Thiết kế băng thử công suất động cơ cỡ nhỏ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................. 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................ 2
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .............................................. 2
5. Bố cục luận văn ........................................................................................ 2
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU BỆ THỬ
CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ............................................................................... 3
1.1. TỔNG QUÁT VỀ THIẾT BỊ ĐO CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ................... 3
1.2. TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG THIẾT BỊ ĐO CÔNG SUẤT ............... 4
1.2.1. Ứng dụng xác định các chỉ tiêu về kinh tế kĩ thuật của động cơ...... 4
1.2.2. Ứng dụng phân tích quá trình cháy .................................................. 5
1.2.3. Ứng dụng phân tích nồng độ các chất trong khí thải của động cơ .. 6
1.3. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỆ THỬ CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ
ĐỐT TRONG TRÊN THẾ GIỚI ...................................................................... 7
1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỆ THỬ CÔNG SUẤT ĐỘNG
CƠ ĐỐT TRONG TẠI VIỆT NAM ................................................................. 8
1.5. KẾT LUẬN ................................................................................................ 9
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT............................................................. 10
2.1. CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ .................. 10
2.1.1. Công suất động cơ .......................................................................... 10
2.1.2. Hiệu suất động cơ ........................................................................... 10
2.2. CÁC LOẠI ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ ........................................................ 11
2.2.1. Đặc tính tốc độ ................................................................................ 13
2.2.2. Đặc tính tải ...................................................................................... 14
2.3. PHƯƠNG PHÁP ĐO CÔNG SUẤT ....................................................... 15
2.1.2. Phương pháp xác định công suất loại cân bằng.............................. 15
2.1.3. Phương pháp xác định công suất có ích loại không cân bằng ........ 16
2.1.4. Phương pháp đo công suất động cơ dùng trong chẩn đoán ............ 16

2.2. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ BỘ ĐO CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐỐT
TRONG ........................................................................................................... 18
2.2.1. Nguyên lý chung ............................................................................. 18
2.2.2. Các loại phanh thử công suất động cơ ............................................ 19
2.3. KẾT LUẬN .............................................................................................. 33
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ TẠO MÔMEN CẢN .............. 34
3.1. MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU .......................................................................... 34
3.1.1. Mục đích ......................................................................................... 34
3.1.2. Yêu cầu ........................................................................................... 34
3.2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO .............................. 34
3.2.1. Phương án 1 .................................................................................... 34
3.2.2. Phương án 2 .................................................................................... 36
3.3. TÍNH TOÁN CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN CỦA BỘ ĐO MÔMEN ......... 37
3.3.1. Tính toán đĩa bị động và đĩa ép cụm ma sát ................................... 38
3.3.2. Xác định các thông số cơ bản của cơ cấu ép .................................. 41
3.4. TÍNH TOÁN LÀM MÁT BỘ TẠO MÔMEN ........................................ 45
3.4.1. Các phương pháp làm mát .............................................................. 45
3.4.2. Tính toán làm mát bộ ma sát .......................................................... 46
3.4.3. Các thành phần hệ thống làm mát bộ ma sát .................................. 48
3.5. TÍNH THIẾT KẾ TRỤC .......................................................................... 52
3.5.1. Chọn vật liệu trục............................................................................ 52
3.5.2. Tính sơ bộ đường kính trục ............................................................ 52
3.5.3. Định kết cấu trục, kiểm nghiệm trục .............................................. 53
3.6. TÍNH CHỌN Ổ LĂN ............................................................................... 55
3.7. THIẾT KẾ KHỚP NỐI TRỤC GIỮA ĐỘNG CƠ VÀ THIẾT BỊ ......... 57
3.7.1. Các loại khớp nối ............................................................................ 57
3.7.2. Thiết kế khớp nối trục..................................................................... 63
3.8. KẾT CẤU BỘ TẠO MÔMEN ĐÃ CHẾ TẠO ....................................... 66

3.9. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM KIỂM TRA THIẾT BỊ TẠO
MA SÁT BỘ ĐO MÔMEN ĐỘNG CƠ ......................................................... 67
3.9.1. Mục đích thực nghiệm .................................................................... 67
3.9.2. Đối tượng thực nghiệm ................................................................... 67
3.10. KẾT LUẬN ............................................................................................ 71
CHƯƠNG 4.KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN .................... 72
4.1. NỘI DUNG VÀ CHẾ ĐỘ THỰC NGHIỆM .......................................... 72


4.1.1. Nội dung thực nghiệm .................................................................... 72
4.1.2. Chế độ thực nghiệm ........................................................................ 72
4.1.3. Quy trình thực nghiệm .................................................................... 72
4.2. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ................................................................... 74
4.2.1. Kết quả đo mômen và công suất động cơ....................................... 74
4.2.2. Độ mài mòn đĩa ma sát, nhiệt độ dầu làm mát ............................... 75
4.2.3. Bảo dưỡng thiết bị .......................................................................... 76
4.3. KẾT LUẬN .............................................................................................. 76
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .......................... 77
1. KẾT LUẬN ............................................................................................ 77
2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ................................................. 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Danh mục các ký hiệu la tinh

Mms

[Nm]

Mômen ma sát

Memax

[Nm]

Mômen cực đại động cơ

p

[N/m2]

Áp suất pháp tuyến của các bề mặt ma sát

Zms

-

Số đôi bề mặt ma sát

KR

-

Hệ số quan hệ giữa bán kính trong, ngoài

Flx

[N]

Lực ép cần thiết của lò xo

F

[N]

Lực ép cần thiết ma cơ cấu ép tạo ra

Clx

[N/m]

Độ cứng một lò xo

lm

[mm]

Lượng mòn cho phép các đĩa ma sát

G

[N/m2]

Môđuyn đàn hồi

Lmin

[mm]

Chiều dài tối thiểu lò xo

Qlm

[kcal/h]

Nhiệt lượng làm mát

Glm

[kg/h]

Lưu lượng dầu bôi trơn làm mát trong 1h

tr

[0C]

Nhiệt độ dầu ra

tv

[0C]

Nhiệt độ dầu vào

Fk

[m2]

Diện tích két làm mát

W0

[Nm]

Mômen cản xoắn tiết diện trục

Wu

[mm3]

Mômen chống uốn

s

-

Hệ số an toàn bền trục


Danh mục các ký hiệu Hylạp

[]

[MN/m2]

Ứng suất uốn cho phép

lmax

[mm]

Độ biến dạng lớn nhất lò xo

b

[MPa]

Giới hạn bền vật liệu

ch

[MPa]

Giới hạn chảy vật liệu

a

[MPa]

Biên độ ứng suất uốn

u

[N/mm2]

Ứng suất uốn sinh ra tại mặt cắt nguy hiểm



-

Hệ số kích thước trục

k

-

Hệ số tập trung ứng suất thực tế


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu

Tên bảng

Trang

3.1

Thông số kỹ thuật một số động cơ phổ biến

38

3.2

Hệ số k theo tỷ số D/d

43

3.3

Cơ tính một số mác thép chế tạo trục

52

3.4

Hệ số kích thước 

55

3.5

Thông số kích thước khớp nối

64

3.6

Thông số kỹ thuật của động cơ và hệ thống truyền
lực thực nghiệm

68

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu

Tên hình

Trang

2.1

Đường đặc tính ngoài của động cơ

13

2.2

Đặc tính tải động cơ xăng

15

2.3

Nguyên lý phanh thử

19

2.4

Phanh thử dạng cơ khí

20

2.5

Đặc tính phanh thử cơ khí

21

2.6

Đặc tính mômen của động cơ và phanh

21

2.7

Sơ đồ phanh thử kiểu thủy lực kiểu đĩa

23

2.8

Stato và Roto phanh thử thủy lực dạng chốt

24

2.9

Stato và Roto phanh thử thủy lực dạng cánh

25

2.10

Đặc tính phanh thử thuỷ lực

26

2.11

Phương pháp điều chỉnh lượng nước vào phanh thủy
lực

27

2.12

Phanh dòng điện Foucault

29

2.13

Phanh thử điện

30

3.1

Sơ đồ thiết bị đo mômen theo phương án 1

35

3.2

Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo mômen theo phương án 2

36

3.3

Bộ tạo mômen cản trong bệ đo công suất động cơ

37

3.4

Đĩa ma sát

39

3.5

Lò xo ép

43

3.6

Sơ đồ hệ thống làm mát

46

3.7

Kết cấu bơm dầu làm mát

48

3.8

Hoạt động của bơm nhớt

49

3.9

Bơm dầu làm mát

50

3.10

Động cơ điện dẫn động bơm

51


Số hiệu

Tên hình

Trang

3.11

Két làm mát

51

3.12

Kết cấu trục

53

3.13

Kết cấu ổ lăn

55

3.14

Sơ đồ tính chọn ổ lăn

56

3.15

Nối trục ống

58

3.16

Nối trục đĩa

58

3.17

Nối trục bù

59

3.18

Nối trục răng

60

3.19

Nối trục xích một dãy

61

3.20

Nối trục chữ thập

62

3.21

Nối trục bản lề

63

3.22

Khớp nối trục kép

64

3.23

Sơ đồ tính bền chốt

65

3.24

Kết cấu bộ tạo mômen cản

66

3.25

Động cơ thực nghiệm

68

3.26

Mô hình thực nghiệm

70

3.27

Giao diện chương trình hiện thị kết quả tính toán

70

4.0.

Đặc tính mômen và công suất tại 100% bướm ga

74

4.2

Bề mặt đĩa ma sát khi còn mới và sau tổng thời gian 1h
thực nghiệm

75

2.1

Đường đặc tính ngoài của động cơ

13

2.2

Đặc tính tải động cơ xăng

15

2.3

Nguyên lý phanh thử

19

2.4

Phanh thử dạng cơ khí

20


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Từ khi động cơ đốt trong được phát minh và ứng dụng thì nhiên liệu hóa
thạch đã trở thành một loại hàng hóa mang tính chiến lược của mỗi quốc gia và
thế giới. Theo các nhà khoa học với nhu cầu sử dụng như hiện nay thì nguồn

nhiên liệu hóa thạch sẽ không đáp ứng được và cạn kiệt trong một tương lai
không xa. Xu hướng của thế giới là tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới có thể thay
thế cho nhiên liệu hóa thạch. Điều đó đã đặt ra một thách thức lớn cho các nhà
nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu mới.
Việc nghiên cứu nhiên liệu mới bắt nguồn từ trong phòng thí nghiệm với
các điều kiện và yêu cầu khắc khe. Trong đó thiết một thiết bị quan trọng để
thử nghiệm các chỉ tiêu về kỹ thuật và kinh tế không thể thiếu đó là bệ thử công
suất động cơ. Hiện nay, đã có nhiều bệ thử công suất với nhiều kích cỡ do nhiều
hãng sản xuất khác nhau nhưng hầu hết các loại bệ thử đều có xuất xứ từ nước
ngoài nên giá thành rất cao không phù hợp với điều kiện của Việt Nam hiện
nay.
Do đó, nghiên cứu và chế tạo một bệ thử công suất động cơ đốt trong là
cần thiết, đặc biệt là bệ thử động cơ cưỡng bức một xy lanh cỡ nhỏ để phù hợp
với điều kiện nghiên cứu thực tế và giá thành ở Việt Nam.
Trong bệ thử công suất bộ phận tạo mômen cản là một kết cấu rất quan
trọng trong bệ thử. Đây là bộ phận kết nối giữa động cơ thử với cảm biến đo
trước khi kết quả được thể hiện trên máy tính, độ chính xác của phép đo phụ
thuộc rất lớn vào kết cấu này.
Do đó tôi đã chọn nghiên cứu bộ phận tạo mômen cản trong thiết bị đo
công suất để thực hiện luận văn của mình.


2

2. Mục tiêu nghiên cứu
Chế tạo bộ đo mômen để lắp cho bệ thử động cơ cỡ nhỏ.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Bộ đo mômen kiểu cơ khí có dải đo dưới 10 Nm
3.2. Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo bộ tạo mômen cản trong thiết bị đo công suất động cơ
cỡ nhỏ.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
4.1. Cách tiếp cận
Tìm kiếm tài liệu, thu thập thông tin dựa trên các công trình đã công bố
về bệ thử công suất động cơ, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm, phân tích số liệu,
viết báo cáo, trình bày báo cáo.
4.2. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm tại “Trung tâm nghiên cứu
và ứng dụng năng lượng thay thế” - Đại học Đà Nẵng.
Cấu trúc luận văn “ Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ đo mômen cho bệ thử
công suất cỡ nhỏ” cụ thể là:
5. Bố cục luận văn
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU BỆ THỬ
CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ
CHƯƠNG 2. CỞ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.


3

CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU BỆ THỬ
CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ
1.1. TỔNG QUÁT VỀ THIẾT BỊ ĐO CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ
Công suất động cơ là một trong những thông số kỹ thuật cơ bản của động
cơ được quan tâm nhiều nhất và nó là chỉ tiêu quan trọng không phụ thuộc vào

công dụng và kiểu loại động cơ. Vì vậy trong thiết kế, chế tạo, sửa chữa và sử
dụng việc xác định chính xác công suất của động cơ luôn được coi trọng.
Trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng hiện đang có nhiều thiết
bị đo công suất của động cơ, tiêu biểu trong đó là:
 Thiết bị kiểm tra công suất động cơ MP 100S do hãng Weinlich của
CHLB Đức chế tạo. Bệ thử công suất động cơ bao gồm: bộ phanh và đo lực và bộ
điều khiển (đánh giá, hiển thị và điều khiển hệ thống với máy tính MP).

Hình 1.1 Thiết bị đo công suất MP 100S


4

 Thiết bị đo công suất LPS 3000 2WD do hãng MAHA của Áo chế
tạo. Thiết bị này cho phép khảo nghiệm và kiểm tra động cơ, công suất trên
toàn xe (dùng để kiểm tra xe 1 cầu chủ động).

Hình 1.2 Thiết bị đo công suất LPS 3000 2WD
1.2. TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG THIẾT BỊ ĐO CÔNG SUẤT
Bệ thử động cơ là một hệ thống thiết bị rất quan trọng đối với ngành động
cơ, nhờ nó mới có thể đánh giá được các chỉ tiêu về tính năng kinh tế - kĩ thuật,
mức độ phát thải ảnh hưởng đến môi trường cũng như độ bền, độ tin cậy của
các chi tiết trong động cơ.
1.2.1. Ứng dụng xác định các chỉ tiêu về kinh tế kĩ thuật của động cơ
Xác định công suất và mômen động cơ: Công suất và mômen là thông
số đặc trưng cơ bản cho mỗi động cơ. Việc xác định công suất động cơ luôn
được coi trọng nhằm nhiều mục đích khác nhau: Kiểm nghiệm động cơ trước
khi xuất xưởng; trang bị động cơ có công suất phù hợp với phương tiện; kiểm
tra động cơ sau quá trình duy tu bảo dưỡng; tổ chức khai thác động cơ hợp lý,
an toàn và tin cậy; nghiên cứu hoàn thiện các chi tiết cụm kết cấu của động cơ;

nghiên cứu nhiên liệu mới cho động cơ… Trong thực tế để xác định được công
suất có ích động cơ Ne người ta thường xác định thông qua mômen xoắn có ích


5

Me trên phanh thử rồi qui đổi ra giá trị của Ne. Nguyên tắc chung của việc xác
định Me là dùng phanh tạo ra mômen cản (Mc) thay cho máy công tác. Để
tạo Mc người ta sử dụng các loại phanh thử khác nhau tùy theo loại bệ thử động
cơ (phanh cơ khí, phanh thủy lực, phanh điện).
Xác định hiệu suất của động cơ: hiệu suất có ích thể hiện số phần trăm
nhiệt lượng chuyển thành công có ích trong tổng số nhiệt lượng cung cấp cho
động cơ do kết quả đốt cháy trong xy lanh tạo ra. Như vậy, bằng việc xác định
được tiêu hao nhiên liệu trong một thời gian nhất định và công suất có ích của
động cơ thì có thể xác định được hiệu suất của động cơ. Hiệu suất có ích càng
cao thì lượng nhiên liệu tiêu hao cho 1Kw trong 1 giờ càng nhỏ, nhờ vậy làm
giảm lượng tiêu hao trong 1 giờ. Vì vậy, xác định hiệu suất có ý nghĩa quan
trọng đối với các động cơ trang bị trên phương tiện vận tải do xác định được
lượng nhiên liệu dự trữ trên một đoạn đường và qua đó tăng lượng hàng chuyên
chở lên.
Xác định tuổi thọ, độ tin cậy các chi tiết trong động cơ: độ tin cậy là tính
chất của đối tượng thực hiện được chức năng, nhiệm vụ đã định, duy trì được
trong một khoảng thời gian các chỉ tiêu sử dụng, các thông số làm việc trong
giới hạn làm việc tương ứng với chế độ, điều kiện vận hành, chăm sóc và sữa
chữa cụ thể. Tuổi thọ của chi tiết nói riêng hay động cơ nói chung là khoảng
thời gian mà chi tiết hay động cơ đó có thể hoạt động cho tới khi đạt trạng thái
tới hạn (trạng thái bị hỏng hoặc cần sữa chữa hồi phục). Để xác định độ tin cậy
hay tuổi thọ của các chi tiết trong động cơ người ta thử nghiệm trên bệ thử tại
các chế độ làm việc khác nhau. Sau đó đo đạc so sánh với các số liệu trước khi
thực nghiệm và phân tích tính toán cụ thể để có được kết quả chính xác.

1.2.2. Ứng dụng phân tích quá trình cháy
Việc phân tích quá trình cháy có vai trò quan trọng trong nghiên cứu động
cơ đốt trong. Thông thường trên các động cơ thử nghiệm của các bệ thử có lắp


6

đặt máy quay phim trong xi lanh để phân tích và ghi lại những hình ảnh diễn ra
trong buồng đốt. Hệ thống phân tích quá trình cháy cho phép ghi nhận dữ liệu
thử nghiệm (bao gồm các thông số trong quá trình cháy: áp suất cháy, nhiệt độ
cháy, diễn biến ngọn lửa trong buồng cháy…) dựa theo cảc góc quay trục khuỷu
lẫn thời gian. Điều đó cho phép chúng ta đánh giá chính xác diễn biến quá trình
cháy có tối ưu hay không, từ đó có những thay đổi tác động trong hệ thống cung
cấp nhiên liệu để hoàn thiện hơn. Điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với những
nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu mới.

Hình 1.3 Diễn biến quá trình cháy trong xy lanh
1.2.3. Ứng dụng phân tích nồng độ các chất trong khí thải của động cơ
Hiện nay tất cả các nước phát triển đều có những quy định hết sức nghiêm
ngặt về thành phần và nồng độ các chất độc hại trong khí thải của động cơ, đặc
biệt là các động cơ đặt trên xe ô tô.
Với xu thế phát triển, dù sớm hay muộn Việt Nam cũng phải có sự quan
tâm đúng mức đến vấn đề này vì mục đích “môi trường và sự phát triển bền
vững”. Thành phần của khí thải phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác
nhau. Trong thực tế rất khó đảm bảo tối ưu đồng thời hai chỉ tiêu: độ độc hại
khí thải và tính kinh tế nhiên liệu của động cơ. Hiện nay người ta quan tâm đến
các chất chính trong khí thải như: CO, CO2, HC, NOx, O2.


7

Hệ thống phân tích khí xả làm cho kết quả thử nghiệm thu được của bệ
thử động cơ mang tính toàn diện và đồng bộ hơn. Nó có ý nghĩa rất lớn trong
việc nghiên cứu nhiên liệu mới, hoàn thiện kết cấu, vận hành sử dụng,... nhằm
mục đích giảm thiểu tác động đến môi trường.
1.3. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỆ THỬ CÔNG SUẤT ĐỘNG
CƠ ĐỐT TRONG TRÊN THẾ GIỚI
Do các bệ thử công suất được ứng dụng rất rộng rãi trong nghiên cứu
thực nghiệm ngành động cơ đốt trong nên trên thế giới đã có một số công trình
nghiên cứu để hoàn thiện tốt hơn thiết bị này, tiêu biểu đó là:
 Năm 2002-2004 Giáo sư Gitano Horizon thuộc Đại học Malaysia
đã chế tạo một bệ thử công suất cho động cơ một xy lanh dành cho động cơ cỡ
nhỏ dành cho xe máy. Trong đó sử dụng nguyên lý của phanh thủy lực để tạo
ma sát và giao tiếp với máy tính qua chuẩn USB bằng card U2802A và
U2355A. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc chế tạo bệ thử như vậy rất phù hợp
cho việc nghiên cứu các động cơ cỡ nhỏ. Sử dụng card giao tiếp chuẩn USB
cho phép giám sát linh hoạt nhiều thông số khác nhau cùng lúc. [17]
 Báo cáo đề tài Nghiên cứu thiết kế khớp nối trục phù hợp với bệ
thử động cơ của Mohd Hasnun Arif Bin Hassan năm 2012 chỉ ra rằng: Trục và
khớp nối giữa động cơ thử nghiệm và bệ thử chịu rất nhiều dao động trong quá
trình thử nghiệm. Nếu kích thước (đường kính trục và chiều dài nối trục) không
phù hợp có thể dẫn đến những kết quả không mong muốn (gãy trục, xoắn trục)
có thể gây hại cho hệ thống thử nghiệm. Một trong những nguyên nhân đó là
nối trục không đáp ứng được đối với mômen động cơ thử nghiệm hoặc do cộng
hưởng dẫn đến những dao động bất thường. Báo cáo cũng cho thấy kích thước
nối trục là tỉ lệ thuận với mômen tối đa của động cơ thử nghiệm nhưng đường
kính trục là thông số quan trọng hơn so với chiều dài trục. Cụ thể, đối với động
cơ có mômen cực đại trong khoảng từ 40 đến 200 Nm có thể sử dụng trục với

8

cùng chiều dài 500 mm, nhưng sự gia tăng đường kính trục phải phù hợp với
mômen tương ứng. Nếu mômen động cơ thử là 40 Nm thì đường kính trục
20mm là phù hợp nhất. [19]
 Báo cáo của Mohammad Sami Ahmad, nghiên cứu về bệ thử động
cơ sử dụng phanh bằng khí với cấu tạo khá đơn giản. Trong đó, một máy nén
khí và bình nén được sử dụng để làm sức cản mômen động cơ. Sức cản của
bình nén và máy nén khí tạo ra tăng theo áp suất trong bình nén nhưng sự gia
tăng này không phải là tuyến tính. Tuy nhiên, trong thực tế loại bệ thử này ít
được sử dụng do đặc điểm khi làm việc tạo ra tiếng ồn lớn và kiểm soát độ
chính xác không cao. Tác giả cũng đề xuất sử dụng phương án này để kiểm tra
hiệu quả của các hộp số trong các bệ thử động cơ có sử dụng hộp số. [18]
1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỆ THỬ CÔNG SUẤT
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG TẠI VIỆT NAM
Tại Việt Nam bệ thử công suất động cơ từ lâu cũng đã được nhiều nhà
nghiên cứu quan tâm đặc biệt là tại các trung tâm nghiên cứu thuộc các trường
đại học, học viện. Tuy vậy, chưa có đơn vị nào thiết kế và chế tạo một bệ thử
công suất động cơ hoàn chỉnh mang tính thương mại hóa có thể cung cấp ra thị
trường mà chủ yếu là các nghiên cứu mang tính cải tiến những bệ thử cũ nhằm
nâng cao khả năng hoạt động của chúng. Một số công trình tiêu biểu nghiên
cứu về bệ thử công suất động cơ trong nước:
 Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng phần mềm LabVIEW trong thí
nghiệm động cơ đốt trong” của Thạc sĩ Đặng Đình Được đã xây dựng được mô
hình thí nghiệm trên bệ thử thủy lực FROUDE. Trong đó, mô hình đã ứng dụng
phần mềm Labview để mô phỏng và ghi nhận các số liệu thực nghiệm một cách
trực quan, dễ dàng theo dõi và xử lý ở các chế độ thực nghiệm khác nhau .[3]
 Đề tài “Nghiên cứu đề xuất giải pháp kỹ thuật sử dụng phanh thủy
lực Dynomite 13 Dual Rotor tại phòng thí nghiệm động cơ bộ môn động lực”

9

của Lê Văn Kiên. Đề tài đã nghiên cứu về phanh thủy lực Dynomite 13 Dual
Rotor và đề xuất giải pháp lắp đặt thêm một hộp tăng tốc độ động cơ thử nghiệm
nhằm tăng khả năng làm việc của phanh đối với những động cơ có số vòng
quay thấp như động cơ tàu thủy. Giải pháp đề xuất đã được triển khai và áp
dụng vào thực tế giúp mở rộng được khả năng đo của phanh thủy lực Dynomite
13 Dual Rotor. [6]
 Đề tài “Nghiên cứu chế tạo bộ đo mômen xoắn dùng cảm biến
biến dạng kết hợp với trục xoắn” của Lê Duy Hưng và Huỳnh Xuân Bình. Đề
tài đã nghiên cứu chế tạo bộ đo công suất động cơ xe máy thông qua trục xoắn
kết hợp với cảm biến biến dạng. Với bộ phận thu nhận và xử lý tín hiệu hoàn
toàn được thực hiện bằng những linh kiện điện tử có sẵn trên thị trường và phần
cơ khí đơn giản phù hợp với điều kiện Việt Nam cho phép làm chủ được công
nghệ trong việc chế tạo sử dụng và bảo dưỡng. Tuy vậy, đề tài nên được tiếp
tục nghiên cứu để hoàn thiện hơn. [8]
1.5. KẾT LUẬN
- Hiện trong nước và trên thế giới đã có nhiều thiết bị đo công suất động
cơ với những kết cấu khác nhau.
- Băng thử công suất động cơ được sử dụng rất rộng rãi trong nghiên cứu
động cơ đốt trong.

-

Đã có nhiều nghiên cứu trong nước và trên thế giới nhằm cải tiến băng

thử công suất động cơ.

10

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
Công suất là thông số đặc trưng cơ bản đặc trưng cho động cơ, nó là chỉ
tiêu quan trọng không phụ thuộc vào công dụng và kiểu loại động cơ. Công
suất có ích là công suất thu được từ đuôi trục khuỷu và có tính quyết định khả
năng sử dụng động cơ để dẫn động máy công tác và hệ thống động lực cụ thể.
Equation Chapter 2 Section 1

N e  m .N i 

Pe .Vh .i.n
30.

(2.1)

Trong đó:
Ne: Công suất có ích (KW);
m: hiệu suất cơ giới;
Pe: Áp suất có ích trung bình (N/m2) ;
Vh: Thể tích công tác của xi lanh (lít);
i: Số xi lanh;
: Số kỳ của một chu trình;
n: số vòng quay của trục khuỷu trong một giây (vòng/giây);
2.1.2. Hiệu suất động cơ
Hiệu suất có ích của động cơ e là tỉ số giữa nhiệt lượng chuyển thành
công có ích chia cho nhiệt lượng cấp cho động cơ do nhiên liệu đốt cháy bên

trong xy lanh tạo ra và được xác định trong cùng một khoảng thời gian (ví dụ
1 giây).

e 

Ne
G nl .Q tk

(2.2)


11

Trong đó:
e - Hiệu suất có ích của động cơ;
Ne - Công suất có ích của động cơ;
Gnl - Lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giây [kg/s];
Qtk - Nhiệt trị thấp của 1 kg nhiên liệu [J/kg];
Như vậy, hiệu suất e thể hiện hiệu quả chuyển hóa từ nhiên liệu thành
công suất đầu ra tại trục khuỷu của động cơ. Trong thực tế để đánh giá hiệu quả
sử dụng nhiên liệu của động cơ người ta còn đánh giá qua lượng tiêu hao nhiên
liệu trên một đơn vị công suất sinh ra trong thời gian 1 giây và được gọi là suất
tiêu hao nhiên liệu.

ge 

G nl
Ne

(2.3)

Thay vào trên ta có thể viết lại biểu thức của e và ge như sau:

ge 

G nl 3 [g/kW.h]
.10
Ne

(2.4)

e 

3,6.103
g e .Q tk

(2.5)

Trong đó, Gnl thường được tính theo kg/giờ; Ne tính theo KW; ge tính
theo g/KW.h; Qtk tính theo MJ/kg.
Ngoài ra còn có một số các chỉ tiêu khác như tuổi thọ và độ tin cậy của
động cơ, khối lượng của động cơ hay kích thước bao của động cơ. Tùy vào
trường hợp khác nhau mà người ta sử dụng chỉ tiêu nào để đánh giá động cơ
cho phù hợp.
2.2. CÁC LOẠI ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ
Đặc tính động cơ là các hàm số thể hiện sự thay đổi của các chỉ tiêu công
tác chính theo các chỉ tiêu công tác khác hoặc theo một nhân tố nào đó có ảnh


12

hưởng trực tiếp đến chu trình công tác. Một số đặc tính quan trọng của động cơ
đốt trong bao gồm:
- Đặc tính tốc độ;
- Đặc tính tải;
- Đặc tính tổng hợp;
- Đặc tính không tải;
- Đặc tính điều tốc;
- Đặc tính chân vịt;
- Đặc tính điều chỉnh.
Trong đó, đối với động cơ ô tô - máy kéo thường sử dụng đặc tính tốc độ
và đặc tính tải để đánh giá. Đối với các đường đặc tính còn lại chỉ là các trường
hợp đặc biệt của đặc tính tốc độ.
Trong thực tế động cơ hoạt động ở nhiều chế độ phức tạp khác nhau, vì
vậy người ta sử dụng đặc tính động cơ để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật ở mỗi
chế độ đó. Muốn phân tích các đường đặc tính của động cơ cần lập mối quan
hệ giữa các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ như công suất có ích Ne, mô
men có ích Me, áp suất có ích trung bình pe, suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge,
lưu lượng nhiên liệu Gnl với các thông số của chu trình như: v, i, m,  …

Ne 

1
Q
.Vh tk k .v .i .m .i.n [W]
30
.LO

(2.6)

Q tk
k .v .i .m
.Lo

(2.7)

pe  pi .m 
Me 

[Pa]

Ne Ne 30 Q tk 1

. 
. .V h .k .v .i .m .i [Nm]

n  .Lo .

ge 

1
Q tk .i .m

(2.8)
(2.9)


13

G nl  g e .Ne 

Vh .i k v
. . .n
30. Lo 

(2.10)

Trong các biểu thức trên n tính bằng vòng/phút, Vh tính bằng m3, k tính
bằng kg/m3, Qtk tính bằng J/kg.
2.2.1. Đặc tính tốc độ
Đặc tính tốc độ động cơ là các hàm số thể hiện sự biến thiên của công
suất Ne, mô men có ích Me, suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge … và các chỉ tiêu
khác của động cơ theo số vòng quay n khi giữ tay điều khiển động cơ ở vị trí
quy định. Đặc tính tốc độ trong đó biểu thị công suất cực đại của động cơ tương
ứng với từng số vòng quay của động cơ gọi là đặc tính ngoài hay đặc tính tốc
độ ngoài. Tất cả các đường đặc tính tốc độ khác khi giữ không đổi vị trí cơ cấu
điều khiển bơm cao áp để công suất động cơ thấp hơn được gọi là đặc tính bộ
phận.
Đường đặc tính tốc độ ngoài
(hay còn gọi là đặc tính ngoài) là các
đường cong công suất Ne, mô men
Me, suất tiêu hao nhiên liệu ge… diễn
biến theo số vòng n (v/ph) của động
cơ ở chế độ toàn tải (mở 100% bướm
ga đối với động cơ xăng hoặc phun
nhiên liệu cực đại đối với động cơ
diezel). Đây là đường đặc tính quan
trọng nhất của một động cơ dùng để
đánh giá các chỉ tiêu công suất (Nemax)

Hình 2.1 Đường đặc tính ngoài
của động cơ.

và tiết kiệm nhiên liệu (gemin) của
động cơ. Cũng nhờ đường đặc tính ngoài này người ta có thể đánh giá được sức


14

kéo của động cơ qua đặc tính mô men (Me), vùng làm việc ổn định của động
cơ và hệ số thích ứng K của nó.
Như vậy có thể thấy đường đặc tình tốc độ ngoài rất quan trọng trong
việc đánh giá các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của động cơ. Trong thực nghiệm,
để xây dựng được đặc tính ngoài của động cơ ta mở bướm ga ở mức 100% (đối
với động cơ xăng) sau đó gây tải cho động cơ. Khi tải càng tăng thì tốc độ động
cơ càng giảm và ta sẽ xác định được công suất của động cơ tương ứng. Với mỗi
cặp số liệu tốc độ động cơ và công suất hay mô men động cơ ta có được một
điểm trên đồ thị đặc tính ngoài của động cơ. Tổng hợp từ nhiều cặp số liệu như
vậy ta sẽ xây dựng được đường đặc tính ngoài của động cơ.
2.2.2. Đặc tính tải
Các động cơ dẫn động máy phát điện, máy nén, bơm nước…phải đáp ứng
đòi hỏi của máy công tác là khi thay đổi tải của máy công tác, tốc độ đông cơ
chỉ được thay đổi trong phạm vi rất hẹp. Vì vậy chất lượng hoạt động của động
cơ ấy được đánh giá theo đặc tính khi không thay đổi tốc độ động cơ. Đặc tính
này gọi là đặc tính tải. Đặc tính tải của động cơ là đồ thị biểu diễn mối quan hệ
giữa các yếu tố công suất Ne, mô men có ích Me hoặc áp suất chỉ thị trung bình
pe làm các thông số đặc trưng cho tải.


15

Hình 2.2 . Đặc tính tải động cơ xăng
a) Động cơ MAZDA – 407 ở n =2000vg/ph, b) Zill – 130.
Đặc tính tải có ý nghĩa quan trọng trong việc để đánh giá các động
cơ kéo máy phát điện hay động cơ làm việc ở số vòng quay không đổi.
2.3. PHƯƠNG PHÁP ĐO CÔNG SUẤT
Ngày nay việc xác định công suất động cơ có khá nhiều phương pháp và
thiết bị nhưng phần lớn đều dựa vào mômen quay và tốc độ quay. Để đơn giản
có thể phân nhóm như sau:
- Phương pháp xác định công suất có ích loại cân bằng.
- Phương pháp xác định công suất có ích loại không cân bằng.
- Phương pháp xác định công suất dùng trong chẩn đoán.
2.1.2. Phương pháp xác định công suất loại cân bằng
Trong phương pháp này động cơ quay một thiết bị mà trục rôto của thiết
bị được nối với trục của động cơ. Stato của thiết bị có dao động ngang được.
Khi động cơ làm việc, nó sản sinh ra một momen xoắn làm cho rôto của thiết
bị quay (tức là hãm lại chuyển động của động cơ) cần có một môi trường trung
gian. Khi rôto tác dụng lên môi trường trung gian làm cho thân (stato) của thiết


16

bị quay theo. Để giữ thân lại, người ta tìm cách tác dụng lên thân một lực
(momen) hãm. Lực (momen) hãm được đo bằng một thiết bị khác gọi là thiết
bị cân lực. Sơ đồ nguyên lí của phương pháp được thể hiện bằng sơ đồ sau:
Động cơ (gây lực
mômen)

Thiết bị gây tải
(cân bằng lực,

mômen)

Thiết bị cân lực

Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi trên các bệ thử của
các nhà máy chế tạo động cơ, các cơ quan nghiên cứu.
2.1.3. Phương pháp xác định công suất có ích loại không cân bằng
Các thiết bị đo kiểu này có một số đặc điểm sau:
Động cơ cần xác định làm quay rôto của thiết bị, còn thân của thiết bị thì
đứng yên, thiết bị này cho ta các thông số trên đồng hồ (vôn kế, ampe kế, áp
kế…) từ đó tính toán ra công suất động cơ. Các thiết bị này không có thiết bị
cân lực kèm theo.
Đây là phương pháp xác định công suất động cơ tại nơi sử dụng. Dùng
trong các loại động cơ công suất nhỏ. Đặc biệt có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh
vực tàu cá.
2.1.4. Phương pháp đo công suất động cơ dùng trong chẩn đoán
a. Đo momen chủ động trên bánh xe
Áp dụng cho các động cơ lắp trên phương tiện vận tải. Sử dụng thiết bị
đo lực phanh trên bánh xe, từ đó tính được momen và công suất động cơ
Sai số chủ yếu của phương pháp là không biết chính xác hiệu suất của
các bộ truyền trên xe cần đo.
b. Phương pháp đo không phanh
Đây là phương pháp đơn giản vì không phải tháo động cơ ra khỏi xe.
Người ta lợi dụng tổn thất cơ giới của các xi lanh không làm việc để làm tải
cho xi lanh. Khi đo thanh răng ở vị trí cực đại (hoặc bướm ga mở hết ), đánh


17

chết các xi lanh dùng làm tải, chỉ để lại một xi lanh làm việc đo tốc độ của động

cơ, thời gian đo chỉ khoảng một phút. Lần lượt thay đổi các xi lanh khác và ghi
kết quả số đo vòng quay.
Công suất của động cơ sẽ được tính theo công thức:

Ne  Nedm 1  N 

(2.11)

Trong đó:
Nedm: Công suất định mức của động cơ theo thiết kế (ml).
N: Độ chênh công suất với động cơ thiết kế (%).
 Đo công suất theo phương pháp gia tốc
Dựa trên nguyên tắc sự thay đổi tốc độ góc của động cơ phụ thuộc vào
công suất động cơ, khi công suất động cơ càng lớn thì gia tốc càng lớn. Thực
chất của dụng cụ đo là thời gian tăng tốc từ tốc độ thấp tới tốc độ định mức khi
tăng tốc đột ngột, chỉ thị sẽ là công suất động cơ.
Thiết bị đo công suất gồm có: cảm biến, khối tính toán chuyển đổi, đồng
hồ hiển thị công suất và số vòng quay, bộ phận điều khiển.
Bộ cảm biến kiểu cảm ứng được gắn vào một lổ trên vỏ hộp bánh đà
động cơ, đối diện với đỉnh răng của bánh răng khởi động và cách một khoảng
2 đến 4(mm). Khi bánh đà quay, trong bộ cảm biến sẽ xuất hiện dòng điện hình
sin có tốc độ xung điện:

f  ns .z

(2.12)

Trong đó:
ns: Số vòng quay trục khuỷu trong một giây.
z: Số răng trên vành răng bánh đà.

Các xung được truyền sang khối tính toán chuyển đổi, ở đây nó được
khuyếch đại và biến đổi thành dòng điện một chiều để đưa vào bộ chỉ thị và đo