Do vậy, khó khăn lớn nhất đối với loại phanh hoạt động theo nguyên lý này là thoát nhiệt cho đĩa phanh

Với phanh điện xoáy (Hình 2-8), một roto có răng làm bằng thép có độ

thấm từ cao được quay trong một khe hẹp giữa hai đĩa bằng thép (gọi là đĩa “tổn thất”) trong có chứa nước làm mát Trường điện từ song song với trục phanh được tạo ra bởi 2 cuộn dây hình vành khuyên và chuyển động của roto tạo ra sự thay

đổi về phân bố trường điện từ trong các đĩa tổn thất Điều này tạo ra sự lưu thông của dòng điện xoáy và sự tiêu hao công suất dưới dạng tổn thất điện trở Năng lượng được chuyển đổi thành dạng nhiệt truyền cho nước làm mát chuyển động qua các rãnh của đĩa tổn thất Ngoài ra, một phần nhiệt lượng được truyền cho dòng không khí chuyển động toả tròn trong khe hở giữa roto và đĩa tổn thất

14 13

Hình 2-8 Phanh điện xoáy, [12]

1-Roto; 2- Trục roto; 3- Mặt bích nối; 4- Nước làm mát ra (với bộ ổn nhiệt)

5-Cuộn kích thích; 6- Thân phanh; 7- Khoang nước làm mát;

8-Khe hở chứa không khí; 9-Cảm biến tốc độ; 10-Giá đỡ phanh; 11- Đế đỡ;

12- Đường nước vào; 13-Cút nối; 14-Đường nước ra

32

Công suất hấp thụ của phanh điện xoáy được điều khiển bằng cách thay

đổi dòng cung cấp cho cuộn kích thích (hình vành khuyên) Các phanh điện xoáy

có cấu trúc đơn giản và bền vững, chúng có khả năng tạo mô men cản lớn tại số vòng quay khá thấp Loại phanh này rất phù hợp với việc điều khiển bằng máy tính và mô men cản cũng có thể thay đổi gần như tức thì Phanh điện xoáy cũng

có khả năng thay đổi tốc độ nhanh hơn phanh điện 1 chiều và xoay chiều do quán tính của các chi tiết quay nhỏ hơn Tuy nhiên, không giống như phanh điện 1 chiều và xoay chiều, phanh điện xoáy không có khả năng tạo ra mô men để quay trơn (khi ĐCĐT không nổ máy) hoặc khởi động ĐCĐT

Hiện nay, trên thị trường còn có một số dạng biến thể khác của phanh điện xoáy Các loại phanh này sử dụng roto dạng đĩa hoặc trống, lượng nhiệt tạo ra

được chuyển cho nước làm mát tuần hoàn trong khe hở giữa roto và stato Các

loại phanh có “khe hở ướt” này dễ bị mòn, có quán tính cao và có mô men xoắn

nhỏ nhất ở mức cao (do sự cản trở của nước làm mát trong khe hở)

2.2.5 Phanh ma sát

Phanh ma sát (Friction Brake) là sự phát triển kế tiếp của phanh cơ khí Kết cấu của loại phanh này gần giống với ly hợp ma sát, bao gồm nhiều đĩa ma sát được làm mát bằng nước (Hình 2-9) Nó phù hợp với các loại ĐCĐT có tốc độ thấp Ngoài ra, nó cũng có ưu điểm là tạo ra đươc mô men cản lớn nhất tại số vòng quay rất thấp (gần bằng không)

Hình 2-9 Phanh ma sát, [12]

có thể có hiệu quả về mặt giá thành

2.2.7 Đặc tính của phanh

a Khái niệm

Mục đích của phanh là tạo mô men cản đối với chuyển động quay của trục khuỷu Phanh thử phải có khả năng cung cấp sức cản đối với trục khuỷu tương ứng với giá trị mô men xoắn tại tốc độ yêu cầu Theo lý tưởng, phanh thử phải có khả năng cung cấp sức cản sao cho đáp ứng mọi sự kết hợp có thể của động cơ về mô men xoắn và tốc độ

Trên Hình 2-10 là đặc tính vận hành của phanh điện xoáy (đường nét liền),

nó bị giới hạn bởi 5 đường khác nhau (được ký hiệu từ a đến e) Phần diện tích tạo thành bởi các đường này chính là khu vực mà phanh thử có khả năng tạo cản

đối với mọi sự kết hợp về mô men xoắn và tốc độ động cơ Các đường trên đặc tính của phanh bao gồm:

(a)- Đường mô men xoắn ở tốc độ thấp: dọc theo đường này, mô men xoắn

được xác định bởi giá trị lớn nhất phanh điện xoáy có thể tạo ra tại tốc độ trục phanh thấp

(b)-Đường mô men xoắn lớn nhất: đường này xác định mô men xoắn lớn

nhất mà trục phanh có thể chịu đựng được

(c)-Đường công suất lớn nhất: cho biết công suất lớn nhất mà phanh có thể

hấp thụ (nó xác định thông qua nhiệt lượng lớn nhất mà nước làm mát phanh có thể mang ra ngoài)

(d)-Đường tốc độ lớn nhất: xác định tốc độ lớn nhất mà phanh có thể chịu (e)-Đường mô men xoắn dư: mô men này sinh ra do sức cản của ổ đỡ, sức

cản khí động trong phanh, và do sự nhiễm từ của một số phần tử của phanh 34

(a)

(b)

(c)

(d) (e)

Số vòng quay (vg/ph)

Trên Hình 2-10 cũng biểu diễn đặc tính vận hành (đường nét đứt) của một

ĐCĐT được nối với phanh Ta thấy, đặc tính của phanh gần như bao hoàn toàn

đặc tính của động cơ Do vậy, có thể dùng phanh này để thử gần như toàn bộ chế

độ vận hành của ĐCĐT Mô men xoắn lớn nhất có thể sinh ra của ĐCĐT vào khoảng 100 N.m Rõ ràng, phanh này có thể thử cho một ĐCĐT khác có thiết kế tương tự nhưng có mô men xoắn lớn nhất cao hơn (khoảng 150 N.m) Nhưng

ĐCĐT đó không thể thử ở các chế độ kết hợp mô men xoắn cao + số vòng quay cao, vì khi đó công suất phát ra của nó có thể vượt quá công suất có thể hấp thụ của phanh thử

b Các chế độ vận hành của phanh

Người vận hành bệ thử có thể tiến hành thử động cơ theo nhiều cách khác nhau Với các thử nghiệm tiến hành ở trạng thái ổn định, việc sử dụng phanh thử cho phép thử động cơ ở 1 trong 3 chế độ sau: tốc độ không đổi, mô men xoắn không đổi và vị trí bướm ga (thanh răng bơm cao áp) không đổi

* Chế độ tốc độ không đổi :

Tại chế độ này, mục đích là luôn luôn giữ tốc độ trục khuỷu không đổi khi

động cơ được thử với các mức mô men xoắn sinh ra khác nhau Ví dụ, người vận hành có thể muốn giữ tốc độ động cơ là 2000 vg/ph nhưng thay đổi mô men xoắn

từ 50 đến 100 N.m (bằng cách thay đổi độ mở bướm ga hoặc vị trí thanh răng) Khi đó, phanh thử phải có khả năng cung cấp sức cản lớn hơn đối với động cơ để phù hợp với mô men xoắn sinh ra lớn hơn (là 100 N.m), do vậy tốc độ động cơ sẽ giữ nguyên ở giá trị 2000 vg/ph

Khi sử dụng phanh thuỷ lực, việc điều khiển tiến hành bằng tay theo các bước sau Với động cơ vận hành tại 2000 vg/ph và mô men xoắn 50 N.m, trước tiên người vận hành tăng lượng nhiên liệu cấp cho 1 chu trình và do vậy tốc độ

động cơ sẽ tăng lên trên 2000 vg/ph Tiếp theo sức cản của phanh đối với động cơ

được điều chỉnh tăng lên bằng tay và điều này sẽ kéo số vòng quay trục khuỷu xuống 2000 vg/ph Tiếp theo mô men xoắn sẽ được ghi nhận và nếu chưa đạt

được giá trị 100 N.m thì quá trình trên sẽ được lặp lại cho đến khi thoả mãn yêu cầu mô men xoắn bằng 100.Nm ứng với số vòng quay 2000 vg/ph

Với các loại phanh điện, chúng có khả năng tự động giữ ổn định tốc độ

động cơ Trước hết, bộ điều khiển sẽ được chuyển về chế độ tốc độ không đổi (Constant Speed) và bộ kiểm soát tốc độ sẽ cài đặt giá trị 2000 vg/ph trong Panel

điều khiển của phanh Sau đó, người vận hành sẽ tăng dần lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình cho đến khi giá trị mô men xoắn đọc trên bảng điều khiển đạt

được giá trị 100 N.m Khi người vận hành tăng dần độ mở bướm ga, bộ điều khiển sẽ giám sát tốc độ của phanh Nó sẽ tự động tăng sức cản đối với trục khuỷu động cơ để ngăn không cho tốc độ động cơ tăng lên trên giá trị đã thiết lập

là 2000 vg/ph

* Chế độ mô men xoắn không đổi :

Tại chế độ này, mục đích là giữ mô men xoắn phát ra luôn không đổi trong khi động cơ được vận hành với các độ mở bướm ga (hoặc vị trí thanh răng) khác nhau Cũng giống như chế độ tốc độ không đổi, việc điều khiển tại chế độ này cũng có thể thực hiện bằng tay hoặc tự động Với phanh điện, có thể tự động giữ mô men xoắn phát ra của động cơ không đổi Trước hết, bộ điều khiển điện tử của phanh sẽ bật về chế độ mô men xoắn không đổi (Constant Torque), ví dụ là 100 N.m Tiếp theo, người vận hành sẽ tăng dần độ mở bướm ga Trong khi người vận hành thực hiện thao tác này, bộ phận điều khiển điện tử của phanh sẽ giám sát mô men cản tác động lên trục khuỷu động cơ nhằm giữ nó không đổi ở giá trị đã cài

đặt là 100 N.m Việc giữ mô men xoắn không đổi khi tăng dần độ mở bướm ga (tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình) sẽ làm cho tốc độ trục khuỷu tăng lên Một câu hỏi đặt ra là, điều gì xảy ra với lượng nhiên liệu được cấp thêm, khi mô men xoắn phát ra của động cơ luôn được giữ không đổi là 100 N.m Câu trả lời ở đây là công suất phát ra của động cơ tăng lên (do tốc độ trục khuỷu tăng) Hoặc, một cách chi tiết hơn, việc tăng lượng nhiên liệu cấp cho 1 chu trình

được thể hiện ở 2 góc độ: thứ nhất chu trình công tác trong xi lanh được lặp lại với tần số cao hơn (mặc dù vẫn cùng mức mô men xoắn phát ra); và thứ hai là sự gia tăng tổn thất cơ khí trong động cơ và trong phanh do tốc độ tăng

36

* Lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình không đổi :

Tại chế độ này, đối tượng được giữ không đổi là độ mở bướm ga (hoặc vị trí thanh răng bơm cao áp), trong khi động cơ được vận hành với các sự phối hợp mô men xoắn và tốc độ khác nhau Chế độ vận hành này thường dùng để xây dựng đường đặc tính tốc độ của động cơ ứng với 100% độ mở bướm ga (hoặc hành trình thanh răng) mà chúng ta quen gọi là đặc tính ngoài của động cơ (hoặc còn được gọi là đường đặc tính công suất lớn nhất - Maximum Power Curve) Trước khi tiến hành phép thử, động cơ được vận hành với độ mở bướm ga lớn nhất ứng với tốc độ ổn định nhỏ nhất của nó Giá trị mô men xoắn và tốc độ ở chế

độ vận hành này sẽ đươc ghi nhận Tiếp theo, mô men cản của phanh tác động lên trục khuỷu sẽ được điều chỉnh giảm dần và sẽ làm cho cả mô men xoắn phát ra của động cơ và tốc độ trục khuỷu tăng dần Giá trị mô men xoắn và tốc độ ở những chế độ vận hành mới này sẽ tiếp tục được ghi nhận Các bước trên được lặp lại cho đến khi động cơ đạt được tốc độ lớn nhất Một quy trình tương tự có thể

được tiến hành với độ mở bướm ga nhỏ hơn và chúng ta sẽ thu được đặc tính tốc

2.2.8 Sự phù hợp giữa động cơ thử và đặc tính của phanh

Các loại phanh khác nhau sẽ có sự khác biệt đáng kể về hình dạng đặc tính (các đường cong biểu diễn quan hệ mô men xoắn-tốc độ, công suất-tốc độ như trên Hình 2-11) và điều này cần phải cân nhắc trước khi lựa chọn loại phanh thử cần đầu tư

Trên Hình 2-11 là đặc tính làm việc của một loại phanh thuỷ lực điển hình Các đường trên đặc tính này bao gồm:

+ Đường (a): phanh toàn tải Mô men xoắn tăng tỷ lệ với bình phương của tốc độ Không có mô men xoắn ở trạng thái nghỉ

+ Đường (b): sự vận hành của phanh bị giới hạn bởi mô men xoắn lớn nhất cho phép tác động lên trục phanh

+ Đường (c): sự vận hành của phanh bị giới hạn bởi công suất lớn nhất có thể hấp thụ (nó phụ thuộc vào lượng nước qua phanh và mức tăng nhiệt độ lớn nhất cho phép)

+ Đường (d): tốc độ lớn nhất cho phép của trục phanh

+ Đường (e): mô men xoắn nhỏ nhất ứng với mức nước cho phép nhỏ nhất

Công suấtMô men xoắn

0 0

Hình 2-11 Đặc tính của phanh thuỷ lực, [12]

Trên Hình 2-12 là đặc tính làm việc của phanh điện 1 chiều (hoặc xoay chiều) Các đường trên đặc tính này bao gồm:

+ Đường (a): Mô men xoắn không đổi tương ứng với dòng và sự kích thích lớn nhất

+ Đường (b): sự vận hành của phanh bị giới hạn bởi công suất lớn nhất có thể hấp thụ của phanh

+ Đường (c): tốc độ lớn nhất cho phép

Do phanh điện 1 chiều và xoay chiều hoạt động trên cả 4 cung phần tư (xem mục 2.2.10), công suất hấp thụ của phanh có thể giảm về “0” và không có

đường mô men xoắn nhỏ nhất (khi so sánh với đặc tính của phanh thuỷ lực)

Hình 2-13 Đặc tính của phanh điện xoáy, [12]

Trên Hình 2-13 là đặc tính làm việc của phanh điện xoáy, nó nằm trung gian giữa 2 loai phanh nói trên Các đường trên đặc tính này bao gồm:

+ Đường (a): mô men xoắn ở tốc độ thấp ứng với kích thích lớn nhất

+ Đường (b): sự vận hành của phanh bị giới hạn bởi mô men xoắn lớn nhất cho phép tác dụng lên trục phanh

+ Đường (c): sự vận hành của phanh bị giới hạn bởi công suất lớn nhất có thể hấp thụ của phanh (nó cũng phụ thuộc vào lượng nước qua phanh và mức tăng nhiệt độ lớn nhất cho phép)

+ Đường (d): ứng với tốc độ lớn nhất cho phép

+ Đường (e): mô men xoắn nhỏ nhất tương ứng với hiện tượng từ dư, độ hở

và ma sát

Khi lựa chọn phanh thử cho 1 (hoặc 1 dải) ĐCĐT, cần thiết phải chồng

các đường cong mô men-tốc độ và công suất-tốc độ lớn nhất lên đặc tính vận hành của phanh để kiểm tra sự phù hợp giữa phanh và các ĐCĐT cần thử Ví dụ trên Hình 2-11 là sự không phù hợp điển hình của một sự kết hợp phanh thử -

ĐCĐT (phanh thuỷ lực không có khả năng phát ra đủ mô men xoắn ở đoạn cuối của dải tốc độ thấp để hấp thụ hết mô men xoắn do ĐCĐT tạo ra)

Để đạt được độ chính xác tốt nhất, nên chọn phanh nhỏ nhất mà có đặc tính vận hành bao trùm được đặc tính của ĐCĐT lớn nhất sẽ được thử Phanh thử lực thường có khả năng chịu quá tải (về mô men và tốc độ) ở mức độ vừa phải

Đối với phanh điện, khi vận hành quá tải có thể gây ra những hư hỏng khá

nghiêm trọng (có thể gây hư hỏng bộ chuyển mạch, quá nhiệt và cong vênh đĩa tổn thất với phanh điện xoáy )

2.2.9 Phương pháp đo lực phanh, mô men xoắn

Mô men xoắn (được phanh sinh ra hoặc hấp thụ) được xác định bởi 2 thông số là lực phanh (F) và cánh tay đòn (R): M=F.R Do vậy, mô men xoắn có thể xác định bằng cách đo lực tác dụng lên một cách tay đòn; hoặc đánh giá thông qua sự tác dụng của mô men lên trục (bằng cơ cấu đo mô men xoắn lắp trên trục truyền hoặc từ biến dạng xoắn của trục truyền) Chính vì vậy, có thể phân thiết bị đo mô men xoắn thành 2 loại:

+ Các thiết bị thu nhận mô men và đo nó (chính là phanh thử)

+ Các thiết bị cho mô men đi qua và đo nó

a Đo lực phanh

Phần lớn các loại phanh lắp trên trục quay đều dùng chung 1 phương pháp

đo mô men xoắn là dùng cơ cấu đo lực phanh (Load cell) tác động theo phương tiếp tuyến, được đặt tại vị trí có bán kính quay đã biết so với tâm trục phanh

a)

Hình 2-14 Cơ cấu đo lực phanh, [12]

Với các loại phanh cũ, cơ cấu đo lực phanh là sự kết hợp của 1 khối lượng

và 1 lò xo cân bằng (Hình 2-14 a) Khi độ cứng của lò xo bị giới hạn, cần thiết phải điều chỉnh vị trí của nó để đảm bảo lực phanh được đo chính xác theo phương tiếp tuyến

40

Với các loại phanh hiện đại (Hình 2-14 b), người ta thường sử dụng cảm

biến lực phanh kiểu cầu đo căng (Strain Gauge) cùng với mạch đo phù hợp và bộ

khuếch đại Cảm biến kiểu cầu đo căng có ưu điểm là rất cứng, do vậy vị trí của

nó không cần điều chỉnh, nhưng nó có nhược điểm là có độ bền mỏi hạn chế

Các phanh thường được đặt trên ổ đỡ đồng trục (dùng bi cầu hoặc bi đũa) Các ổ đỡ này hoạt động trong điều kiện không thuận lợi và dễ bị mòn cục bộ Ngoài ra, chúng còn bị tác động bởi hiện tượng dao động xoắn truyền từ động cơ thử Chính vì vậy, cần định kỳ kiểm tra các ổ đỡ này Để hạn chế tác động của hiện tượng trên, có thể dùng dạng phanh có ổ đỡ kiểu Schenck (2 ổ đỡ đầu trục

được thay bằng 2 giá đỡ uốn cong) như trên Hình 2-14 c Kết cấu này có khả năng khử được ma sát và mài mòn Tuy nhiên, phương án này sẽ làm giảm độ cứng chống xoắn, giảm khả năng chịu tải dọc trục và có thể làm thay đổi tâm quay (nhất là khi chịu tải bên)

Đối với những phép đo đòi hỏi độ chính xác cao, trục phanh có thể được

bố trí trên ổ bi có thể quay được ở phía ngoài (2 ổ đỡ có khả năng quay theo 2 chiều ngược nhau) Với cách bố trí này, có thể loại trừ được tất cả các loại ma sát

ký sinh trong hệ thống

b Đo mô men xoắn

* Đo mô men thông qua biến dạng xoắn của trục truyền:

Có thể xác định mô men do ĐCĐT sinh ra thông qua sự biến dạng của vật liệu làm trục truyền khi có dòng lực đi qua, bằng các phương pháp sau:

+ Phương pháp cơ khí: Phương pháp này khá thuận lợi, có độ nhạy khá

cao và có thể coi như không có tổn thất công suất (nếu bỏ qua ma sát với không khí) Nguyên lý đo dựa theo hiện tượng trục truyền bị xoắn đi một góc do biến dạng đàn hồi khi chịu tác dụng của mô men Giả thiết rằng biến dạng tỷ lệ thuận với mô men xoắn trong vùng giới hạn đàn hồi của vật liệu Quan hệ giữa góc biến dạng (giữa 2 tiết diện cách nhau một khoảng l) với mô men truyền qua được xác

định theo công thức:

I.G

lM

=

với: M – mô men truyền qua trục;

l- khoảng cách giữa 2 tiết diện đo;

G- môđun đàn hồi của vật liệu làm trục truyền;

I- mô men quán tính của trục

Trong đa số các trường hợp, quan hệ giữa góc θ và mô men truyền được hiệu chỉnh để loại trừ ảnh hưởng của mô đun đàn hồi, đường kính và chiều dài trục Góc lệch θ có thể được xác định theo phương pháp quang hoặc điện

điện) được sử dụng ngày càng phổ biến để đo biến dạng của trục truyền ưu điểm của phương pháp này là cần ít không gian và không cần các bộ phận trung gian (có thể dán trực tiếp lên trục truyền) Phương pháp này dựa theo nguyên lý là

điện trở của dây dẫn sẽ bị thay đổi khi nó chịu kéo hoặc chịu nén Sự thay đổi

điện trở của dây làm tenzo có thể xác định chính xác bằng một mạch cầu

* Dùng cơ cấu đo mô men xoắn tích hợp trong trục truyền :

Cơ cấu đo mô men xoắn có thể được bố trí trong trục nối (giữa trục khuỷu của ĐCĐT và trục phanh) để xác định biến dạng xoắn của trục

Vành phát tín hiệu sóng ngắn

Hình 2-15 Cơ cấu đo mô men xoắn được bố trí trong trục nối, [12]

Về cơ bản, cơ cấu này gồm một bích nối có lắp cầu đo căng, có thiết kế vòng trượt hoặc mạch phát (sóng ngắn) để truyền tín hiệu của cầu đo ra ngoài Kết cấu của trục đo mô men xoắn dùng vòng trượt và dùng mạch phát sóng ngắn

để truyền tín hiệu được thể hiện tương ứng trên Hình 2-15 a và b ưu điểm chính của phương án tích hợp sẵn cơ cấu đo mô men xoắn trong trục truyền là không cần phải hiệu chỉnh mô men xoắn khi đo ở chế độ chuyển tiếp Tuy nhiên, nó yêu cầu việc lắp đặt rất thận trọng để không làm cong hoặc gây tập trung ứng suất lên phần tử cảm biến Do vậy, phương án này phù hợp khi thử ĐCĐT cỡ lớn (thường

42