Giáo trình thí nghiệm động cơ đốt trong - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Tài liệu giáo trình thí nghiệm động cơ đốt trong cung cấp phương pháp đo đạc, quy trình thử nghiệm và phân tích các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật động cơ.

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Nghĩa
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Động cơ đốt trong
• Đề tài: Thí nghiệm động cơ đốt trong
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan giáo trình thí nghiệm động cơ đốt trong

Giáo trình thí nghiệm động cơ đốt trong do tập thể giảng viên Khoa Công nghệ Ô tô thuộc Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội biên soạn. Tác giả Nguyễn Tuấn Nghĩa đảm nhận vai trò chủ biên cùng sự tham gia của Nguyễn Mạnh Dũng và Phạm Minh Hiếu. Sách do Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật ấn hành. Tài liệu này đóng vai trò nền tảng trong chương trình giảng dạy chuyên ngành cơ khí ô tô. Nội dung sách kế thừa khung kiến thức kỹ thuật tiên tiến và cập nhật thực tế kiểm thử công nghiệp. Cuốn sách cung cấp cơ sở lý thuyết vững chắc cho hoạt động thực hành kỹ thuật. Sinh viên tiếp cận quy trình kiểm tra các thông số làm việc then chốt trên động cơ. Cấu trúc tài liệu trải dài qua tám chương chuyên sâu. Từng chương phân tích từ cấu tạo thiết bị thí nghiệm đến kỹ thuật xử lý dữ liệu đo lường. Sách trang bị kỹ năng vận hành trang thiết bị thử nghiệm hiện đại. Toàn bộ nội dung tập trung nâng cao năng lực khảo sát độc lập cho người học. Giáo trình kết nối hiệu quả lý thuyết cơ bản với thực nghiệm động cơ đốt trong.

1.1. Mục đích biên soạn và đối tượng đào tạo

Giáo trình được thiết kế nhằm đáp ứng chuẩn đầu ra chuyên ngành kỹ thuật ô tô. Tài liệu hướng trực tiếp tới sinh viên hệ đại học và cao đẳng kỹ thuật. Nội dung sách phục vụ mục tiêu chuẩn hóa quy trình thực hành phòng thí nghiệm. Kỹ sư tương lai cần hiểu rõ cách thức đo lường công suất và phát thải. Sách giúp người đọc củng cố kiến thức nhiệt động lực học và nguyên lý động cơ. Quá trình học tập nâng cao tư duy thực nghiệm kỹ thuật. Người đọc nắm vững kỹ thuật giám sát các chế độ vận hành thực tế. Giáo trình còn là tài liệu tham khảo giá trị cho cán bộ nghiên cứu cơ khí động lực.

1.2. Khung chương trình và hệ thống kiến thức

Bố cục tài liệu gồm tám chương giảng dạy theo trình tự logic kỹ thuật. Chương đầu tiên giới thiệu tổng quan trang thiết bị và các đại lượng cơ bản. Các chương tiếp theo đi sâu vào đo lường áp suất và nhiệt độ trong buồng cháy. Kỹ thuật quan sát diễn biến ngọn lửa và phát xạ nhiệt được làm sáng tỏ. Tác giả dành riêng các chương trọng tâm cho việc hiệu chỉnh công suất và tổn hao cơ giới. Chương cuối cùng trình bày phương pháp phân tích thành phần khí thải động cơ. Cấu trúc mạch lạc giúp việc tiếp thu kiến thức diễn ra tuần tự và khoa học. Tài liệu cung cấp nền móng toàn diện cho nghiên cứu động lực học.

II. Thách thức đo lường trong giáo trình thí nghiệm động cơ đốt trong

Quá trình khảo sát động cơ đốt trong luôn đối diện với các rào cản kỹ thuật phức tạp. Môi trường nhiệt độ cao và áp suất biến thiên nhanh tạo thách thức lớn cho thiết bị cảm biến. Tín hiệu thu nhận thường xuyên bị nhiễu do xung cơ khí và rung động từ trục khuỷu. Việc xác định các thông số chu trình công tác đòi hỏi độ chính xác cao. Sai số đo lường nảy sinh từ nhiều nguồn gốc cơ học và quang học khác nhau. Sự ma sát giữa các bề mặt chuyển động của thiết bị đo làm phát sinh sai số trễ. Độ rơ cơ khí và biến dạng đàn hồi trong các khớp nối gây méo mó tín hiệu. Các sai số có quy luật như sai số tỷ lệ hoặc điểm chuẩn có thể dự đoán trước. Ngược lại sai số ngẫu nhiên không có quy luật thường biến đổi thất thường. Sự giao thoa điện từ quanh hệ thống đánh lửa cao áp làm sai lệch xung thời gian. Nếu không kiểm soát tốt các yếu tố bất định dữ liệu thực nghiệm sẽ mất giá trị khoa học. Đo lường chính xác đòi hỏi sự kết hợp đồng bộ giữa cơ cấu chấp hành và thuật toán lọc.

2.1. Phân loại và tác động của sai số đo lường

Sai số trong thí nghiệm động cơ đốt trong được chia thành hai nhóm chính. Nhóm có quy luật bao gồm sai số tỷ lệ, sai số tuần hoàn và sai số điểm không. Sai số tỷ lệ tăng tịnh tiến theo biên độ đại lượng cần khảo sát. Ngược lại sai số điểm chuẩn tạo ra độ lệch cố định trên toàn thang đo. Nhóm sai số không có quy luật xuất hiện ngẫu nhiên qua các chu kỳ thử nghiệm. Nguyên nhân bắt nguồn từ hiện tượng ma sát biến thiên và khe hở cơ cấu. Những sai số này làm biến dạng kết quả đường đặc tính động cơ. Việc nhận diện đúng bản chất sai lệch giúp kỹ sư thiết lập hệ số hiệu chỉnh thích hợp.

2.2. Khó khăn trong kiểm soát nhiệt và tải phanh

Băng thử phanh thủy lực tạo ra lượng nhiệt khổng lồ trong quá trình tải động cơ. Khi vận hành ở chế độ mômen cao, ma sát chất lỏng làm nước nóng nhanh chóng. Nếu nhiệt độ nước làm mát vượt ngưỡng bảy mươi độ C, phanh dễ bị xâm thực bọt khí. Hiện tượng này làm sụt giảm khả năng cản và gây mất ổn định mômen tải. Ngoài ra việc cân bằng dòng nước vào và ra đòi hỏi thao tác van chính xác. Thao tác điều khiển bằng tay thường có độ trễ lớn so với biến thiên tải thực tế. Kiểm soát nhiệt kém sẽ phá hỏng thiết bị và làm sai lệch chỉ số tiêu hao nhiên liệu.

III. Phương pháp chuẩn hóa theo giáo trình thí nghiệm động cơ đốt trong

Giáo trình đưa ra các giải pháp kỹ thuật bài bản nhằm khắc phục sai số và ổn định phép đo. Hệ thống băng thử hiện đại sử dụng các chế độ điều khiển tự động tiên tiến. Kỹ thuật viên áp dụng chế độ giữ tốc độ không đổi hoặc giữ mômen không đổi. Khi khảo sát chế độ tốc độ cố định, băng thử tự động điều tiết mômen cản theo độ mở bướm ga. Đối với phanh thủy lực, lưu lượng cấp và thoát nước được cân bằng liên tục để giữ nhiệt dưới bảy mươi độ C. Chuỗi xử lý tín hiệu ứng dụng cảm biến áp điện kết hợp bộ khuếch đại điện tích sơ bộ. Tín hiệu tương tự được đưa qua bộ biến đổi A/D với tốc độ lấy mẫu chuẩn hóa. Xung đánh dấu chu trình và xung thời gian bảo đảm đồng bộ hóa góc quay trục khuỷu. Cơ cấu máy đo quang học được ưu tiên nhằm loại trừ ma sát cơ khí. Quy trình hiệu chuẩn điểm không được thực hiện trước mỗi ca làm việc. Mọi thao tác thu thập dữ liệu đều tuân thủ các quy tắc bảo vệ nhiệt động học nghiêm ngặt.

3.1. Kỹ thuật điều khiển chế độ tải trên băng thử

Băng thử điện và phanh thủy lực hỗ trợ thiết lập chế độ vận hành ổn định. Ở chế độ tốc độ không đổi, bộ điều khiển tự động can thiệp vào cuộn kích từ hoặc van nước. Khi người vận hành tăng nhiên liệu, mômen cản sẽ tự động tăng theo để khóa cứng vận tốc vòng quay. Ngược lại ở chế độ mômen không đổi, tải phanh giữ nguyên giá trị đặt trước. Khi đó sự thay đổi lượng cung cấp nhiên liệu chỉ làm dịch chuyển tốc độ trục khuỷu. Thao tác điều khiển phanh nước bằng tay yêu cầu điều chỉnh nhịp nhàng van cấp và van xả. Tỷ lệ lưu lượng ổn định giúp mức nước trong phanh phản ánh chính xác phụ tải.

3.2. Thu thập và số hóa tín hiệu từ xilanh

Đo áp suất khí thể đòi hỏi chuỗi thu thập dữ liệu có tốc độ đáp ứng rất cao. Cảm biến thạch anh gắn trực tiếp trên nắp máy tiếp nhận biến thiên áp suất trong buồng cháy. Tín hiệu điện tích rất nhỏ được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp qua bộ khuếch đại. Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số A/D thực hiện số hóa liên tục. Bộ tạo xung thời gian phát tần số chuẩn để định vị vị trí góc quay trục khuỷu. Xung đánh dấu điểm chết trên chu trình xác lập mốc thời gian tuyệt đối. Dữ liệu số hóa được lưu vào bộ nhớ máy tính để vẽ đồ thị công chỉ thị. Quy trình này triệt tiêu độ trễ cơ học của các cơ cấu chỉ thị truyền thống.

IV. Ứng dụng thực tiễn của giáo trình thí nghiệm động cơ đốt trong

Giáo trình thí nghiệm động cơ đốt trong mang lại giá trị thực tiễn sâu rộng cho đào tạo và nghiên cứu. Nội dung sách là kim chỉ nam cho sinh viên hoàn thành các đồ án chuyên ngành ô tô. Kiến thức thực nghiệm giúp kỹ sư tương lai làm chủ thiết bị kiểm định động cơ công nghiệp. Người học có khả năng tự xây dựng đường đặc tính tốc độ và đặc tính tải ngoài. Kết quả đo đạc chính xác cung cấp luận cứ tối ưu hóa hiệu suất nhiệt và lượng phát thải. Các trung tâm đăng kiểm và xưởng thiết kế cơ khí tận dụng tài liệu để huấn luyện nhân lực. Quy trình phân tích khí thải trong sách đáp ứng sát sao tiêu chuẩn bảo vệ môi trường hiện hành. Tài liệu thúc đẩy phương pháp tiếp cận kỹ thuật dựa trên dữ liệu định lượng cụ thể. Đội ngũ kỹ sư cơ khí nâng cao năng lực chẩn đoán hư hỏng động cơ phức tạp. Cuốn sách khẳng định vị thế của Đại học Công nghiệp Hà Nội trong đào tạo kỹ thuật giao thông vận tải.

4.1. Đào tạo kỹ sư cơ khí ô tô thực hành

Giáo trình thu hẹp khoảng cách giữa giảng đường và môi trường công nghiệp thực tế. Sinh viên trực tiếp thao tác trên các băng thử phanh thủy lực và phanh điện. Kỹ năng thiết lập điểm đo, căn chỉnh cảm biến và ghi chép số liệu được rèn luyện bài bản. Học viên biết cách phát hiện sai số và xử lý các biến động nhiệt độ phanh bất thường. Việc đọc đồ thị chỉ thị và phân tích tổn thất cơ giới trở thành kỹ năng thuần thục. Năng lực làm việc độc lập trong phòng thử nghiệm giúp sinh viên tốt nghiệp tự tin tiếp cận công nghệ cao tại các nhà máy ô tô.

4.2. Nghiên cứu cải tiến và chuyển giao công nghệ

Tài liệu là công cụ hỗ trợ đắc lực cho các đề tài nghiên cứu khoa học chuyên sâu. Giảng viên và nghiên cứu sinh sử dụng phương pháp chuẩn để đánh giá phụ gia nhiên liệu mới. Việc thử nghiệm nhiên liệu sinh học hoặc khí hydro đòi hỏi độ chính xác cao về tỷ lệ phát thải. Dữ liệu áp suất buồng cháy từ thí nghiệm cung cấp thông số đầu vào cho mô phỏng CFD. Các cơ sở công nghiệp chế tạo máy có thể tham khảo quy trình đo để nghiệm thu động cơ xuất xưởng. Giáo trình tạo cầu nối vững chắc giữa nghiên cứu học thuật và sản xuất công nghiệp ô tô.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Cuốn Giáo trình Thí nghiệm Động cơ đốt trong do Nguyễn Tuấn Nghĩa chủ biên, cùng các tác giả Nguyễn Mạnh Dũng và Phạm Minh Hiếu biên soạn, được Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật phát hành. Tài liệu được xây dựng dựa trên đề cương môn học thực tế tại Khoa Công nghệ Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, đồng thời kế thừa nội dung đào tạo từ các trường đại học và cao đẳng kỹ thuật. Môn học giữ vị trí chuyên ngành cốt lõi trong chương trình đào tạo kỹ sư công nghệ kỹ thuật ô tô và động cơ nhiệt, kết nối kiến thức lý thuyết chu trình công tác với kỹ thuật thực nghiệm trên băng thử.

Mục tiêu học tập của giáo trình nhằm trang bị cho người học phương pháp luận và nguyên lý vận hành thiết bị để xác định các đại lượng đặc trưng cho quá trình làm việc, chu trình công tác của động cơ đốt trong. Nội dung phục vụ công tác kiểm tra, điều chỉnh, nghiệm thu sản phẩm tại các nhà máy cơ khí, cũng như đáp ứng yêu cầu nghiên cứu phát triển kết cấu, quá trình cháy, quá trình truyền nhiệt và nhiệt động học tại các viện nghiên cứu và trường đại học.

Về cấu trúc, giáo trình được thiết kế theo tiến trình logic từ tổng quan thiết bị phòng thử nghiệm, cơ sở đo lường kỹ thuật, phương pháp thu thập dữ liệu tự động cho đến các kỹ thuật đo lường chuyên sâu trong xilanh (áp suất, nhiệt độ, hình ảnh quang học) và phân tích khí xả. Điểm đặc sắc của tài liệu là sự tích hợp sâu giữa cơ sở lý thuyết đo đạc với các công nghệ thực nghiệm hiện đại, bao gồm việc sử dụng động cơ thí nghiệm Ricardo buồng cháy trong suốt, hệ thống thu thập dữ liệu PCI tốc độ cao và các tổ hợp điều khiển tự động như TEXCEL 50 của Print & Partner hoặc băng thử dynamic của AVL.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Cấu trúc giáo trình bao gồm các chương trọng tâm được xây dựng theo hệ thống mục lục chuyên môn:

• Chương 1: Thiết bị và các thông số cần đo: Trình bày mục đích thí nghiệm; phân loại đại lượng đo (thông số làm việc như tốc độ vòng quay $n$, công suất $N_e$, mômen $M_e$, lượng tiêu hao nhiên liệu $G_{nl}$, góc phun/đánh lửa sớm $\theta$; thông số chu trình như áp suất chỉ thị trung bình $P_i$, công suất chỉ thị $N_i$); thiết kế phòng thử nghiệm (phòng thử, phòng điều khiển, phòng trang bị); động cơ nghiên cứu Ricardo một xilanh xăng và diesel; nguyên lý các loại phanh (phanh điện một chiều, xoay chiều, phanh cảm ứng, phanh thủy lực); hệ thống điều khiển tự động TEXCEL 50 và AVL; card ghi dữ liệu PCI, bộ chuyển mạch và bộ biến đổi A/D.
• Chương 2: Quá trình đo lường kỹ thuật: Khái quát lịch sử đo lường (Toricelli năm 1642, Fahrenheit năm 1709); phân loại thí nghiệm (giao máy, cải tiến, nghiên cứu, giảng dạy); phương pháp cảm thụ (liên tục, gián đoạn, tương đương, số lượng); phương pháp truyền tín hiệu (cơ học, thủy lực/chân không trong giới hạn 200 m, điện, quang học); phương pháp hiển thị (chỉ trực tiếp và cân bằng); nguyên lý chọn máy đo và đánh giá sai số.
• Chương 3: Đo áp suất khí thể trong xilanh: Nguyên lý cảm biến áp điện (piezoelectric), cảm biến quang học (fiber optic); kỹ thuật biến đổi tín hiệu điện áp sang áp suất tuyệt đối; phân tích đặc tính động cơ xăng và diesel qua đồ thị công và tốc độ tỏa nhiệt.
• Chương 5: Đo nhiệt độ khí thể trong xilanh: Phương pháp bức xạ đơn sắc, nhiệt kế hai màu và phương pháp đo dựa trên tốc độ âm thanh.
• Chương 6: Quan sát quá trình cháy trong xilanh: Kỹ thuật buồng cháy trong suốt qua đỉnh pittông, thành xilanh, nắp máy; chụp ảnh tốc độ cao; công nghệ nội soi sợi quang; hệ thống phân tích hình ảnh lớp (TCA) và hệ thống 513D.
• Chương 7: Hiệu chỉnh công suất và đo tổn hao cơ giới: Quy chuẩn hiệu chỉnh công suất động cơ; xác định tổn thất ma sát bằng phương pháp tắt từng xilanh, đo công suất kéo và phương pháp đường Willans.
• Chương 8: Phân tích khí: Kỹ thuật lấy mẫu khí một phần, toàn phần; các phương pháp phân tích khí bằng hóa học, lý học và lý hóa.

Tiến trình nội dung đi từ việc thiết lập hạ tầng phòng thí nghiệm và lý thuyết đo tổng quát, tiến tới các phép đo đại lượng nhiệt động biến thiên nhanh trong buồng cháy, và kết thúc bằng việc đánh giá cân bằng năng lượng cơ giới cùng thành phần khí thải.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình củng cố nền tảng cơ học và nhiệt động lực học thông qua các mô hình toán học và vật lý ứng dụng:

• Nguyên lý cân bằng mômen lực trên thiết bị phanh: xác định mômen động cơ thông qua phản lực trên cảm biến lực $M = F \cdot l$ và công suất cản $N = M \cdot \omega$.
• Quy luật thủy động lực học của phanh nước: mômen cản phụ thuộc vào kích thước và vận tốc theo quan hệ $M = k \cdot d^5 \cdot \gamma \cdot n^2$, cùng công thức cân bằng nhiệt lượng làm mát $N_{max} = \frac{m_h \cdot C \cdot \Delta t}{860}$.
• Cơ sở lý thuyết xử lý tín hiệu: quá trình số hóa tín hiệu liên tục qua bộ biến đổi A/D (thang đo 0–10 V tương ứng 0–256 bit), cơ chế giữ giá trị (sample-and-hold), cùng mối quan hệ giữa góc quay trục khuỷu và chu kỳ công tác (1 xung trên 2 vòng quay trục khuỷu đối với động cơ bốn kỳ).
• Lý thuyết sai số thực nghiệm: phân định bản chất giữa sai số hệ thống (do máy đo, môi trường, phương pháp; có thể hiệu chỉnh) và sai số ngẫu nhiên (do ma sát cơ cấu, dao động không kiểm soát; khắc phục bằng phương pháp thống kê lặp lại).

Kỹ năng phát triển

Người học được rèn luyện các kỹ năng thực nghiệm chuyên sâu:

• Kỹ năng kỹ thuật: Vận hành các dòng phanh tải (phanh điện, phanh thủy lực); lắp đặt các đầu đo tốc độ vòng quay kiểu cảm ứng điện từ, cảm biến Hall và tế bào quang điện; thiết lập cảm biến áp điện và đầu đo quang học trực tiếp trên nắp máy.
• Kỹ năng phân tích: Phân tích đồ thị áp suất chỉ thị $P-\varphi$ để đánh giá tốc độ tỏa nhiệt và xác định góc đánh lửa/phun sớm $\theta$; tính toán sai số tĩnh học và động học của dụng cụ đo dựa trên các mốc thời gian phản ứng ($T_t$, $T_h$, $T_{90}$).
• Kỹ năng thực hành: Lập trình chu trình thử nghiệm tự động trên các giao diện máy tính; điều chỉnh cân bằng lưu lượng và nhiệt độ nước làm mát phanh nhằm đảm bảo nhiệt độ làm việc dưới $55^\circ\text{C}$ hoặc $70^\circ\text{C}$.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình sử dụng phương pháp tiếp cận sư phạm thực nghiệm kỹ thuật, kết hợp giữa việc phân tích nguyên lý chuyển đổi vật lý của cảm biến với quy trình vận hành trực tiếp trên các hệ thống thử nghiệm tiêu chuẩn. Người học được yêu cầu gắn các khái niệm đo lường trừu tượng vào hoạt động vận hành cụ thể tại phòng thử nghiệm và phòng điều khiển.

Về bài tập và tình huống thực hành, tài liệu cung cấp các bài toán tính toán kỹ thuật cụ thể:

• Tính toán cân bằng nhiệt và khối lượng nước lưu thông qua phanh thủy lực dựa trên công suất thử nghiệm cực đại.
• Quy trình thao tác duy trì chế độ tốc độ không đổi: ví dụ thực nghiệm duy trì tốc độ động cơ ở mức 2000 vg/ph khi dải mômen biến thiên từ 50 Nm đến 100 Nm thông qua thao tác phối hợp giữa độ mở bướm ga và điều chỉnh van nước vào/ra của phanh thủy lực.
• Xác định tần số lấy mẫu của hệ thống ghi dữ liệu: bài toán xử lý đồng thời 8 tín hiệu cảm biến ở tốc độ 4000 vg/ph với bước dịch chuyển 0,5 độ góc quay trục khuỷu, đòi hỏi tốc độ xử lý của card thu nhận đạt 384.000 lần/giây.

Phương pháp đánh giá kết quả học tập tập trung vào năng lực xử lý số liệu thực nghiệm, kỹ năng phân loại sai số (nhận diện sai số tỷ lệ, sai số tuần hoàn, sai số điểm chuẩn) và khả năng phân tích đồ thị công để tìm ra công suất chỉ thị $N_i$.

Đối với hoạt động tự học, giáo trình đưa ra các nguyên tắc lựa chọn thiết bị nghiêm ngặt: chỉ sử dụng máy đo có cấp chính xác phù hợp (từ 1,0–4 cho thí nghiệm thông thường; 0,2–0,5 cho nghiên cứu chuyên sâu), bố trí giá trị đo tối đa nằm trong khoảng 75% thang đo của thiết bị, và tối ưu hóa giải pháp đo theo mục tiêu kinh tế kỹ thuật mà không làm phức tạp hóa hệ thống quá mức cần thiết.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

So với các tài liệu thí nghiệm cơ học truyền thống vốn phụ thuộc vào các thiết bị chỉ thị kim hoặc áp kế cơ khí, giáo trình cập nhật toàn diện các công nghệ đo lường điện tử và quang học ứng dụng trong kỹ thuật động cơ đốt trong:

• Tích hợp công nghệ cảm biến hiện đại: Giới thiệu kỹ thuật đo áp suất tức thời trong xilanh bằng cảm biến áp điện (piezoelectric) và cảm biến sợi quang (fiber optic), cho phép thu nhận tín hiệu ở môi trường nhiệt độ và áp suất khắc nghiệt với độ nhạy cao.
• Ứng dụng kỹ thuật chẩn đoán quang học: Phân tích giải pháp quan sát quá trình hình thành hỗn hợp và màng lửa qua động cơ Ricardo có buồng cháy trong suốt (đỉnh pittông thạch anh kết hợp gương phản xạ, xilanh và nắp máy trong suốt). Đồng thời, tài liệu cập nhật xu hướng thay thế cửa sổ quang học lớn bằng đầu nội soi sợi quang học siêu nhỏ dẫn tín hiệu tới máy ảnh kỹ thuật số, hạn chế hiện tượng bám muội than khi thử nghiệm với nhiên liệu diesel.
• Khai thác hệ thống phân tích hình ảnh chuyên dụng: Đưa vào nội dung hệ thống phân tích quá trình cháy bằng phép chụp ảnh theo lớp (TCA) và hệ thống nghiên cứu hình ảnh 513D (bao gồm cấu trúc phần cứng và phần mềm chuyên dụng).
• Kết nối thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn: Giới thiệu hệ thống phần cứng và phần mềm điều khiển băng thử TEXCEL 50 của hãng Print & Partner (Anh) và các hệ thống phanh dynamic của AVL (Áo), cho phép lập trình kiểm soát tự động các chế độ thử quá độ (tăng, giảm tải hoặc tốc độ đột ngột) với các tần số ghi 0,1 Hz, 1 Hz hoặc 10 Hz.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình được biên soạn phục vụ các nhóm đối tượng cụ thể trong hệ thống đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật:

• Sinh viên đại học và cao đẳng: Sinh viên năm thứ 3 và năm thứ 4 thuộc ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Chuyên ngành Động cơ đốt trong. Tài liệu cung cấp cơ sở để thực hiện các bài thí nghiệm chuyên ngành, làm đồ án tốt nghiệp và nghiên cứu hoàn thiện kết cấu động cơ.
• Yêu cầu kiến thức tiên quyết: Để tiếp thu tốt nội dung, người học cần hoàn thành các học phần nền tảng bao gồm: Lý thuyết Động cơ đốt trong, Nhiệt động lực học kỹ thuật, Cơ học chất lưu, Kỹ thuật đo lường điện - điện tử và Lý thuyết điều khiển tự động.
• Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chính khóa, định chuẩn quy trình hướng dẫn thực hành tại các phòng thí nghiệm động cơ, cũng như thiết lập các kịch bản thử nghiệm tự động trên hệ thống băng thử.
• Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật: Tài liệu có giá trị tham khảo cho kỹ sư vận hành tại các trung tâm thử nghiệm, nhà máy sản xuất lắp ráp ôtô - xe máy để phục vụ công tác kiểm tra xuất xưởng (thí nghiệm giao máy), cải tiến động cơ hoặc đánh giá chất lượng sản phẩm sau đại tu.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu được biên soạn phục vụ sinh viên đại học, cao đẳng kỹ thuật chuyên ngành Động cơ đốt trong, Công nghệ Kỹ thuật Ô tô; đồng thời là tài liệu tham khảo cho giảng viên và kỹ sư thực hành tại các nhà máy cơ khí, trạm thử nghiệm động cơ.

2. Cần kiến thức nền nào để học?

Người học cần nắm vững kiến thức về kết cấu và nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong, nhiệt động học, truyền nhiệt, cơ sở kỹ thuật đo lường đại cương và kỹ thuật điện - điện tử cơ bản.

3. Điểm khác biệt với giáo trình khác?

Tài liệu tập trung chuyên sâu vào kỹ thuật thực nghiệm hiện đại: phân tích tín hiệu áp suất buồng cháy theo góc quay trục khuỷu, công nghệ buồng cháy trong suốt Ricardo, hệ thống nội soi quang học, cùng hệ thống điều khiển băng thử tự động AVL và TEXCEL 50.

4. Làm sao để tự học hiệu quả?

Cần kết hợp nghiên cứu lý thuyết đo lường sai số ở Chương 2 với sơ đồ bố trí cảm biến và hệ thống phanh ở Chương 1; thực hành giải các bài toán cân bằng mômen, tính toán sai số truyền tín hiệu và phân tích các đồ thị chỉ thị mẫu được cung cấp trong sách.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo?

Nội dung giáo trình gắn liền với danh mục 173 trang tài liệu tham khảo kỹ thuật, các tài liệu hướng dẫn vận hành thiết bị đo chuyên dụng của các nhà sản xuất như Print & Partner, AVL và tài liệu phần mềm phân tích hình ảnh 513D.

---

Kết luận

Cuốn Giáo trình Thí nghiệm Động cơ đốt trong của tập thể tác giả Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội thiết lập một hệ thống kiến thức hoàn chỉnh về phương pháp luận và kỹ thuật thực nghiệm đo lường động cơ. Giá trị cốt lõi của tài liệu nằm ở việc kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết kỹ thuật đo lường, quy chuẩn đánh giá sai số với việc vận hành các trang thiết bị băng thử hiện đại. Lộ trình học tập đề xuất cho người học là tiếp cận tuần tự từ nguyên lý vận hành hệ thống phòng thử, nắm vững bản chất sai số đo, làm chủ các kỹ thuật thu thập dữ liệu bằng card số hóa, và tiến tới phân tích chuyên sâu các hiện tượng nhiệt động trong buồng cháy. Cùng với danh mục tài liệu tham khảo chuyên ngành tại trang 173, cuốn sách là tài liệu học thuật định chuẩn cho công tác đào tạo và nghiên cứu động cơ đốt trong.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 THIẾT BỊ VÀ CÁC THÔNG sô CẦN ĐO 1. G IỚ I TH IỆU CHUNG 1. M ục đích thí nghiệm động cơ đốt trong Mục đích của việc thí nghiệm động cơ đốt trong là nhằm xác định các đại lượng đặc trưng cho quá trình làm việc cũng như các thông số đặc trưng cho chu trình công tác của động cơ và các đại lượng liên quan. Qua đó để đánh giá các chi tiêu kinh tế kỹ thuật chung cùa động cơ phục vụ sàn xuất hoặc để đánh giá tính hoàn thiện về kết cấu của các cụm, hệ thống phục vụ công tác nghiên phát triển động cơ.

Các cơ sở nghiên cứu và sản xuất cỏ các mục đích thí nghiệm khác nhau. Việc thí nghiệm động cơ ở các nhà máy sản xuất chủ yếu là đê phục vụ việc kiểm tra, điều chinh động cơ sau lắp ráp và nghiệm thu hoặc phục vụ việc thiết kế cải tiến. Nó giúp nhà máy đánh giá được chất lượng động cơ xuât xưởng hoặc đánh giá được thành quả của công việc nghiên cứu cải tiên áp dụng vào sản xuất. Ở các cơ quan nghiên cứu và giảng dạy, việc thí nghiệm động cơ ngoài việc để đánh giá các chi tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ như ở các cơ sờ sản xuất, còn phải nghiên cứu sâu hơn về các vân đê liên quan nhu quá trình cháy, quá trình truyền nhiệt, nhiệt động học, thuỳ khí động học.

trong động cơ để phục vụ mục đích nghiên cứu, hoàn thiện và phát triên động cơ. Trang thiết bị sử dụng đòi hỏi phải phong phú và chính xác hơn các phòng thí nghiệm của các cơ sở sản xuất. Các đại lượng cần đo trong thí nghiệm động cơ đốt trong Các đại lượng cần đo trong thí nghiệm động cơ đốt tronẹ khó có thể kệ hết vì nó phụ thuộc vào mục đích của các thí nghiệm, có thê liệt kê một sô đại lượng như sau: 9 1. Các đại lượng cơ bản tối thiểu • Các đại lượng đặc trưng cho chế độ làm việc của động cơ: Tốc độ vòng quay n Công suất và mômen có ích, Ne, Me hoặc áp suất có ích trung bình Pe Lượng tiêu hao nhiên liệu và không khí G„I, Gkk Góc phun sớm hay góc đánh lửa sớm (Ọ Nhiệt độ của dầu, nước, khí nạp và khí xả Thành phần khí xả.

• Các đại lượng đặc trưng cho chu trình công tác: Áp suất chi thị trung bình P i và công suất chi thị Ni, haichi tiêu này được xác định từ đồ thị công. Các thông số để xác định tổn thất gồm: nhiệt độ và lưu lượng nước, dầu, khí xả; thành phần khí xả, lượng tiêu hao dầu. Các đại lượng liên quan đến sự làm việc của các chi tiết, hệ thống Đây là các đại lượng đặc trưng cho sự làm việc của riêng các chi tiết, cụm và hệ thống nhưng có ảnh hường đến các thông số làm việc của động cơ, ví dụ độ phun tơi và sự hoà trộn nhiên liệu với không khí, chuyển động rối của khí trong xilanh, tốc độ lan tràn màng lửa. và các tín hiệu của các cảm biến điện tử.

Tuỳ theo mục đích chuyên sâu nghiên cứu mà người ta có thể phải xác định đánh giá các đại lượng trên để nghiên cứu hoàn thiện động cơ. Tuỳ theo mục đích của các thí nghiệm cụ thể và kinh phí sẵn có cho thí nghiệm mà người ta có thể chọn các trang thiết bị cần thiết để có thể xác định được các đại lượng yêu cầu. Các phần tiếp sau sẽ giới thiệu tổng quát về các trang thiết bị dùng trong thí nghiệm nghiên cứu phát triền động cơ đốt trong. PHÒNG THÍ NGHIỆM ĐỘNG c ơ ĐỐT TRONG Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong hiện đại thường được bố trí gồm phòng thừ (phòng đặt bãng thừ, động cơ và một số thiết bị đo), phòng điều khiển và phòng trang thiết bị phụ, hệ thống và vật tý phục vụ thí nghiệm nhý hệ thống cung cấp nước, làm mát nước và tuần hoàn nước phục vụ thí nghiệm, kho chứa nhiên liệu, khí mẫu.

10 J ' L_ c U "' ^ Engine d p Engine □ ữ -L Hình 1.1: Sơ đồ bổ tri phòng thi nghiệm động cơ gồm hai phòng thử và phòng điểu khiển 1. Phòng th ử nghiệm Phòng thử nghiệm là phòng bố trí động cơ thừ và băng thử động cơ cùng các thiết bị đo. Diện tích và không gian phòng thừ cũng như việc bố trí chung phụ thuộc vào công suất, kích thước băng thừ (gồm động cơ và cơ cấu phanh) và đảm bảo bố trí các hệ thống sau: Hệ thống cung cấp và tuần hoàn nuớc Hệ thống cung cấp nhiên liệu Hệ thống thông gió Ket cấu tiêu âm và cách âm Hệ thống xả khí thải cùa động cơ Không gian đủ để tháo lắp, gá đặt động cơ Thiết bị nâng hạ và vận chuyển động cơ ra, vào Hệ thống chiếu sáng Hệ thống an toàn cháy nổ và an toàn vận hành Các thiết bị và dụng cụ đo Và một số thiết bị và hệ thống phụ trợ khác. Phòng điều khiển Phòng điều khiển là nơi cán bộ thí nghiệm thực hiện các nhiệm vụ: - Điều khiển động cơ và các hệ thống trong quá trình thử nghiệm Đọc, ghi và lưu giữ các dữ liệu thừ nghiệm - Xử lý kết quả sau thử nghiệm Bàn bạc, thảo luận về các vấn đề liên quan đến việc nghiên cứu, thử nghiệm.

Chính vi vậy, phòng điều khiển được ngăn cách với phòng thử qua cửa sổ kính để dễ quan sat, theo dõi tình hình làm việc của động cợ và các hệ thống thiết bị trong phòng thử trong quá trình thử nghiệm, phòng điều khiển cũng được cách âm tot với phòng thừ và được điều hoạ nhiệt độ, độ ẩm để duy trì điêu kiện làm việc tốt chò ngươi vận hành và các thiết bị điều khiển. Phòng điều khiển cũng là nơi lấp đặt các thiết bị điện tử điềụ khiển, thiết bị đo, thiết bị phân tích khí, các máy vi tính phục vụ hệ thống điều khiển, đo và ghi dữ liệu thí nghiệm và phục vụ cán bộ thí nghiệm thực hiện nhiệm vụ của mình. Phòng trang bị phục vụ Phòng trang bị phục vụ gồm phòng kho và phòng chuẩn bị cho việc thí nghiệm như kho vật tư, kho mẫu, nhiên liệu, nơi bảo dưỡng động cơ và thực hiện các việc khác trước khi thí nghiệm. ĐỘNG C ơ THÍ NGHIỆM Trong các thí nghiệm cải tiến và thí nghiệm nghiệm thu của các cơ sờ sản xuất thì động cơ thí nghiệm là các động cơ vừa được sản xuất hoặc sửa chữa để kiểm tra, đánh giá tình trạng kinh tế kỹ thuật và chất lượng cùa bản thân sản phẩm.

Trong thí nghiệm nghiên cứu và phát triển động cơ đốt trong, động cơ thí nghiệm là các động cơ chuyên dùng phục vụ công tác nghiên cứu. Các động cơ này cho phép thay đổi một số kết cấu một cách dễ dàng để đáp ứng các yêu cầu và mục đích thí nghiệm khác nhau, ví dụ cho phép thay đổi tỳ số nén hoặc cho phép dễ dàng lắp đặt các thiết bị đo các thông số hoặc thiết bị quan sát chụp ảnh diễn biến các hiện tượng xảy ra bên trong xilanh. Các động cơ thí nghiệm thường dùng là các động cơ một xilanh để có thể điều chinh tối ưu một cách dễ dàng trong thí nghiệm. Các động cơ nhiều xilanh chi đuợc sử dụng khi cần nghiên cứu các vấn đê liên quan đên môi liên hệ giữa các xilanh và sự ảnh hưởng qua lại giữa chúng, ví dụ ma sát mài mòn, sự phân bố nhiên liệu và không khí giữa các xilanh, và các vân đê liên quan đến đường ống nạp ống thải.2 giới thiệu các động cơ một xilanh kiểu Recardo loại xăng (hình bên trái) và loại diesel (hình bên phải) chuyên dùng cho thí nghiệm nghiên cứu.

Các động cơ này có kết cấu đơn giản và có thể thay đổi ket cấu hoặc các chi tiết một cách dễ dàng tuỳ theo yêu cầu và mục đích thí nghiệm. Ví dụ, hộp trục khuỳu và cơ câu khụỷu trục - thanh truyên của động cơ thường không thay đôi, muôn thay đoi tỷ số nện chi cần tăng chiều dày đẹm giữa họp trục khuyu và thân xilanh. Các chi tiết pittông, xilanh và nắp máy cũnệ có thể được tháy đổi vê kích thước cũng như hình dạng đê đáp ứng yêu câu một sô thí nghiệm nghiên cứu đặc biệtT Hình 1.2: Động cơ Recardo chuyên dùng cho thi nghiệm nghiên cừu, động cơ xăng (trái) và động cơ diesel (phải) Hệ thống cung cấp nhiên liệu, nắp máy, kết cấu và hình dạng buồng cháy cũng như các đường ổng nạp thải cũng có thể được được thaỵ đổi một cách dễ dàng khi thí nghiệm yêu cầu. Với động cơ xăng có thê thay đôi đường ông nạp đê sử dụng hệ thốnẹ phun xăng hay bộ chế hoà khí.

Còn đôi với động cơ diesel, khi nghiên cứu ve các phương pháp tạo hỗn hợp thì cũng có thể thay đổi hệ thống bom cao áp, vòi phun, hình dạng buông cháy theo yêu câu nghiên cứu. Để nghiên cứu sự hình thành hỗn hợp và quá trình cháy trong xilanh động cơ, một phương pháp hiệu quả là quan sát chụp ảnh được diễn biến các quá trình đó. Điều nay được thực hiện trong động cơ thí nghiệm có thành buồng cháy 13 trong suốt. Có thể làm một phần cùa pittông, xilanh, hoặc nắp máy bằng vật liệu trong suốt, hoặc có thể hai hoặc cà ba chi tiêt trên băng vật liệu trọng suột tuỳ theo yêu cầu thí nghiệm.4 dưới đây giới thiệu một sô kêt cấu thanh buong cháy bằng vật liệu trong suốt như đã nói để phục vụ nghiên cứu các quá trình xảy ra bên trong xilanh.

Hình 1,3a giới thiệt kết cấu để quan sát buồng cháy qua đinh pittông bằng vật liệu trong suốt. Kết cấu này thường áp dụng cho động cơ bốn kỳ có xupap treo trển nắp máy không thể bo trí cửa quan sát qua nắp máy được. Pittông được kéo dài tạo idiông gian để có thể đặt cố định một gựơng phản chiếu bên dưới đinh pittông bằng vật liệu trong suốt. Bức xạ từ buồng cháy được truyền qua đỉnh pittông đến gương phản chiếu và sau đó đên thiêt bị chụp ảnh tôc độ nhanh đặt ở bên ngoài.

Kết cấu này có nhược điểm là khối lượng pittông tăng làm tăng lực quán tính tịnh tiến của pittông và cửa sô trong suôt nhanh bị bân mờ nên thời gian thí nghiệm bị hạn chế. xảy ra bên trong xilanh Hình 1.4b là kết cấu giúp quan sật buồng cháy qua thành xilanh. Trong trường hợp này nêu buông cháỵ có phần nằm trên đinh pittông thì một phần đinh pittông và xilanh bao buông cháy được làm bằng vật liệu trong suốt để có thể quan sát qụá trình tạo hỗn hợp và cháy qua thành xilanh.