Bai 2 Do cac thong so dong co

Nhờ những cảm biến có độ nhạy và mạch đo có khả năng xử lý thông tin nhanh đối với quá trình trao đổi áp suất và nhiệt diễn ra rất ngắn trong buồng cháy, các máy đo hiện đại có thể chỉ t

TRƯỜNG SĨ QUAN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

KHOA Ô TÔ

BÀI GIẢNG

Môn học : Thử nghiệm ô tô Bài 1 : Thử nghiệm động cơ ô tô Đối tƣợng : Đại học quân sự

Năm học : 2015 - 2016

Tiến sĩ Nguyễn Mạnh Hùng

TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2015

PHÊ DUYỆT

Ngày 10 tháng 11 năm 2015

CHỦ NHIỆM KHOA

Tiến sĩ Nguyễn Ch Th nh

MỞ ĐẦU

Thử nghiệm động cơ ô tô nhằm đánh giá chất lượng động cơ sau khi sản xuất hoặc sau khi sửa chưa lơn ô tô

Bài học nghiên cứu các thông số đánh giá chất lượng động cơ; qui trình thí nghiệm đo đạc các thông số quan trọng của động cơ như: công suất, mô men, các thành phần phát thải của động cơ ô tô

NỘI DUNG THỬ NGHIỆM Ô TÔ

2 ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐO HÀM LƢỢNG CÁC THÀNH PHẦN TRONG KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ

2.1 Đo công suất

2.1.1 Khái niệm về công suất chỉ thị và mô hình đo:

Để đánh giá tính hiệu quả của quá trình biến đổi năng lượng diễn ra trong một chu trình công tác, ta phải xác định các chỉ tiêu đánh giá chu trình về mặt năng lượng như: Công chỉ thị Li của chu trình và công suất chỉ thị Ni của động cơ (hay công chỉ thị của động cơ trong thời gian là 1 giây)

Việc đo công suất chỉ thị Ni và công chỉ thị Li của chu trình là một trong những nhiệm vụ cơ bản để nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện quá trình biến đổi năng lượng trong đông cơ Thiết bị để đo và ghi lại qui luật biến thiên áp suất môi chất trong xy lanh có tên gọi là chỉ thị kế Sơ đồ nguyên lý của các chỉ thị kế kiển điện-khí nén và chỉ thị kế đo bằng mạch đo điện tử được trình bày khái quát trong tài liệu [1]

Với những tiến bộ của ngành điện tử và công nghệ tin học hiện nay đã có nhiều hãng trên thới chế tạo những thiết bị đo công chỉ thị có độ chính xác cao Nhờ những cảm biến có độ nhạy và mạch đo có khả năng xử lý thông tin nhanh đối với quá trình trao đổi áp suất và nhiệt diễn ra rất ngắn trong buồng cháy, các máy đo hiện đại có thể chỉ thị rõ quy luật biến thiên của áp suất môi chất trong xy lanh ở dạng đồ thị công (p-V) hoặc đồ thị công triển khai (P = f(α)) trên màn hình của máy hiện sóng hoặc máy tính Mô hình khái quát mô tả quá trình đo áp suất chỉ thi Pi trong xy lanh ở dạng đồ thị công hoặc đồ thị công triển khai được biểu thị trên hình 2-1

Hình 2-1 : Mô tả khái quát của việc đo áp suất chỉ thị Pi trong xy lanh

Áp suất chỉ thị Pi của môi chất trong xy lanh là đại lượng biến thiên liên tục trong suốt thời gian diễn ra chu trình công tác Để đánh giá chu trình và so sánh hiệu quả của chu trình, người ta đưa ra khái niệm áp suất chỉ thị trung bình Pi

Áp suất chỉ thị trung bình Pi là áp suất giả thiết không đổi tác dụng lên pít tông trong một hành trình và sinh ra một lượng công bằng công chỉ thị Li của chu trình

Với định nghĩa như vậy ta có thể viết:

Li = Fpt.Pi.S = Vh.Pi (2-1)

Trong đó: Fpt – diện tích đỉnh Pít tông Vh- thể tích công tác

Pi – áp suất chỉ thị trung bình

S – Hành trình của Pít tông

Từ biểu thức (2-1) ta có:

i i h

L P V

Như vậy áp suất chỉ thị trung bình là công chỉ thị ứng với một đơn vị thể tích công tác của xy lanh và do đó nó đặc trưng cho tính hiệu quả của chu trình công tác

Khi chúng ta đã thu được đồ thị công của chu trình công tác do chỉ thị kế ghi lại

và hiển thị trên màng hình của máy hiện sóng thì diện tích (+) nằm bên trong đường cong biến thiên áp suất trong xy lanh biểu thị cho công chỉ thị Li, Phần diện tích (-) nằm giữa đường nạp-thải là công tổn hao cho quá trình trao đổi khí sẽ được tính trong tổn hao cơ khí của toàn bộ động cơ Độ lớn của áp suất chỉ thị trung bình được biểu thị qua chiều cao của hình chử nhật có diện tích bằng diện tích nằm bên trong đường cong áp suất

Hình 2-2 : Đồ thị công chỉ thị Li (phần (+)) và độ lớn của áp suất chỉ thị trung bình Pi

(chiều cao của hình chữ nhật)

2.1.2 Đo công suất có ch

Công suất có ích Ne là phần năng lượng có ích lấy ra ở đuôi trục khuỷu để dẫn động các thiết bị khác Đây là phần năng lượng còn lại của công chỉ thị trong xy lanh sau khi đã tổn hao một phần để thắng công ma sát trong các khớp động để dẫn động cơ cấu phụ, để thực hiện quá trình trao đổi khí ( hay còn gọi là tổn hao “Bơm” ) và dẫn động máy nén khí ( Trong động cơ 2 kỳ ) Như vậy ta có thể viết:

Le = Li – Lm

Ne = Ni – Nm ( 2-2)

Pe = Pi – Pm

Trong đó:

Lm – Công tổn hao cơ khí của một chu trình

Nm – Công suất tổn hao cơ khí của động cơ

Pi – áp suất tổn hao cơ khí trung bình của chu trình

+

+

Công suất có ích Ne là thông số quan trọng về mặt năng lượng của động cơ và bao giờ cũng ghi rõ giá trị ( Công suất có ích ứng với chế độ vòng quay định mức ) trong các lý lịch máy gửi kèm theo động cơ khi xuất xưởng chúng ta có thể xác định công suất có ích Ne bằng các thiết bị đo công suất Nguyên tắc chung để xác định công suất có Ne là phải xác định mô men xoán Me trên phanh thử động cơ đồng thời

đo tốc độ quay ω (Ral ) của trục khuỷu động cơ tương ứng với giá trị mo men xoán Me đã đo được Khi đó công suất có ích của động cơ sẽ được xác định theo công thức:

.M 30

n

N M 

(W) (2-4)

Trong đó:

e

M - mô men xoán có ích ( Nm)

n – tốc độ góc của trục khuỷu ( Vòng/phút)

 - tốc độ quay của trục khuỷu ( Rad 1

s )

Để tạo mô men cản tác dụng lên trục khuỷu của động cơ người ta đã chế tạo một số loại phanh đo công suất Nguyên tắc bố trí và phương thức xác định mô men cản để đo công suất của động cơ được trình bày cụ thể trong các mục dưới đây

2.1.3 ĐO CÔNG SUẤT CÓ ÍCH TRÊN CÁC BỆ THỬ NỐI TRỰC TIẾP ĐỘNG

CƠ VỚI PHANH CÔNG SUẤT

Trong các nhà máy chế tạo động cơ hoặc các nhà máy đại tu động cơ người ta lắp trực tiếp động cơ mới chế tạo.

Hình 2-2: Sơ đồ nối động cơ với phanh đo công suất

1- Động cơ cần thử; 2- Khớp nối; 3- Trục trung gian; 4- Phanh đo công suất

Hoặc động cơ đã qua sữa chửa lớn lên các bệ thử để đo công suất có ích Ne trước khi cho động cơ suất xưởng Đây cũng là những bệ thử có thể sử dụng và nghiên cứu động cơ trong các phòng thí nghiệm động cơ Sơ đồ khối của việc nối ghép động cơ cần đo công suất với phanh đo công suất được biểu thị trên hình 2-2

Để tạo mô men cản M c người ta thường dùng các loại phanh thử động cơ như: Phanh cơ khí, phanh điện, phanh thủy lực ….bất kỳ loại phanh thử nào cũng được đặc trưng bằng các giá trị lớn nhất của công suất có ích N e , mô men phanh M c và tốc độ quay cho phép n dm

Mô hình khái quát để đo công suất có ích của động cơ trên bất kỳ loại phanh nào được biểu thị trên hình (2-4)

Khi đó công suất có ích N e được xác định theo công thức:

9550

e e

M n

N  (kW) (2-5)

Hay

9550

e

F l n

N  (kW) (2-6)

Trong đó: M e - mô men xoắn có ích (Nm)

N – tốc độ quay của trục khuỷu ( Vòng/phút)

F – lực phanh ( N)

L – tay đòn của cơ cấu đo (m)

Ví dụ: Nếu M e89Nm ; n = 2000 vòng/phút

Khi đó: 89.2000 18, 64

9550

e

N   kW

2.1.4 ĐO CÔNG SUẤT CÓ ÍCH TRÊN BỆ THỬ KIỂU CON LĂN

Khi ta cần đo công suất có ích N e của động cơ đã lắp trên một xe cơ giới kiểu bánh hơi ta không thể tháo riêng động cơ để đo ( Vì xe vẫn đang vận hành hoặc xe mới chế tạo hoạc qua sữa chữa lớn cần phải xuất xưởng ) Khi đó người ta áp dụng bệ thử kiểu con lăn để đo công suất động cơ trên bánh xe chủ động rồi tính ngược trở lại phía bánh đà ( Nghĩa là tính ngược lại hướng truyền của dòng lực từ động cơ ra bánh chủ động) thông qua hiệu suất tổn hao của truyền động từ động cơ tới phanh

Ở phương án này thiết bị tạo cản là bệ thử kiểu con lăn Xe cần thử nghiệm sẽ

nồ máy đứng tại chổ, mô men xoán từ động cơ truyền qua hệ thống truyền lực, quay bánh xe chủ động tựa trên hai con lăn Người ta bố trí một phanh đo trên moy65 con lăn để thay đổi lực cản và do đó thay đổi tải tác dụng lên động cơ của xe Mô hình khái quát để…

Đo công suất của động cơ trên xe cơ giới nhờ hệ thống đo bằng phanh thử con lăn được biểu thị trên hình 2 – 5

Trong trường hợp vùng hệ thử con lăn kết quả đo công suất trên hệ thử sẽ thấp hơn giá trị công suất có ích ở đuôi trục khuỷu khoảng 25 ÷ 20% vì công có ích đã bị tổn haoqua hệ thong truyền động của xe gồm ly hợp, hộp số, cầu sau và tiêu hao cho ma sát giữa lốp xe với bề mặt tựa của con lăn Các thành phần tổn hao nói trên nằm trong giới hạn như sau:

- Hiệu suất của hệ thống truyền động: 0,92 ÷ 0,96

- Hiệu suất do ma sát ở con lăn: 0,81 ÷ 0,85

- Hiệu suất toàn bộ η: 0,75 ÷ 0,82

Công suất có ích của động cơ đo trên bệ thử con lăn được xác định theo biểu thức:

Ne = ( )

3600

A e

F V



Trong đó: FA: Lực kéo của xe xác định qua cơ cấu đo (N) V: Vận tốc của xe ở chế độ cần đo (km/h)

η: Hiệu suất tổng của bệ thử

Ví dụ: Giả sử khi đo trên bệ thử con lăn ta đo được các số liệu là:

- Lực phanh FA = 650 N

- Tốc độ xe V = 120 km/h

- η: chọn = 0,82

Khi đó: 650 120 26, 4 ( )

3600 0,82

e



2.2 ĐO HÀM LƢỢNG CÁC THÀNH PHẦN ĐỘC HẠI TRONG KHI THẢI 2.2.1 Các chất thành phần trong kh thải động cơ

Khi các phương tiện giao thông hoạt động, các sản vật cháy trong khi thải của động cơ là một trong những số tác nhân chủ yếu gây ô nhiểm bầu khí quyển của trái đất Trong trường hợp cháy vào động cơ được đốt cháy hoàn toàn thì sơ đồ tạo thành các sản vật cháy từ các phản ứng hóa học khi đốt cháy các bua hyđirôcủa nhiên liệu được biểu thị như sau:

Cn Hm + không khí (O2 + N2) → CO2 + H2O + N2 + O2 (thừa) (2-8)

Như vậy sản vật cháy của quá trình cháy hoàn toàn nhiên liệu gồm các thành phần chủ yếu là khí điôxýt các bon (hay khí các bon ních) (CO2); hơi nước (O2) (vì hỗn hợp cháy dư không khí so với lượng không khí lý thuyết cần thiết)

Tuy nhiên trong những điều kiện làm việc thực tế của động cơ, các phản ứng cháy không thể diễn ra hoàn toàn và bao giờ củng xuất hiện những sản phẩm phụ của quá trình cháy nhiên liệu do tính không hoàn thiện và tính chất phức tạp của quá trình cháy

Trong trường hợp quá trình cháy là không hoàn toàn (khi hệ số dư lượng khí

α < 1 nghĩa là hỗn hợp thiếu không khí so với lượng không khí cần thiết lý thuyết) thì sản vật cháy trong khí thải sẽ bao gồm:

- Các bua hyđrô (CH) chưa cháy hoặc chưa cháy hoàn toàn,

- Ô xýt các bon (CO)

- Muội than (C)

- Hơi nước (H2O)

- Ni tơ (N2)

Các sản phẩm phụ của quá trình cháy bao gồm:

- Ô xýt nitơ (NOX)

- Ô xýt lưu huỳnh (SO2)

- Các hợp chất của chì

Như vậy trong cả hai trường hợp, cháy hoàn toàn và không hoàn toàn các thành phần khí thải gây độc hại đối với con người và môi sinh là: Đi ô xýt các bon ( CO2); Ô xýt các bon (CO); các bua hyđrô chưa cháy (CH); Các loại ô xýt ni tơ (N0X);Các hợp chất của chì; Muội than Đồ thì biểu thị quy luật biến thiên của các thành phần độc hại theo

thành phần hỗn hợp cháy trong động cơ xăng biểu thị trên hình 2.6 Đồ thị so sánh quy luật thay đổi hàm lượng độc hại trong khí thải theo thành phần hỗn hợp của động cơ xăng và Diêden được biểu thị trên hình 2.7 tỷ lệ các chất thành phần trong khí thải của động cơ nói chung khi cháy không hoàn toàn (tính theo %) được biểu thị trên độ thị 2.8

2.2.2 Ảnh hưởng củ các thành phần độc hại trong kh thải tới sức khỏe con người và môi sinh

Ảnh hưởng của các chất gây ô nhiễm không khí do khí thải của động cơ đốt trong gây

ra cho đến nay vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ Các ảnh hưởng rõ rệt mà kết quả nghiên cứu đã xác định được biểu thị ở những điểm khái quát trong bảng liệt kê dưới đây:

Điôxýtcác bon (CO2):

Điôxýtcác bon là tác nhân gây nên hiệu ứng nhà kính (hay tình trạng nóng dần của bầu khí quyển trái đất) khoảng từ 10 ÷ 15% hàm lượng CO2 trong không khí là do khí thải của động cơ trên các phương tiện giao thong gây ra

Ô xýt các bon (CO):

Ô xýt các bon là loại khí không màu, không mùi, không vị Không khí có nồng độ khí

CO khoảng 0,2% có thể gây chết người trong thời gian 20 phút Khoảng 60- 70% lượng khí CO trong không khí là do khí thải của các phương tiện giao thông gây ra Các bua hyđrô chưa cháy (CH):

Các thành phần các bua hyđrô chưa cháy có tác dụng kích thích chất nhầy ở niêm mạc phổi gây nên chứng bệnh hen xuyễn và là một trong số những tác nhân gây bệnh ung thư Cùng với các thành phần ôxýt Nitơ (NOX), các hợp chất các bua hyđrô chưa cháy

là tác nhân gây ra các lớp sương mù dầy đặc (Smog) Đây là hiện tượng thường gặp ở nước Anh Nhìn chung, các thành phần CH gây ra nhiều bệnh ở đường hô hấp Khoảng 20- 40% lượng CH trong không khí là do khí thải của động cơ trên các phương tiện xe cơ giới gây ra

* Ôxýt Nitơ (NOX):

Các loại ôxýt Nitơ (NOX) bao gồm Điôxýt Nitơ (NO2) và Ôxýt Nitơ (NO) Các chất khí này có mùi khó chịu và là tác nhân gây ra kích thích tiết chất nhầy ở niêm mạc

phổi gây ra bệnh hen xuyễn Đây là chất có tác hại tới sự phát triển của các loài thảo mộc Khoảng 40- 60% lượng NOX trong không khí là do các phương tiện giao thông gây ra

* Hợp chất của chì:

Các hợp chất của chì là những chất rất độc hại đối với sức khỏe con người và các động vật Hiện nay nhiều nước đang chuyển sang sử dụng xăng không pha chì để giảm ảnh hưởng độc hại của chì đối với sức khỏe của con người và môi sinh

Muội than:

Đây là lượng cácbon chưa cháy và được thải ra môi trường ở dạng khói đen (Chủ yếu

ở động cơ điezel) và cũng là một tác nhân gây ra các chứng bệnh về đường hô hấp và gây ra ung thư

2.2.3 HỆ THỐNG ĐO HÀM LƢỢNG CÁC CHẤT THÀNH PHẦN TRONG KHÍ THẢI VÀ CHU TRÌNH ĐO

2.2.3.1 BỐ TRÍ HỆ THỐNG ĐO

Để đo hàm lượng của các chất thành phần trong khí thải của động cơ ô tô (Chủ yếu là

đo các thành phần gây ra độc hại) ta phải đưa xe vào phòng thử nghiệm chuyên dụng, trong đó có bố trí hệ thống phanh đo kiểu con lăn, thiết bị phân tích khí thải và các thiết bị đo tham số của không khí trong phòng thử như: Áp kế; nhiệt kế; ẩm kế Xe cần thử sẽ cho vận hành tại chỗ trên bệ thử con lăn để mô phỏng các chế độ vận hành đặc trưng của xe theo các chu trình đo nhất định Tùy theo thực trạng môi trường và quy

mô sử dụng phương tiện giao thông, mỗi nưới quy định riêng một chu trình đo hàm lượng khí thải theo pháp luật về bảo vệ môi trường của họ đưa ra Trên thế giới có 5 loại chu trình chạy xe để đo hàm lượng các chất động hại nhưng nhiều nước thường áp dụng một trong 2 chu trình thử là: Chu trình thử của Mỹ và chu trình thử của Nhật Bản

Sơ đồ bố trí hệ thống đo hàm lượng các thành phần của khí thải trong phòng thí nghiệm chuyên dụng được biểu thị trên hình 2.9

Tiến trình đo tiến hành như sau:

Ta đưa xe lên bệ thử con lăn sao cho bánh xe của cầu chủ động tựa trên các con lăn của bệ thử Tiếp đó ta nối ống xả của xe với ống thu khí xả cũng như nối các đầu đo

cần thiết vào các vị trí tương ứng trên các thiết bị đo trong phòng thử xe Nổ máy và cho xe vận hành theo các chế độ tốc độ và phụ tải quy định trong chu trình chạy xe trên bệ đã chọn

Khí thải thoát ra khỏi ống xả của xe đượng một bơm trục vít hút tới bình hòa trộn (Misch punkt) Sau khi hòa trộn với không khí, khí thải được pha loãng và đi qua bộ lọc kiểu xoáy lốc (Cyklon) để loại bỏ các tạp chất rồi đi tiếp tới bộ trao đổi nhiệt (Wảpme- tauscher) Sau khi đi qua bộ trao đổi nhiệt khí thải sẽ đạt nhiệt độ thích hợp cho việc lấy mẫu khí và các nhánh ống lấy mẫu khí thải tới các túi chứa khí (Beurtel fur abgas) để các máy phân tích khí xả xử lý các mẫu đo Đồng thời với quá trình lấy mẫu khí thải và phân tích mẫu, các đầu cảm biến đo các tham số vận hành của động cơ cũng tiếp nhận các tín hiệu đưa về trung tâm thu tín hiệu đo (Mebaufnehmer) Chuyển tín hiệu qua bộ chuyển đổi tín hiệu (Mebumbermer) rồi đưa tới khâu ghi và chỉ thị kết quả (Datener bassung and veruchsstêurung) Hàm lượng thành phần độc hại đã đo ứng với các tham số vận hành khác nhau sẽ cho phép xây dựng quy luật biến thiên.của các hàm lượng chất độc hại theo tốc độ quay phụ tải, thành phần hỗn hợp (Hệ số dư lượng không khí)

Ưu điểm của hệ thống hàm lượng chất độc hại không khí thải là:

*Tránh được sự ngưng đọng hơi nước trong khí thải và do đó giảm được lượng tổn hao của các thành phần khí NOx do tránh được hiện tượng chất này hòa tan vào lượng hơi nước ngưng đọng

*Giảm đáng kể hiện tượng tái tiếp diễn các phản ứng hóa học giữa các thành phần của khí thải (Trước hết là đối với thành phần CH chưa cháy)

2.2.3.2 Các chu trình vận hành xe

Khi đó hàm lượng các chất độc hại trong khí thải

Thực hiện chu trình vận hành xe trên hệ thử con lăn khi đó hàm lượng các chất độc hại trong khí thải thực chất là mô phỏng các chế độ vận hành điển hình thường gặp trong quá trình sử dụng xe Sự thay đổi hàm lượng các chất độc hại phụ thuộc vào phụ tải, tốc độ các tham số điều chỉnh trong vận hành như: Thành phần hỗn hợp ( ) , góc phun sớm nhiên liệu hoặc góc đánh lửa sớm  Trên các bệ thử hiện đại các phép đo, các tham số vận hành và phân tích mẫu khí thải được phối hợp đồng thời nhờ bộ vi xử

lý của máy tính và quy luật biến thiên của hàm lượng các thành phần trong khí thải