Luận văn thạc sĩ: Thiết kế thí nghiệm cân bằng nhiệt động cơ đốt trong

Nghiên cứu thiết kế thí nghiệm cân bằng nhiệt động cơ đốt trong. Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, quy trình và kết quả thí nghiệm thực tế.

• Tác giả: Tăng Văn Thăng
• Người hướng dẫn: Ts. Phạm Minh Tuân
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Thiết Kế Thí Nghiệm Cân Bằng Nhiệt Động Cơ Đốt Trong
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và tầm quan trọng của thiết kế thí nghiệm cân bằng nhiệt động cơ đốt trong

Thiết kế thí nghiệm cân bằng nhiệt động cơ đốt trong là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong kỹ thuật cơ khí động lực. Thí nghiệm này nhằm xác định sự phân bố năng lượng từ nhiên liệu đốt cháy trong động cơ, giúp hiểu rõ hơn về quá trình chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng cơ học. Cân bằng nhiệt cho phép các kỹ sư và nhà nghiên cứu tính toán hiệu suất nhiệt, lượng nhiệt mất đi qua tường xi lanh, hệ thống làm mát và xả khí. Điều này có ý nghĩa thực tiễn cao trong việc cải thiện thiết kế động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm khí thải ô nhiễm môi trường.

1.1. Định nghĩa cân bằng nhiệt động cơ đốt trong

Cân bằng nhiệt là phương pháp xác định sự phân bố toàn bộ năng lượng từ nhiên liệu đốt cháy trong xi lanh động cơ. Năng lượng này được chia thành nhiều phần: năng lượng chuyển thành công cơ học hữu ích, năng lượng mất đi qua tường xi lanh, hệ thống làm mát động cơ và dòng khí xả. Việc lập phương trình cân bằng nhiệt giúp xác định hiệu suất làm việc của động cơ và các thông số kỹ thuật quan trọng.

1.2. Ý nghĩa của thiết kế thí nghiệm cân bằng nhiệt trong đào tạo

Trong chương trình đào tạo kỹ sư chuyên ngành kỹ thuật cơ khí động lực, thí nghiệm cân bằng nhiệt là bài học thực hành không thể thiếu. Nó cung cấp kiến thức thực tế về cách đo lường các thông số nhiệt của động cơ, xử lý dữ liệu và phân tích kết quả. Thí nghiệm này giúp sinh viên áp dụng lý thuyết nhiệt động lực học vào thực hành, phát triển kỹ năng nghiên cứu khoa học.

II. Cơ sở lý thuyết của phương trình cân bằng nhiệt động cơ

Phương trình cân bằng nhiệt được thiết lập dựa trên nguyên lý bảo toàn năng lượng. Năng lượng tỏa ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu được biểu diễn bằng nhiệt lượng đầu vào (Q_in). Năng lượng này được phân bố thành: công suất hữu ích (N_e) phát sinh từ quá trình nén-膨胀, nhiệt lượng mất đi qua tường xi lanh (Q_wall), nhiệt lượng từ hệ thống làm mát (Q_cooling), và nhiệt lượng từ khí xả (Q_exhaust). Cân bằng nhiệt động cơ đốt trong tuân theo phương trình: Q_in = N_e + Q_wall + Q_cooling + Q_exhaust + Q_loss.

2.1. Các thành phần chính của cân bằng nhiệt

Thí nghiệm xác định bốn thành phần chính: (1) Công suất hữu ích được đo từ phanh điện gắn với trục động cơ; (2) Nhiệt tại tường xi lanh tính từ sự chênh lệch nhiệt độ và diện tích trao đổi; (3) Nhiệt hệ thống làm mát đo từ lưu lượng và chênh lệch nhiệt độ nước; (4) Nhiệt khí xả xác định từ lưu lượng và nhiệt độ khí thoát ra. Các thiết bị đo như cảm biến nhiệt độ, đồng hồ đo lưu lượng nước giúp thu thập dữ liệu chính xác.

2.2. Phương pháp phân tích cân bằng nhiệt thực nghiệm

Phương pháp thí nghiệm sử dụng động cơ D2/13 hoặc tương đương để thu thập dữ liệu. Các thiết bị như phanh điện APA, thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554, thiết bị làm mát nước AVL 553, và thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVT được sử dụng. Quy trình bao gồm: chuẩn bị thí nghiệm, chạy động cơ ở các chế độ tải khác nhau, ghi nhận dữ liệu, và tính toán cân bằng nhiệt chi tiết.

III. Thiết kế và xây dựng mô hình thí nghiệm cân bằng nhiệt thực tế

Thiết kế thí nghiệm cân bằng nhiệt yêu cầu lựa chọn động cơ phù hợp, lắp đặt các thiết bị đo lường và xây dựng hệ thống xử lý dữ liệu. Động cơ D2/13 được chọn do những ưu điểm về kích thước, công suất và tính ổn định. Hệ thống bao gồm: phanh điện để phát thải công suất, thiết bị điều khiển tay ga HA 190, cảm biến đo nhiệt độ tại các điểm khác nhau, hệ thống đo lưu lượng nước làm mát với đồng hồ nước và bộ định thời, thiết bị đo lượng không khí nạp vào. Các đường ống, van và thiết bị được thiết kế để đảm bảo độ chính xác cao và an toàn trong quá trình vận hành.

3.1. Lựa chọn động cơ thí nghiệm và thiết bị chính

Động cơ D2/13 được lựa chọn vì những ưu điểm trong thiết kế thí nghiệm cân bằng nhiệt. Thiết bị chính bao gồm: (1) Phanh điện APA 1Ø để phát thải công suất; (2) Thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554 kiểm soát nhiệt độ dầu; (3) Thiết bị làm mát nước AVL 553 quản lý nhiệt độ nước; (4) Điều chỉnh nhiệt độ nhiên liệu AVL 753; (5) Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVT Fuel Balance 733 cung cấp dữ liệu chính xác cho các phép tính.

3.2. Thiết kế hệ thống đo lường và cảm biến nhiệt độ

Hệ thống đo lường bao gồm các cảm biến nhiệt độ đặt tại các vị trí: (1) t_in - nhiệt độ nước vào động cơ; (2) t_out - nhiệt độ nước ra; (3) t_exhaust - nhiệt độ khí xả; (4) t_oil - nhiệt độ dầu bôi trơn. Lưu lượng nước làm mát (G_w) được xác định bằng đồng hồ đo nước kết hợp với đẳng bộ bắm giây. Việc đo lượng không khí nạp vào động cơ được thực hiện bằng thiết bị chuyên dụng. Tất cả dữ liệu được ghi nhận theo các mẫu thí nghiệm chuẩn để đảm bảo tính nhất quán.

IV. Quy trình thực hiện và xử lý kết quả thí nghiệm cân bằng nhiệt

Quy trình thí nghiệm cân bằng nhiệt được chia thành các bước: chuẩn bị, chạy thí nghiệm, ghi nhận dữ liệu và tính toán. Bước chuẩn bị bao gồm kiểm tra các thiết bị, hiệu chuẩn các cảm biến, và chuẩn bị các biểu mẫu ghi nhận. Trong quá trình chạy động cơ, dữ liệu được thu thập ở các chế độ tải khác nhau (25%, 50%, 75%, 100%) để khảo sát toàn diện. Sau khi thu thập dữ liệu, các công thức tính toán được áp dụng để xác định các thành phần của cân bằng nhiệt: hiệu suất nhiệt, lượng nhiệt mất đi, và phân bố năng lượng. Kết quả được so sánh với lý thuyết và tài liệu kỹ thuật để đánh giá độ chính xác của thí nghiệm.

4.1. Các bước chuẩn bị và tiến hành thí nghiệm

Chuẩn bị thí nghiệm cân bằng nhiệt bao gồm: kiểm tra tất cả liên kết điện, ống nước, ống dầu; hiệu chuẩn các cảm biến nhiệt độ và thiết bị đo lưu lượng; kiểm tra chức năng hệ thống điều khiển; chuẩn bị sẵn sàng bộ điều khiển tay ga HA 190. Tiến hành thí nghiệm bằng cách khởi động động cơ, để ổn định nhiệt độ, sau đó thay đổi tải dần dần và ghi nhận dữ liệu tại mỗi chế độ làm việc. Quá trình này được lặp lại ít nhất ba lần để đảm bảo độ tin cậy.

4.2. Phương pháp tính toán và phân tích kết quả cân bằng nhiệt

Sau khi thu thập dữ liệu, các công thức tính toán được áp dụng: (1) Nhiệt lượng từ nước làm mát Q_w = G_w × c × (t_out - t_in); (2) Nhiệt lượng khí xả tính từ lưu lượng khí và độ chênh nhiệt độ; (3) Hiệu suất nhiệt η = N_e / Q_in. Bảng biểu chi tiết được lập để so sánh các thành phần nhiệt. Kết quả được vẽ biểu đồ để minh họa sự phân bố năng lượng, giúp sinh viên hiểu rõ hơn quá trình chuyển đổi năng lượng trong động cơ đốt trong.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. Mục đích, đối trợng và phạm vi nghiên cứu của để tài ii. Phương phúp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn iv.

Các nội dung chính trong đề t CHUONG 1.Thục trạng đảo tạo ngành Động cơ đốt trong tại Trường DIIBK Hà Nội4 1. Các loại hình đảo tạo - - - - 4 1. Chương trình đáo lao dai hoc va sau đại học 4 1. Các thi nghiệm sử đụng trong đảo tạo và nghiên cứu 2115 10 1.Sự cân thiết phải xây dựng thí nghiệm cân bằng nhiệt.

Khái quát chung về thí nghiệm cân bằng nhiệt - - 11 1. Vai trò của thí nghiệm cân bằng rệt trong đảo tạo ngành động eơ. Một số cơ sở dào tạo trên thế giới sử dụng thí nghiệm can bằng nhiệt.Phỏng thí nghiệm động cơ đốt trong và mức độ đáp ứng xây dựng thi nghiệm cân bằng nhị CHƯƠNG 2. CƠ SỞ VẺ C TRONG 2.

Cân bằng nhiệt trung động cơ đốt trong. Phương trình cân bằng nhiệt trong động cơ đốt trong,. Phản tích lựa chọn phương, an thí nghiệm cân bằng nhiệt.Ý nghĩa của cân bằng nhiệt trong động cơ dốt trong. THIET KE THÍ NGHIỆM CAN BANG NHIỆT 3.

Lựa chọn động cơ thí nghiệm. Giới thiệu về động cơ D2/13. coi iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VẢ CHỮ VIẾT TAT Qo Nhiệt lượng của nhiên liêu đưa vào động co Qu Nhiệt trị thập của nhiên Hiệu Ga Tượng Liêu thụ nhiên liệu trên muội đơn vị thor giant Cu Tam lượng không khí on Nhiệt lượng tướng ứng với gông suất động cơ Ne Công suất động cơ Qin Nhiét Iugng truyen che méi chat lam mat Gn Lưu lượng khỏi lượng nước làm mát thông qua động cơ trong 1 giây Ca Nhiệt dụng riêng của nước ter Nhiệt độ nước ra khỏi động cơ tư Nhiệt độ nước vào động cơ Qu Nhiệt độ nước do khí thải mang đi M San phẩm của vật cháy quy vé | kg nhién liệu Mạ Môi chất mới quy về 1 kg nhiên liệu Cự Nhiệt đụng riêng đẳng áp trung bình của sản phẩm vật cháy Clone Nhiệt đung riêng đẳng áp trung bình của không khi Tk Nhiệt độ khi nạp mới tại đường nạp Tu Nhiệt độ khí thái Qu Nhiệt lượng đo đâu bôi trơn mang đi Ga Lam lượng đâu lam mat Ca Nhiệt dụng riêng của đầu bôi trơn tá Nhiệt độ đầu ra khỏi động cơ tác Ninét độ đầu vào động cơ % Nhiệt lượng trong phẫn nhiên liệu không cháy À TIệ số đư lượng không khí vi 3. Lý do chọn động cơ 12243 làm dộng cơ thí nghiệm.

Xây dựng m hình thí nghiệm. Phanh điện APA 1Ø. Thiết bị làm mát dẫu bồi trơn AVL 554. Thiết bị làm mat nude AVL 553.4, 86 ên định nhiệt độ nhiên liệu AVL 753 - seein BO 3.

Hộ điều khiển tay ga HA 190. Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVT, Fuel Balance 733 33 3. Xác định nhiệt độ t„ tv, Tu«, Tx bằng các cắm biến đo nhiệt độ. Xác định G„ bằng phương pháp đo lưu lượng nước làm mát qua đồng hồ đo nước kết hợp với đẳng hỗ bắm giây.

Đo lượng không khí nạp vào động cơ - - Al 3. Thiết kế các đường ống và van trong hệ thống đo lưn lượng nước làm mat. XÂY DỰNG QUY TRÌNH V/ 4.Xây dựng quy trình thí nghiệm. Mục đích của thí nghiệm cân bằng nhiệt 7 4.

Chuẩn bị thí nghiệm. Quy trình thí nghiệm 4. Các biểu mẫu thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm KET LUAN CHUNG VA AU TAL LIEU THAM KHAO.

Sơ đỏ quy trình thí nghiệm - 48 Tũnh 4. Sơ đô kết nối các thiết bị của Pưma. Hép thoai AVL. PUMA Application Manager 30 Hinh 4.4, So dé trinh wz boat déng của Puma.

Các bước khi chuyển từ MƠNITOR sang MANUAL 54 Fink 4. Man hình kiếm tra các thiết bị của hệ thống. Kết quả thông báo lỗi trong bảng kiểm tra các thiết bị. Cửa số đặt các tham số giới hạn.

Cửa số thông báo giá Irị vượt quá giới hạn 56 Hình 4.10, Thanh công cụ dễ chuyên từ trạng thái Monitor sang Mianual và ngược lại. Màn hình dễ lựa chọn các thông số cần do đạo,. Màn hình manual của Puma hiển thị kết quả đo thí nghiệm. Dé thi biéu diễn kết quả thí nghiệm cân bằng nhiệt.

Tï lệ thành phản nhiệt lượng của động cơ D243. Dỏ thị biểu diễn kết quá thí nghiệm cân bằng nhiệt.2 Mo Tượng khí lý thuyết cần thiết để đối cháy hết 1 kg nhiên hệ Qa Nhiệt lượng còn lại Qe Nhiệt lượng ứng với động năng của khí (hai Qe Nhiệt lượng bức xạ Qr Nhiệt lượng khi thải trong đường ống thải Qaas Nhiệt lượng do ma sat gitta pit tong va xi lanh Me Mô men của động cơ te Số vòng quay cửa động cơ Tiêm Số vòng quay định mire D243 Déng co diesel D243 APAI00 Phanh điện AVLS554 Thiết bi am mat dau bai tron AVT. 533 “Thiết bị lâm mat nude AVI.733s Thiết bị đo tiểu hao nhiên liệu AVI.753 Bộ ổn định nhiệt độ nhiên liệu THA100 Bộ điều khiến tay ga CABLE BOOM | Hộp chứa các thiết bị chuyên đối FEM Thiết bị dâu cuối PUMA Hệ thống điều khiến chính KS? Bang điều khiến PC Máy tính xứ lý các kết quả đo đạc KFEM-A. “thiết bị chuyển đổi tín hiệu FEM-DAC “thiết bị chuyển đổi tín hiệu Analog sang Digital PC-System “thiết bị nhận sử lý tin hiệu vả biển thị kết quá đo đạc P100 Cam biển kiểu nhiệt điện tr Ra Biển trỏ đạng sợi đốt Rr Bién trỏ đạng sợi đốt thay đổi theo nhiệt độ khí nạp Ia Dông điện DANI MUC CAC BANG BIEU Bang Í.

Danh mục học phần chưng đảo Iạo cử nhân khối kỹ thuậ. Danh mục học phần riêng đào tạo cử nhân Kỹ thuật Cơ khí động lực. Danh mục học phản tự chọn tự đo khuyến cáo của chương trình cử nhân - - - - -T8 Bang 1. Danh mục học phần chỉ tiết của chương trinh dao tạo kỹ sư Ca khí động lực - - 19 Tăng L5.

Danh mục học phân dào tạo cử nhân Công nghệ kỹ thuật ôtô. Danh mục học phan tự chon tự do khuyến cáo đảo tạo cử nhân Công, xghệ kỹ thuật ôtô - 85 Bang 1. Chương trình đạo tạo của chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khi động lực trước Xeeeseeoso. Chương trình đạo tạo của chuyển ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực - Kỹ thuật Động cơ đốt trong (KE).

scenes HH HH HH ngư. Chương trình đạo tạo của chuyển ngành Kÿ thuật Cơ khí động lục - Kỹ thuật Động cơ đối trong (KH) - 87 Bang. Ti 16 các thành phần cân bằng nhiệt. Két quả de lưu lượng nước thông qua động cơ.

Kết quả thí nghiệm cân bằng nhiệt 64 Tăng 4. Công thức tính toản. 65 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐÔ THỊ Hình 1. Sơ đồ phòng thí nghiệm động cơ đốt trong Hình 2.

8ơ đỗ cân bằng nhiệt của động cơ. Mặt cắt ngang động cơ D243. co co Hinh 3. Mặt cắt dọc động cơ D243 - Hinh 33.

Sơ đỗ kết nối các thiết bị của hệ thông băng thưử. Sơ đã phòng thử động lực học. Thanh điện APA 100 Hinh 3. Đặc tính phanh chế độ máy phát Linh 3.

Tặc tính phanh chế độ đông cơ điện Hình 3. Sơ đồ khôi thiết bị làm má dau béi tron AVE 554. So dé nguyên lý thiết bị làm mát đầu bôi trơn AVL 5%4. Sơ 46 khéi thiết bị làm mát nước làm mát động cơ AVL 553 Hình 3.

bị làm mal nude AVL 553 Hình 3. Hệ thống ổn dịnh nhiệt độ nhiên liệu AVL 753. Sơ để nguyên lý hệ thống làm mát nhiên liệu Tình 3. Hệ thống điều khiến lay ga THA 100.

Hệ thống do tiêu thụ nhiên liệu AVL 7338 Hình 3. Sơ đỏ nguyên lý hệ thếng đo tiêu thụ nhiên liệu AVL 7338 Hình 3. Sơ đỗ dâu nói thiết bị do tiêu thụ nhiên liệu với đông cơ va Puma. Cầu tạo cảm biến đo nhiệt độ.

Sơ đỏ tín hiệu cảm biển P,I00 - Hình 3. Sơ đỗ tin hiệu cảm biến Thermocouple P106. Sơ đỗ kết nồi các cám biển với Puma. Cầu tạo của đồng hề đo thể tích nước thông qua động cơ Tình 3.

Sơ đỏ nguyễn lý đo khối lượng mước thông qua động cơ Tĩnh 3. Cầu tạo cảm biến đo lưu lượng khí nạp. Sơ để nguyên lý lâm việc của cảm biến đo hm lượng khí nạp Hình 3. Màn hình luển thị kết quả do lưu lượng khi 1ạp.

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐÔ THỊ Hình 1. Sơ đồ phòng thí nghiệm động cơ đốt trong Hình 2. 8ơ đỗ cân bằng nhiệt của động cơ. Mặt cắt ngang động cơ D243.

co co Hinh 3. Mặt cắt dọc động cơ D243 - Hinh 33. Sơ đỗ kết nối các thiết bị của hệ thông băng thưử. Sơ đã phòng thử động lực học.

Thanh điện APA 100 Hinh 3. Đặc tính phanh chế độ máy phát Linh 3. Tặc tính phanh chế độ đông cơ điện Hình 3. Sơ đồ khôi thiết bị làm má dau béi tron AVE 554.

So dé nguyên lý thiết bị làm mát đầu bôi trơn AVL 5%4. Sơ 46 khéi thiết bị làm mát nước làm mát động cơ AVL 553 Hình 3. bị làm mal nude AVL 553 Hình 3. Hệ thống ổn dịnh nhiệt độ nhiên liệu AVL 753.

Sơ để nguyên lý hệ thống làm mát nhiên liệu Tình 3. Hệ thống điều khiến lay ga THA 100. Hệ thống do tiêu thụ nhiên liệu AVL 7338 Hình 3. Sơ đỏ nguyên lý hệ thếng đo tiêu thụ nhiên liệu AVL 7338 Hình 3.

Sơ đỗ dâu nói thiết bị do tiêu thụ nhiên liệu với đông cơ va Puma. Cầu tạo cảm biến đo nhiệt độ. Sơ đỏ tín hiệu cảm biển P,I00 - Hình 3. Sơ đỗ tin hiệu cảm biến Thermocouple P106.

Sơ đỗ kết nồi các cám biển với Puma. Cầu tạo của đồng hề đo thể tích nước thông qua động cơ Tình 3. Sơ đỏ nguyễn lý đo khối lượng mước thông qua động cơ Tĩnh 3. Cầu tạo cảm biến đo lưu lượng khí nạp.

Sơ để nguyên lý lâm việc của cảm biến đo hm lượng khí nạp Hình 3. Màn hình luển thị kết quả do lưu lượng khi 1ạp.