Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh Việt Nam hiện nay, xe gắn máy là phương tiện di chuyển chủ yếu với tỷ lệ sử dụng chiếm phần lớn trong giao thông đô thị và nông thôn. Tuy nhiên, hiệu suất sử dụng nhiên liệu của động cơ xe gắn máy còn thấp, đồng thời lượng khí thải ô nhiễm từ các phương tiện này rất cao, gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường. Theo ước tính, việc tối ưu hóa hoạt động của động cơ xe gắn máy có thể góp phần giảm đáng kể lượng nhiên liệu tiêu thụ và khí thải độc hại. Một trong những công cụ quan trọng để nghiên cứu và đánh giá hiệu suất động cơ là băng thử tải động cơ, tuy nhiên, các loại băng thử tải nhỏ dành riêng cho động cơ xe gắn máy hiện rất hiếm và chủ yếu được nhập khẩu với chi phí cao, gây khó khăn cho các phòng thí nghiệm và cơ sở đào tạo trong nước.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo băng thử tải nhỏ sử dụng cho động cơ xe gắn máy nhằm mục tiêu xây dựng một thiết bị thử nghiệm có khả năng đo đặc tính công suất và mô-men xoắn của động cơ, phục vụ cho nghiên cứu và đào tạo. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 1 đến tháng 11 năm 2014 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Việc phát triển băng thử tải này không chỉ giúp giảm chi phí đầu tư mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu cải tiến hiệu suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, băng thử còn hỗ trợ công tác đào tạo kỹ thuật viên và sinh viên ngành cơ khí động lực, giúp họ hiểu rõ hơn về đặc tính hoạt động của động cơ đốt trong.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về động cơ đốt trong, đặc biệt là động cơ xe gắn máy loại xăng 4 kỳ, 1 hoặc 2 xi lanh, làm mát bằng không khí. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Đặc tính công suất và mô-men xoắn: Công suất thể hiện khả năng làm việc của động cơ, mô-men xoắn là lực quay trục khuỷu, hai thông số này biến thiên theo số vòng quay và tải trọng.
  • Đường đặc tính tốc độ ngoài và đặc tính tải: Đường đặc tính tốc độ ngoài biểu diễn công suất và mô-men xoắn cực đại theo số vòng quay, trong khi đặc tính tải thể hiện sự biến thiên các chỉ số này khi thay đổi tải ở số vòng quay cố định.
  • Các loại bộ tạo tải và thiết bị đo công suất: Bao gồm thiết bị đo thủy lực, thiết bị đo kiểu “Bolt-on”, thiết bị sử dụng động cơ điện AC/DC, thiết bị sử dụng dòng điện Foucault, thiết bị đo kiểu ma sát và phanh khí. Mỗi loại có ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng khác nhau.
  • Phương pháp đo công suất động cơ: Công suất được xác định qua mô-men phanh và số vòng quay, với các phép đo được thực hiện nhiều lần để lấy giá trị trung bình, đảm bảo độ chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ quá trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm băng thử tải động cơ xe gắn máy tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu thử nghiệm bao gồm các loại động cơ xe gắn máy phổ biến, điển hình là động cơ xăng 4 kỳ, 1 xi lanh, dung tích 110 cm³ với công suất tối đa 4,2 kW tại 7.500 vòng/phút.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Tham khảo tài liệu chuyên ngành về động cơ đốt trong, thiết bị đo công suất và các bộ tạo tải.
  • Thiết kế cơ khí phần khung, bộ truyền động và bộ tạo tải sử dụng máy phát điện ô tô Mitsubishi làm bộ tạo tải.
  • Lập trình vi điều khiển Atmega8 và phát triển phần mềm giao diện trên LabVIEW để thu thập và xử lý dữ liệu.
  • Phương pháp kiểm nghiệm thực tế: Thử nghiệm băng thử với động cơ xe máy thực tế, đo các thông số mô-men, công suất, tốc độ và tải trọng, từ đó xây dựng các đường đặc tính động cơ.

Quá trình nghiên cứu diễn ra trong khoảng 10 tháng, từ tháng 1 đến tháng 11 năm 2014, với các bước thiết kế, chế tạo, lập trình điều khiển và thử nghiệm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo thành công băng thử tải nhỏ sử dụng máy phát điện ô tô làm bộ tạo tải, có khả năng tạo tải lớn và hoạt động ở cả bốn góc phần tư, phù hợp với đặc tính động cơ xe gắn máy. Băng thử có thể lắp đặt và thử nghiệm nhiều loại động cơ khác nhau, giúp thu thập dữ liệu đặc tính công suất và mô-men xoắn chính xác.

  2. Đường đặc tính công suất và mô-men xoắn thu được từ băng thử tương đồng với các đường đặc tính lý thuyết và thực nghiệm trong tài liệu chuyên ngành. Ví dụ, tại tải 80 trên thang đo 255, độ biến dạng lò xo đo được là 3,1 mm, tương ứng mô-men phanh 1,77 Nm, phản ánh chính xác đặc tính tải của động cơ.

  3. Hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu tự động sử dụng vi điều khiển Atmega8 và phần mềm LabVIEW giúp giảm sai số do thao tác thủ công, đồng thời hiển thị trực quan các đường đặc tính công suất theo tải và tốc độ động cơ.

  4. Hiệu suất truyền động của bộ truyền xích đạt khoảng 98%, đảm bảo truyền tải mô-men ổn định, không xảy ra hiện tượng trượt, giúp kết quả thử nghiệm chính xác và lặp lại được.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của băng thử tải nhỏ này là do việc lựa chọn máy phát điện ô tô Mitsubishi làm bộ tạo tải, tận dụng khả năng tạo mô-men điện từ lớn và điều chỉnh tải linh hoạt qua dòng kích từ. So với các loại băng thử nhập khẩu có giá thành cao và cấu tạo phức tạp, thiết bị này có ưu điểm chi phí thấp, dễ chế tạo và bảo trì.

Kết quả thử nghiệm cho thấy đường đặc tính công suất và mô-men xoắn phù hợp với các nghiên cứu trong và ngoài nước về động cơ xe gắn máy, đồng thời đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật trong đào tạo và nghiên cứu. Việc sử dụng cảm biến điện từ nam châm đứng yên để đo tốc độ và thiết bị đo lực dựa trên biến dạng lò xo kết hợp biến trở thanh trượt giúp thu thập dữ liệu chính xác và ổn định.

Dữ liệu thu thập có thể được trình bày qua biểu đồ đường đặc tính công suất và mô-men xoắn theo số vòng quay, cũng như bảng số liệu tải trọng tương ứng với mô-men phanh, giúp người nghiên cứu và kỹ thuật viên dễ dàng phân tích và đánh giá hiệu suất động cơ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển thêm các phiên bản băng thử tải với công suất và kích thước đa dạng nhằm phục vụ cho nhiều loại động cơ xe gắn máy khác nhau, mở rộng phạm vi ứng dụng trong nghiên cứu và đào tạo.

  2. Tích hợp hệ thống điều khiển tự động hoàn toàn với khả năng điều chỉnh tải và thu thập dữ liệu theo thời gian thực, nâng cao độ chính xác và giảm thiểu sai số do thao tác thủ công. Thời gian thực hiện dự kiến trong 12 tháng, do nhóm kỹ thuật và phần mềm thực hiện.

  3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các cơ sở đào tạo và trung tâm nghiên cứu nhằm phổ biến và ứng dụng rộng rãi băng thử tải trong nước, góp phần nâng cao chất lượng đào tạo và nghiên cứu động cơ. Chủ thể thực hiện là Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh phối hợp với các trường đại học kỹ thuật khác.

  4. Nghiên cứu cải tiến bộ tạo tải sử dụng các loại máy phát điện hoặc động cơ điện có hiệu suất cao hơn, giảm kích thước và trọng lượng thiết bị, đồng thời tăng khả năng chịu quá tải và độ bền. Thời gian nghiên cứu khoảng 18 tháng, do nhóm nghiên cứu cơ khí và điện tử phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Giảng viên và sinh viên ngành Cơ khí động lực: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế, chế tạo và vận hành băng thử tải động cơ, hỗ trợ công tác giảng dạy và nghiên cứu khoa học.

  2. Kỹ sư và chuyên gia nghiên cứu động cơ đốt trong: Tài liệu giúp hiểu rõ các phương pháp đo công suất, mô-men xoắn và đặc tính động cơ, từ đó áp dụng vào cải tiến hiệu suất và giảm tiêu hao nhiên liệu.

  3. Các trung tâm đào tạo nghề sửa chữa xe máy: Băng thử tải nhỏ là công cụ hữu ích để đào tạo kỹ năng kiểm tra và đánh giá động cơ xe gắn máy, nâng cao chất lượng đào tạo nghề.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và bảo trì thiết bị đo kiểm động cơ: Tham khảo để phát triển các sản phẩm băng thử tải phù hợp với thị trường trong nước, giảm chi phí nhập khẩu và tăng tính cạnh tranh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Băng thử tải nhỏ này có thể sử dụng cho những loại động cơ xe gắn máy nào?
    Băng thử được thiết kế để thử nghiệm các loại động cơ xăng 4 kỳ, 1 hoặc 2 xi lanh, dung tích từ khoảng 100 đến 150 cm³, phổ biến trên thị trường Việt Nam. Thiết bị có thể điều chỉnh để phù hợp với nhiều loại động cơ khác nhau nhờ bộ truyền xích và hệ thống điều khiển tải linh hoạt.

  2. Độ chính xác của các phép đo công suất và mô-men xoắn như thế nào?
    Độ chính xác cao nhờ sử dụng cảm biến điện từ nam châm đứng yên đo tốc độ và thiết bị đo lực dựa trên biến dạng lò xo kết hợp biến trở thanh trượt. Kết quả thử nghiệm cho thấy sai số nhỏ, phù hợp với yêu cầu nghiên cứu và đào tạo.

  3. Chi phí đầu tư cho băng thử tải nhỏ này có cao không?
    Chi phí thấp hơn nhiều so với các băng thử nhập khẩu do tận dụng máy phát điện ô tô làm bộ tạo tải và sử dụng các thiết bị đơn giản, dễ chế tạo. Điều này giúp các phòng thí nghiệm và cơ sở đào tạo dễ dàng tiếp cận và ứng dụng.

  4. Băng thử có thể tự động thu thập và xử lý dữ liệu không?
    Có, hệ thống điều khiển sử dụng vi điều khiển Atmega8 kết hợp phần mềm LabVIEW trên máy tính giúp thu thập, xử lý và hiển thị dữ liệu tự động, giảm sai số do thao tác thủ công và tăng tính tiện dụng.

  5. Băng thử này có thể áp dụng trong đào tạo nghề sửa chữa xe máy không?
    Rất phù hợp, băng thử giúp học viên trực tiếp quan sát và hiểu rõ đặc tính công suất, mô-men xoắn của động cơ, từ đó nâng cao kỹ năng kiểm tra và sửa chữa động cơ xe gắn máy trong thực tế.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công băng thử tải nhỏ sử dụng cho động cơ xe gắn máy với chi phí hợp lý và hiệu suất ổn định.
  • Băng thử cho phép đo chính xác đặc tính công suất và mô-men xoắn của động cơ, phù hợp với nhiều loại động cơ xe gắn máy phổ biến.
  • Hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu tự động giúp giảm sai số và tăng tính tiện dụng trong nghiên cứu và đào tạo.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao năng lực nghiên cứu, đào tạo và phát triển công nghệ trong lĩnh vực cơ khí động lực tại Việt Nam.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu và chuyển giao công nghệ để ứng dụng rộng rãi trong các cơ sở đào tạo và trung tâm nghiên cứu.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị đào tạo và nghiên cứu nên phối hợp triển khai ứng dụng băng thử tải này, đồng thời tiếp tục cải tiến và phát triển các phiên bản mới phù hợp với nhu cầu thực tế.