Nghiên cứu thiết kế bộ ổn định nhiệt độ nước làm mát và dầu bôi trơn động cơ cho băng thử Elbe

Hiện nay, tại khoa Cơ khí Giao thông, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng có hệ thống băng thử công suất của hãng AVL và băng thử Froude đều có công suất thiết kế ~200kW và băng th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HOÀNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ỔN ĐỊNH NHIỆT

ĐỘ NƯỚC LÀM MÁT VÀ DẦU BÔI TRƠN ĐỘNG CƠ CHO BĂNG THỬ ELBE

Chuyên ngành : CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Mã số : 8.52.01.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018

Bách khoa vào ngày …… tháng …… năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Kể từ sau cuộc cách mạng công nghiệp ở Anh với sự ra đời của động cơ hơi nước thì có thể coi động cơ đốt trong (ĐCĐT) là một trong những phát minh lớn nhất của con người ĐCĐT là một loại động cơ nhiệt tạo ra công cơ học dưới dạng moment quay (hay còn gọi là moment xoắn) bằng cách đốt nhiên liệu bên trong động cơ Mặc dù ĐCĐT là một trong các thủ phạm chính gây ra ô nhiễm môi trường và sự nóng lên của trái đất nhưng không thể phủ nhận vai trò quan trọng mà nó đã đem lại cho cuộc sống của con người ĐCĐT xuất hiện trên hầu hết các phương tiện vận tải hàng hóa, máy công tác như: máy bay, tàu thủy, ô tô, máy phát điện, máy bơm nước, …

Cho dù các nhà khoa học đã miệt mài nghiên cứu để đưa ra các giải pháp thay thế cho động cơ đốt trong như động cơ điện, động

cơ sử dụng pin nhiên liệu nhằm đối phó với tình trạng cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự nóng lên của trái đất Tuy nhiên cho đến tận thời điểm này động cơ đốt trong vẫn là không thể thay thế

Xu hướng của thế giới hiện nay là phát triển các công nghệ

để tối ưu hóa kết cấu tiết kiệm nhiên liệu và tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới có thể thay thế cho nhiên liệu hóa thạch nhằm giảm bớt sức nóng về sự khan hiếm của nguồn nhiên liệu nói trên và sự ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ đốt trong gây ra Thiết bị cơ bản đầu tiên trong việc nghiên cứu thay đổi kết cấu của động cơ và nhiên liệu mới là Băng thử công suất động cơ

Hiện nay, tại khoa Cơ khí Giao thông, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng có hệ thống băng thử công suất của hãng AVL và băng thử Froude đều có công suất thiết kế ~200kW và băng thử thủy lực ELBE sản xuất tại Đức có công suất thiết kế 475kW phù hợp để nghiên cứu cho động cơ diesel cỡ lớn trang bị trên xe vận tải,

tàu thủy, … Tuy nhiên do thiết bị được đầu tư khá lâu và đến nay không còn vận hành được

Nhằm giảm chi phí đầu tư mua sắm thiết bị mới, đồng thời đảm bảo điều kiện cơ sở vật chất dạy học cho sinh viên Khoa Cơ khí Giao thông nói chung và sinh viên ngành Kỹ thuật Tàu thủy nói riêng, việc phục hồi hoạt động cho băng thử ELBE hoạt động là hết sức cần thiết và cấp bách Băng thử này có cơ cấu xác định công suất

và tốc độ kiểu cơ khí cổ điển dẫn đến hiệu quả khai thác sử dụng thiết bị không cao Ngoài việc phục hồi, cải tạo để nâng cao công suất sử dụng thì để cho băng thử hoạt động một cách ổn định thì bộ phận làm mát cho băng thử cũng rất quan trọng Với mong muốn tìm giải pháp để nâng cấp hệ thống băng thử công suất động cơ nói trên đồng thời nhằm mục đích nâng cao hiệu quả sử dụng của hệ thống

mà tiết kiệm chi phí đầu tư cũng như công tác bảo dưỡng, sửa chữa được dễ dàng

Vì vậy, tôi chọn đề tài: “Nguyên cứu, thiết kế bộ ổn định nhiệt độ

nước làm mát và dầu bôi trơn động cơ cho băng thử ELBE”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Trên cơ sở hệ thống băng thử kiểu cơ khí, ta thiết kế lắp đặt

hệ thống làm mát bao gồm các thiết bị làm mát băng thử, cảm biến, thiết lập mạch điều khiển điện tử và chương trình trên máy tính để có

thể ổn định được nhiệt độ nước làm mát trên băng thử Elbe

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống làm mát cho băng thử công suất thủy lực ELBE

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu giải pháp ổn định nhiệt độ nước làm mát và dầu bôi trơn cho động cơ trên băng thử công suất thủy lực ELBE dựa vào các cảm biến điện tử

4 Phương pháp nghiên cứu

Tìm kiếm tài liệu, thu thập thông tin dựa trên các công trình

đã công bố về các hệ thống làm mát trên băng thử công suất động cơ, thiết kế- chế tạo và thử nghiệm, phân tích số liệu, viết báo cáo, trình bày báo cáo Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm tại xưởng Động lực, khoa Cơ khí Giao thông, trường Đại học Bách khoa

- Đại học Đà Nẵng

5 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận cấu trúc của luận văn bao gồm các phần chính sau:

Chương 1: Tổng quan về các loại băng thử công suất được

sử dụng hiện nay, các phương án làm mát cho từ loại băng thử

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về sự truyền nhiệt, động cơ đốt trong khi được thử nghiệm và cơ sở lý thuyết về phương pháp đo lường được sử dụng trong thiết kế hệ thống làm mát của băng thử

Chương 3: Nghiên cứu thiết kế hệ thống bôi trơn và làm mát của động cơ, hệ thống làm mát băng thử Trong chương này tác giả trình bày các tính toán liên quan đến nội dung chính của đề tài Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm Trong chương này tác giả trình báy các nội dung thực nghiệm được thực hiện tại xưởng Động lực thuộc Khoa cơ khí Giao thông – trường Đại học Bách khoa, Đại học

Đà Nẵng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1 TỔNG QUAN CÁC KIỂU BĂNG THỬ CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ

Bệ thử công suất động cơ là thiết bị dùng để đánh giá các chỉ tiêu về kinh tế - kỹ thuật dựa trên nguyên lý tạo ra mô men cản cản lại mô men của động cơ Dựa vào nguyên lý đó mà có các loại bệ thử công suất như sau:

1.1.1 Băng thử cơ khí

1.1.2 Băng thử thủy lực

1.1.3 Băng thử điện

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CÁC HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ NƯỚC LÀM MÁT TRÊN BĂNG THỬ CÔNG SUẤT CỦA THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

1.2.1 Tình hình nghiên cứu các hệ thống ổn định nhiệt độ nước làm mát trên băng thử công suất của thế giới

1.2.2 Tình hình nghiên cứu các hệ thống ổn định nhiệt độ nước làm mát và dầu bôi trơn cho động cơ trên băng thử công suất việt nam

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Băng thử công suất động cơ được sử dụng rất rộng rãi trong nghiên cứu động cơ đốt trong Hiện trong nước và trên thế giới đã có nhiều thiết bị đo công suất động cơ với những kết cấu khác nhau

Đã có nhiều nghiên cứu trong nước và trên thế giới nhằm cải tiến băng thử công suất động cơ

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ 2.1.1 Công suất động cơ

2.4.1 Khái niệm về kỹ thuật đo lường

2.4.2 Cơ sở kỹ thuật đo lường

2.4.2.1 Đại lượng đo

2.4.2.2 Phương trình cơ bản của phép đo

2.4.2.3 Phương pháp đo

2.4.2.4 Đánh giá kết quả đo

2.5 LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN TRAO ĐỔI NHIỆT

2.5.1 Các định luật và phương trình cơ bản về dẫn nhiệt

2.5.1.1 Định luật Fourier về dẫn nhiệt

2.5.1.2 Phương trình vi phân dẫn nhiệt

2.5.1.3 Điều kiện đơn trị

2.5.2 Trao đổi nhiệt đối lưu

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

3.1 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT BĂNG THỬ 3.1.1 Giới thiệu băng thử

Băng thử ELBE là băng thử thủy lực dạng chốt Rotor được chế tạo ở dạng hình trụ Trên đó có gắn vào bốn hàng chốt 4 cạnh Mặt hông của stato cũng xen kẽ các chốt ba cạnh Giữa các hàng chốt có khe hở nhất định để tạo khoang nươc và tránh va chạm kẹt Phanh thử này làm việc theo nguyên tắc điền đầy bộ phận và thuận nghịch

Phanh thử ELBE có các thông số sau:

+ Công suất cực đại đo được: Nph= 650[mã lực] hay Nph= 475[kW];

+ Số vòng quay cực đại nmax = 3500[vòng/phút];

+ Khối lượng toàn bộ 900[kg];

bộ ma sát Có thể thiết kế thêm quạt gió để tăng hiệu suất tản nhiệt

Làm mát bằng không khí có ưu điểm là đơn giản, dễ chế tạo tuy nhiên hiệu suất tản nhiệt thấp nhất là đối với thiết bị không di chuyển

3.1.2.2 Làm mát bằng nước

Hệ thống làm mát bằng nước có đặc điểm là hiệu quả làm mát cao nhưng trong quá trình làm việc đòi hỏi phải bổ sung nước làm mát vì nước được dùng làm dung môi trung gian dùng để tải

nhiệt khỏi các chi tiết

Trong hệ thống làm mát bằng nước, người ta lại chia ra thành ba loại: bốc hơi, đối lưu tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức

Nhận xét: Phương án làm mát bằng nước có ưu điểm vượt

trội hơn phương pháp làm mát bằng không khí, tăng cao hiệu suất tản nhiệt của thiết bị tạo mô men, dẫn đến việc kết quả đo sẽ chính xác hơn Do đó để đảm bảo thiết bị được làm mát tốt ta chọn phương pháp làm mát bằng nước

3.2 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU

Động cơ DE12TI là một trong những động cơ Diesel bốn kỳ, sáu xilanh thẳng hàng hiện đại và được sử dụng rộng rải hiện nay Động

cơ được lắp trên xe bus DAEWOO 49 chỗ

Bảng 3-1 Thông số kỹ thuật của động cơ

- Công suất cực đại

- Số vòng quay ứng với công suất

6 1-5-3-6-2-4

123

155 11,051 16,8

N.m vòng/ph

3.2.1 Các phương án bôi trơn trong động cơ đốt trong

3.2.1.1 Bôi trơn bằng phương pháp vung té dầu

3.2.1.2 Phương án bôi trơn cưỡng bức

3.2.1.3 Hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte ướt :

3.2.1.4 Hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte khô

3.2.1.5 Bôi trơn bằng cách pha dầu nhờn vào nhiên liệu

3.2.1.6 Bôi trơn bằng phương pháp hỗn hợp

3.3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO

3.3.1 Tính toán trao đổi nhiệt của băng thử

Trong quá trình làm việc, nước trong băng thử nhận nhiệt từ các chi tiết ma sát và nóng lên Vì vậy ở phanh thử này nước vừa là chất lỏng công tác, vừa là chất lỏng làm mát Muốn tính lượng nước cần thiết cung cấp cho băng thử, ta viết phương trình cân bằng nhiệt

Theo [1] ta có lượng nhiệt do công cơ học sinh ra trong một giờ là:

Băng thử ELBE sử dụng phanh thủy lực dạng chốt:

- + Công suất cực đại đo được: Ne = 475 [kW]

- + Số vòng quay cực đại nmax = 3500 [vòng/phút];

- + Khối lượng toàn bộ 900 [kg];

- + Glm: Lượng nước làm mát cấp vào phanh thử trong một giờ [kg/h];

- + ∆tn: Hiệu nhiệt độ nước vào và nước ra bộ tản nhiệt;

- + Cn: nhiệt dung riêng của nước, Cn=4187 [J/kg.độ];

Suy ra lượng nước làm mát cấp vào phanh thử trong 1h là:

Công suất tiêu hao cho bơm nước tính theo công suất sau:

b





3.3.2 Tính toán trao đổi nhiệt của động cơ nằm trên băng thử

Nhiệt độ từ động cơ truyền cho nước làm mát có thể coi gần bằng số nhiệt lượng đưa qua bộ tản nhiệt truyền vào không khí, lượng nhiệt truyền cho hệ thống làm mát của động cơ xăng chiếm

khoảng 20  30%, còn của động cơ điêden chiếm khoảng 15  25% tổng số nhiệt lượng do nhiên liệu toả ra Nhiệt lượng Qlm có thể tính theo công thức kinh nghiệm sau đây

18745,5[ / ] 312, 4[ / ] 4187.10

lm lm

+ Chiều dài làm việc của ống: l=810 mm;

+ Chiều rộng của ngăn két: a= 620 mm;

+ Chiều dày của ngăn két: b= 70 mm;

+ Số ống của một ngăn: n= 56 ống;

+ Số dãy ống: 2 dãy;

+ Cách sắp xếp ống: thẳng hàng;

+ Kích thước ngoài của ống 30x1,6 mm;

+ Chiều dày của thành ống 0,2 mm;

+ Số cánh tản nhiệt k= 475 mm

+ Chiều dày cánh tản nhiệt 0.12 mm

Tính toán kiểm nghiệm lại khả năng làm mát của két làm mát được chọn Tiết diện lưu thông chất lỏng qua két

b= 1,6 – 2.0,2 = 1,2 mm

a= 30 – 2.0,2 = 29,6 mm

2 0

Hình 3.1 Sơ đồ kết cấu ống nước

- Diện tích tiếp xúc với chất lỏng F1:

h: Chiều dài của ống (m);

p1: Chu vi thành trong của ống;

p1= 2.c + π.d = 2.(29,6-2.(1,2/2))+ π.1,2=60,57 [mm]

F0= 810.60,57= 49061,6 [mm2]

F1= 49061,6.56= 2747449,6 [mm2]=2,7 [m2]

- Diện tích tiếp xúc với không khí F2:

Hình 3.2 Sơ đồ tính toán két nước

F2= F3+F4

F3: Diện tích ống nước tiếp xúc với không khí

F4: Diện tích cánh tản nhiệt tiếp xúc với không khí

Hình 3.30 Sơ đồ tính toán chi tiết két nước

h: Chiều dài làm việc của ống, h= 810 [mm]

s: Chiều dài của cánh tản nhiệt

k: Số cánh tản nhiệt

n: Số ống

F3= 61,824.715.56= 2475432,96 [mm2]= 2,5 [m2 ] Diện tích cánh tản nhiệt tiếp xúc với không khí F4:

Hình 3.4 Sơ đồ tính toán két nước

F2= 2,5+ 16,625= 19,125 [m2] Diện tích tản nhiệt cần thiết của két làm nước là:

 lm 

k

n kk

Q F

α1=2326÷4070[W/m2.độ] Chọn α1=4070 [W/m2.độ]

Hệ số  của đồng lá   83,9 126  [W/m.độ], của hợp kim nhôm   104,8 198  [W/m.độ], còn của thép không gỉ

Hệ số k cho bộ tản nhiệt kiểu ống có thể xác định theo đồ thị

k = f(ωkk) Theo số liệu thí nghiệm, xác định bề mặt làm mát của bộ tản nhiệt, có thể lấy k ≈ α2 và có thể tính gần đúng α2 = 11,38.kk0,8

Nhiệt lượng làm mát của két thứ nhất

+ tnv: Nhiệt độ nước vào tnv = 1000C

+ t : Nhiệt độ nước vào t = 800C

+ tn: Nhiệt độ trung bình của nước làm mát, [0

C];

100 80

902

Nhiệt lượng làm mát của két thứ 2 :

+ tnv: Nhiệt độ nước vào tnv = 800C;

3.3.4 Tính toán quạt gió của hệ thống làm mát

Lưu lượng không khí cần thiết mà quạt gió cần cung cấp

lm kk

kk p kk

Q G

+ ρkk: Khối lượng riêng của không khí [kg/m3

],

ρkk = 1,1[kg/m3] + Cp: Nhiệt dung riêng của nước, Cn=1005 [J/kg.độ];

+ ∆tkk: Chênh lệch nhiệt độ của không khí qua bộ tản nhiệt,

∆tkk lấy bằng 20÷300C Chọn ∆tkk = 300C

]/[32,1430.1005.1,1

163,1.408405

s kg

+ Chiều dài làm việc của ống: l=810 mm;

+ Chiều rộng của ngăn két: a= 620 mm;

+ Chiều dày của ngăn két: b= 70 mm;

+ Số ống của một ngăn: n= 56 ống;

+ Số dãy ống: 2 dãy;

+ Cách sắp xếp ống: thẳng hàng;

+ Kích thước ngoài của ống 30x1,6 mm;

+ Chiều dày của thành ống 0,2 mm;

+ Số cánh tản nhiệt k= 475 mm

+ Chiều dày cánh tản nhiệt 0.12 mm

3.3.5.2 Bơm nước

Kết luận: Qua những phân tích trên ta chọn bơm ly

tâm làm bơm cấp nước cho hệ thống làm mát

Ta chọn bơm lưu lượng DK THT 1.5DK-24 1HP có thông

Đầu vào – Đầu ra ( mm) 49-49

Nguồn điện 220V- 1 phase- 50Hz

+ Mô tơ có công suất 2,2 kW với số vòng quay max 1440 vòng/phút

3.3.6.3 Lắp đặt cảm biến nhiệt điện trở

3.3.6.4 Lắp đặt bộ biến tần điều khiển mô tơ quạt

3.3.7 Xây dựng chương trình điều khiển

3.3.7.1 Sơ đồ thuật toán

3.3.7.2 Chương trình cho vi điều khiển

3.4 TÍNH TOÁN KÉT LÀM MÁT DẦU BÔI TRƠN ĐỘNG CƠ 3.4.1 Tính toán lưu lượng dầu bôi trơn và lưu lượng của bơm dầu

3.4.2 Tính toán két làm mát dầu bôi trơn động cơ

Để tối ưu hóa quá trình làm mát ta sử dụng két làm mát dầu

có các thông số cơ bản như sau:

+ Chiều dài làm việc của ống: l=520 mm;

+ Chiều rộng của ngăn két: a= 600 mm;

+ Chiều dày của ngăn két: b= 50 mm;

+ Số ống của một ngăn: n= 56 ống;

+ Cách sắp xếp ống: thẳng hàng;

+ Kích thước ngoài của ống 20x1,6 mm;

+ Chiều dày của thành ống 0,2 mm;

- Các thiết bị đo và cảm biến đã chọn phù hợp với hệ thống

- Chương trình vi điều khiển chế tạo kết hợp mạch điều khiển Arduino UNO R3 đã thu thập và xử lí tín hiệu điện

áp thành các giá trị đại lượng đúng và có độ chính xác cao

- Hệ thống đảm bảo ổn định nhiệt độ nước đầu vào cho hệ thống

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ

4.1 THỰC NGHIỆM ĐO

4.1.1 Mục đích thực nghiệm

Việc thực nghiệm nhằm những mục đích sau:

- Đánh giá sự làm việc của các cảm biến trên hệ thống làm mát

- Đánh giá khả năng ổn định nhiệt độ của hệ thống làm mát

Khởi động máy tính và chương trình phần mềm

Khởi động hệ thống làm mát nếu không có báo hiệu gì từ chương trình của phần mềm thì chương trình đã xác nhận các tín hiệu thu được là đầy đủ và chương trình hoạt động không bị lỗi

Thu thập được các thông số: nhiệt độ T1 nước làm mát đầu vào, nhiệt độ T2 nước làm mát đầu ra hệ thống

Thiết lập nhiệt độ cho T1 đầu vào của hệ thống làm mát Cho

hệ thống hoạt động đo kết quả