Tìm hiểu các loại băng thử nguyên lý Đặc Điểm mô hình hoá các cụm hệ thống trong băng thử Động cơ, nêu chức năng của từng hệ thống tìm hiểu một bài bài báo khoa học (quốc tế) có liên quan tới nội dung nghiên cứu

HỒ CHÍ MINH KHOA ĐỘNG LỰC -------- BÁO CÁO TIỂU LUẬN GIỮA KỲ MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ Tìm hiểu các loại băng thử: Nguyên lý đặc điểm mô hình hoá các cụm hệ thống tron

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐỘNG LỰC 

BÁO CÁO TIỂU LUẬN GIỮA KỲ MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ

Tìm hiểu các loại băng thử: Nguyên lý đặc điểm mô hình hoá các cụm hệ thống trong băng thử động cơ, nêu chức năng của từng hệ thống Tìm hiểu một bài bài báo khoa học (quốc tế) có liên quan tới nội dung nghiên cứu, đo đạc công suất

động cơ và đánh giá khí thải

Giảng viên: Th.S Lương Huỳnh Giang Lớp: DHOT17B

Nhóm: 6 SVTH: Nguyễn Hữu Hoàng Minh – 22698671

Mục lục

I.Cấu tạo chung của bệ thử động cơ 4

1 Hệ thống cơ khí 4

1.1 Bệ lắp đặt động cơ (Engine Test Bed): 4

1.2 Trục truyền động (Drive Shaft): 4

2 Hệ thống tải (Dynamometer) 5

2.1 Dynamometer (Thiết bị đo tải): 5

3 Hệ thống nhiên liệu và khí nạp 6

4 Hệ thống xả 7

5 Hệ thống làm mát 8

5.1 Làm mát động cơ: 8

5.2 Làm mát thiết bị đo tải: 8

6 Hệ thống điều khiển và giám sát 9

6.1 Bảng điều khiển trung tâm: 9

6.2 Hệ thống thu thập dữ liệu (Data Acquisition System): 9

6.3 Cảm biến đo nhiệt độ và áp suất: 10

7 Phụ kiện hỗ trợ 10

II Nguyên lý làm việc của bệ thử động cơ 10

2.1 Tạo tải cho động cơ 10

2.2 Đo lường các thông số 11

2.3 Xử lý dữ liệu và đưa ra kết quả 13

III Mô hình hóa và chức năng của từng hệ thống trong băng thử : 14

3.1 Hệ thống điều khiển 15

3.2 Hệ thống cung cấp năng lượng 16

3.3 Hệ thống thu thập dữ liệu 17

3.4 Hệ thống an toàn 17

V Bài báo Khoa học: An Efficient Test Methodology for Combustion Engine Testing: Methods for

Increasing Measurement Quality and Validity at the Engine Test Bench 20

VI Cấu tạo và nguyên lý các thuyết bị đo khí thải , công thức sử dụng để tính toán được sử dụng trong băng thử 22

1 Máy đo khí thải ô tô 22

2 Máy phân tích khí thải (Gas Analyzers) 23

3 Máy đo khí thải liên tục (CEMS) 24

4 Máy đo khí thải hồng ngoại (frared Gas Analyzers) Infrared Gas Analyzers) 25

Công thức sử dụng để tính toán 26

1 Tính toán nồng độ khí thải từ phương tiện (nồng độ khí thải theo phần trăm) 26

2 Tính toán lượng phát thải khí (Emission Rate) 26

3 Tính toán lưu lượng khí thải 26

Mục lục hình ảnh

Hình 1: Hệ thống cơ khí băng thử 4

Hình 2: Hệ thống tải (dynamometer) 5

Hình 3: Hệ thống nhiên liệu 6

Hình 4: Hệ thống xả 7

Hình 5: Hệ thống làm mát 8

Hình 6: Hệ thống điều khiển và giám sát 9

Hình 7: Cấu tạo động cơ dynamo điện 11

Hình 8: Nguyên lý xuất hiện dòng Fuco 11

Hình 9:Mô hình băng thử điện 14

Hình 10 : Mô hình hệ thống điều khiển 15

Hình 11: Mô hình hệ thống cung cấp năng lượng 16

Hình 12:Hệ thống thu thập dữ liệu 17

Hình 13: Mô hình hệ thống truyền động 18

Hình 14: Mô hình hệ thống làm mát 19

Hình 15 Sơ đồ cấu trúc băng thử thử nghiệm 21

Hình 16: Máy đo khí thải ô tô 22

Hình 17 : Máy phân tích khí thải 23

Hình 18: Máy đo khí thải liên tục (CEMS) 24

Hình 19: Máy đo khí thải hồng ngoại (frared Gas Analyzers) Infrared Gas Analyzers) 25

là tầm quan trọng của việc thử nghiệm động cơ và quan trọng hơn là để áp dụng vào thực hành, thực tập và làm nghề trong tương lai

Dưới đây là nhận thức của cả nhóm qua một kỳ được học tập và rèn luyện môn Phương pháp thử nghiệm động cơ Do còn thiếu khả năng về trình bày và kinh nghiệm trong việc tìm kiếm và lọc các thông tin nên bài báo cáo của cả nhóm sẽ có những sai sót Nhóm chúng em kính mong nhận được những ý kiến đóng góp và sự chỉ dẫn từ các Quý Thầy Cô

và các bạn sinh viên để bài báo cáo này được hoàn thiện một cách tốt nhất Một lần nữa,

cả nhóm xin chân thành cảm ơn thầy Lương Huỳnh Giang và trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM - khoa Công Nghệ Động Lực đã tạo điều kiện học tập, cung cấp cho lớp môi trường hoạt động và làm việc chuyên nghiệp

NHÓM CHÚNG EM XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN!

I.Cấu tạo chung của bệ thử động cơ

Băng thử động cơ là thiết bị được thiết kế để đo công suất, mô-men xoắn, mức tiêu thụ nhiên liệu, và khí thải của động cơ trong các điều kiện làm việc khác nhau Đây là công cụ quan trọng để kiểm tra hiệu suất, độ bền, và chất lượng động cơ trong nghiên cứu, phát triển, cũng như sản xuất

1 Hệ thống cơ khí

Hình 1: Hệ thống cơ khí băng thử

1.1 Bệ lắp đặt động cơ (Engine Test Bed):

• Là khung chắc chắn để gắn cố định động cơ

• Được thiết kế để giảm rung động thông qua các bộ đệm hoặc khung chống rung

• Cho phép thay đổi dễ dàng vị trí lắp đặt để phù hợp với các loại động cơ khác nhau 1.2 Trục truyền động (Drive Shaft):

• Kết nối giữa động cơ và thiết bị đo tải (dynamometer)

• Truyền mô-men xoắn và vòng quay từ động cơ đến dynamometer

• Hệ thống cách ly rung động: Sử dụng các bộ giảm chấn hoặc cao su để hạn chế rung lắc và ảnh hưởng tới dữ liệu đo

2 Hệ thống tải (Dynamometer)

Hình 2: Hệ thống tải (dynamometer)

Hệ thống này đóng vai trò hấp thụ công suất từ động cơ và đo đạc các thông số cơ bản: 2.1 Dynamometer (Thiết bị đo tải):

Là thiết bị trung tâm trong bệ thử động cơ Các loại dynamometer phổ biến:

• Dynamometer thủy lực: Dùng nước để hấp thụ công suất

• Dynamometer kiểu dòng điện xoáy (Eddy Current): Tạo tải thông qua hiện tượng cảm ứng từ

• Dynamometer điện: Chuyển đổi công suất cơ thành điện năng

• Dynamometer ma sát: Sử dụng ma sát cơ học

2.1.1 Cảm biến đo lực và mô-men xoắn:

Gắn trực tiếp trên trục truyền động để đo mô-men xoắn

Tính toán công suất đầu ra dựa trên lực và số vòng quay (RPM)

2.1.2 Cảm biến tốc độ quay (RPM Sensor):

Gắn trực tiếp lên trục để đo tốc độ vòng quay của động cơ

• Cảm biến đo lưu lượng và áp suất nhiên liệu

Hệ thống khí nạp: Cung cấp không khí vào động cơ với điều kiện môi trường tiêu chuẩn.Có thể kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm và áp suất của khí nạp

4 Hệ thống xả

Hình 4: Hệ thống xả

Hệ thống xả có nhiệm vụ quản lý khí thải động cơ:

• Gồm ống xả và các cảm biến phân tích khí thải

• Thường tích hợp máy phân tích khí (gas analyzer) để đo các chỉ số như: CO, CO2, NOx, HC, và O2

• Giúp đánh giá mức độ phát thải và hiệu suất cháy của động cơ

5.2 Làm mát thiết bị đo tải:

Dynamometer cũng cần được làm mát (bằng nước hoặc gió) để đảm bảo hoạt động ổn định trong quá trình hấp thụ công suất

6 Hệ thống điều khiển và giám sát

Hình 6: Hệ thống điều khiển và giám sát

6.1 Bảng điều khiển trung tâm:

Hiển thị các thông số như:

• Công suất (HP, kW)

• Mô-men xoắn (Nm, lb-ft)

• Tốc độ vòng quay (RPM)

• Nhiệt độ, áp suất và lưu lượng nhiên liệu/khí nạp

Cho phép điều chỉnh tải và tốc độ động cơ

6.2 Hệ thống thu thập dữ liệu (Data Acquisition System):

Thu thập thông tin từ các cảm biến Phân tích và lưu trữ dữ liệu trên máy tính

Thường sử dụng phần mềm để trực quan hóa dữ liệu, cho phép nghiên cứu chi tiết hiệu

6.3 Cảm biến đo nhiệt độ và áp suất:

• Van an toàn, cảm biến nhiệt độ/quá nhiệt, và báo động

• Tự động ngắt trong trường hợp bất thường

II Nguyên lý làm việc của bệ thử động cơ

Bệ thử động cơ (Engine Dynamometer) hoạt động dựa trên nguyên tắc tạo tải, đo lường lực và mô-men xoắn, từ đó tính toán các thông số cơ bản của động cơ như công suất, hiệu suất và các đặc tính vận hành Nguyên lý này được thực hiện thông qua tương tác giữa động cơ, thiết bị tải (dynamometer), và hệ thống giám sát dữ liệu

2.1 Tạo tải cho động cơ

Phanh tải (động cơ điện) đóng vai trò hấp thụ năng lượng cơ học sinh ra từ động cơ và chuyển đổi nó thành dạng khác (nhiệt, điện)

Sử dụng băng thử động cơ điện có cấu tạo gồm roto và stato:

• Roto được làm từ các lá thép mỏng đặt cạnh nhau để hạn chế dòng Fuco, roto quay theo trục động cơ

• Stato có các cuộn dây cảm ứng và có gắn 1 thanh đòn, trên đầu thanh đòn có 1 cảm biến đo lực

Hình 7: Cấu tạo động cơ dynamo điện

Động cơ điện có thể sử dụng ở 2 chế độ:

• Máy phát: khi cần phanh hãm để đo công suất động cơ

• Động cơ: khi cần kéo động cơ để khởi động

Tải được điều chỉnh linh hoạt để mô phỏng các điều kiện làm việc khác nhau:

• Không tải (Idle): Động cơ hoạt động mà không chịu bất kỳ lực cản nào

• Tải một phần: Một phần năng lượng được hấp thụ để mô phỏng điều kiện làm việc thông thường

• Tải toàn phần (Full Load): Tất cả công suất sinh ra từ động cơ được hấp thụ bởi phanh tải

2.2 Đo lường các thông số

Mô-men xoắn: Được đo bằng cảm biến lực gắn trên trục truyền động hoặc bộ đo trực tiếp trên phanh tải Cảm biến lực ghi lại phản lực từ phanh tải, tương ứng với lực cản sinh ra Nguyên lý đo momen và công suất:

Khi đĩa quay trong từ trường thì xuất hiện dòng Fuco chống lại chiều quay của dĩa

Khi Roto quay trong các dĩa xuất hiện dòng Fuco, dòng Fuco tạo ra từ trường chống lại chiều quay của Roto, từ trường này kéo Stato quay theo

• Cảm biến tốc độ theo dõi số vòng quay của trục động cơ mỗi phút

• Tốc độ quay là đầu vào quan trọng để tính toán công suất

Công suất:

Công suất động cơ được tính bằng công thức:

𝑁đ𝑐 = 𝑀đ𝑐 𝜔 Khí thải:

• Các cảm biến đo nồng độ khí thải như CO, CO₂, HC, NOₓ, và O₂

• Hệ thống phân tích khí thải so sánh các dữ liệu với tiêu chuẩn môi trường

Mức tiêu thụ nhiên liệu:

• Một hệ thống đo lưu lượng nhiên liệu theo dõi lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một

2.3 Xử lý dữ liệu và đưa ra kết quả

Dựa vào các dữ liệu đo được để tiến hành tính toán, xây dựng các đường đặc tính, xây dựng

đồ thị quan hệ:

• Ne và Me theo N (đặc tính tốc độ)

• Ge theo Ne hoặc N

Hiệu suất nhiên liệu theo công suất

• Đối chiếu tiêu chuẩn: So sánh các kết quả đo với đặc tính kỹ thuật của động cơ được

nhà sản xuất công bố

Nhận xét:

• Xu hướng suất tiêu hao nhiên liệu khi thay đổi tải trọng

Trình bày kết quả:

• Sử dụng bảng: Tổng hợp các giá trị đã tính toán

III Mô hình hóa và chức năng của từng hệ thống trong băng thử :

Hình 9:Mô hình băng thử điện

3.1 Hệ thống điều khiển

Hình 10 : Mô hình hệ thống điều khiển

Mô hình hóa:

• Cảm biến: Đo lường các thông số như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, lực

• Bộ điều khiển: Có thể là PLC (Programmable Logic Controller) hoặc hệ thống điều khiển tự động khác

• Giao diện người dùng: Màn hình hiển thị thông số và điều khiển từ xa

Chức năng:

• Giám sát và điều chỉnh các thông số thử nghiệm theo yêu cầu

• Cảnh báo khi có sự cố xảy ra

• Ghi lại lịch sử hoạt động để phân tích sau này

3.2 Hệ thống cung cấp năng lượng

Hình 11: Mô hình hệ thống cung cấp năng lượng

Mô hình hóa:

• Nguồn điện: Có thể là nguồn AC/DC tùy thuộc vào thiết bị thử nghiệm

• Bộ chuyển đổi năng lượng: Chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện nếu cần thiết

• Mạch phân phối: Phân phối điện đến các thiết bị khác nhau trong băng thử Chức năng:

• Cung cấp năng lượng ổn định cho tất cả các thiết bị trong băng thử

• Bảo vệ quá tải và ngắn mạch

3.3 Hệ thống thu thập dữ liệu

Hình 12:Hệ thống thu thập dữ liệu

Mô hình hóa:

• Thiết bị ghi dữ liệu: Máy tính hoặc máy ghi dữ liệu chuyên dụng

• Phần mềm phân tích: Phần mềm để phân tích và hiển thị dữ liệu

Chức năng:

• Thu thập, lưu trữ và xử lý dữ liệu từ các cảm biến trong quá trình thử nghiệm

• Tạo báo cáo và đồ thị để phân tích kết quả

3.4 Hệ thống an toàn

Mô hình hóa:

• Cảm biến khói/khí gas: Phát hiện khói hoặc khí độc hại

• Hệ thống báo động: Còi báo động và đèn cảnh báo

3.5 Hệ thống truyền động

Hình 13: Mô hình hệ thống truyền động

Mô hình hóa:

• Động cơ điện/động cơ servo: Cung cấp chuyển động cho mẫu thử hoặc thiết bị

• Bộ truyền động (gearbox): Điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn

Chức năng:

• Điều khiển chuyển động của mẫu thử theo yêu cầu của quá trình thử nghiệm

• Đảm bảo độ chính xác trong việc thực hiện các phép đo

3.6 Hệ thống làm mát

Hình 14: Mô hình hệ thống làm mát

Mô hình hóa:

• Quạt tản nhiệt: Để làm mát không khí xung quanh thiết bị

• Bơm nước làm mát và hệ thống đường dẫn nước: Để làm mát trực tiếp các bộ phận nóng

Chức năng:

• Duy trì nhiệt độ ổn định cho thiết bị trong suốt quá trình thử nghiệm để tránh quá nhiệt

IV Quy trình vận hành băng thử động cơ

4.1 Giai đoạn chuẩn bị

Động cơ được cố định chắc chắn vào bệ thử và kết nối với hệ thống đo lường

Các hệ thống cung cấp nhiên liệu, làm mát, và điện được thiết lập

Khởi động hệ thống điều khiển để các chương trình được chạy và hoạt động ổn định 4.2 Chạy thử nghiệm

Khởi động động cơ ở chế độ không tải

Cho động cơ chạy hâm nóng để nhiệt độ ổn định giúp số liệu đo đạc chính xác hơn Tăng dần tải bằng cách điều chỉnh phanh tải để đạt được các trạng thái thử nghiệm mong muốn

Đo lường thông số ở từng cấp độ tải và ghi lại dữ liệu

4.3 Thu thập và xử lý dữ liệu

Dữ liệu đo được gửi về hệ thống xử lý trung tâm, nơi phân tích công suất, hiệu suất, và các thông số khác

4.4 Hoàn tất và bảo trì

Kết thúc thử nghiệm, tắt động cơ và vệ sinh các bộ phận của bệ thử

Kiểm tra thiết bị đo lường và phanh tải để đảm bảo hoạt động chính xác cho các thử nghiệm tiếp theo

V Bài báo Khoa học: An Efficient Test Methodology for Combustion Engine Testing: Methods for Increasing Measurement Quality and

Validity at the Engine Test Bench

Tác giả: Christian Friedrich, Yves Compera, Matthias Auer, Gunnar Stiesch, Georg Wachtmeister tại Technical University of Munich

Phương pháp thử nghiệm hiệu quả để thử nghiệm động cơ đốt trong: Các phương pháp nâng cao chất lượng và độ chính xác của phép đo tại bàn thử nghiệm động cơ

đốt trong công nghiệp nhằm cải thiện quá trình ra quyết định đối với việc thiết lập các bộ phận liên quan đến quá trình đo đạc

Phương pháp này bao gồm nhiều mô-đun khác nhau để tăng chất lượng và độ chính xác của phép đo Các mô-đun như phát hiện điểm tĩnh để xác định hoạt động của động cơ ở trạng thái ổn định, kiểm tra chất lượng tín hiệu để giám sát chất lượng tín hiệu của các tín hiệu đo đã chọn và kiểm tra tính hợp lý để đánh giá mối quan hệ vật lý giữa một số tín hiệu

đo đảm bảo chất lượng đo cao trên tất cả các phép đo

Hình 15 Sơ đồ cấu trúc băng thử thử nghiệm.

Quy trình: Để tăng hiệu lực của phép đo, các thông số cài đặt động cơ được theo dõi thường xuyên để đảm bảo điều chỉnh động cơ chính xác và nhất quán theo kế hoạch kiểm tra Hơn nữa, các mô phỏng động cơ 0D nhúng được sử dụng để điều chỉnh các sai lệch tham số cài đặt không mong muốn nhằm tạo ra cơ sở dữ liệu nhất quán được sử dụng để tối ưu hóa dựa trên mô hình (DoE) và các quyết định về thành phần liên quan đến quá trình đốt cháy Kết quả: Phương pháp này đã được xác minh bằng một chiến dịch đo lường được thực hiện tại một động cơ công nghiệp Phương pháp mới đang giảm thiểu khả năng các phép đo không chính xác phải lặp lại Ngoài ra, nó đảm bảo rằng chỉ thực hiện các phép đo hợp lệ cho các kỹ thuật dựa trên mô hình (DoE) đã được hiệu chỉnh 0D nếu cần Thời gian thử nghiệm có thể được rút ngắn, dẫn đến giảm và tận dụng tốt hơn chi phí phát triển

VI Cấu tạo và nguyên lý các thuyết bị đo khí thải , công thức sử dụng để tính toán được sử dụng trong băng thử

1 Máy đo khí thải ô tô

Hình 16: Máy đo khí thải ô tô

• Màn hình hiển thị: Hiển thị kết quả đo đạc trực tiếp về nồng độ các khí thải

• Bộ phận thu thập dữ liệu: Bao gồm bộ ghi và bộ lưu trữ dữ liệu giúp lưu lại thông tin đo đạc cho các mục đích phân tích và báo cáo

• Pin hoặc bộ nguồn: Cung cấp năng lượng cho toàn bộ thiết bị, giúp thiết bị hoạt động trong suốt quá trình đo