Nghiên cứu cấu tạo động cơ diesel hãng Yanmar. Nguyên lý làm việc, thuật toán điều khiển và giảm sát của động cơ diesel

Hệ thống dầu bôi trơn trong động cơ Main bearing - Ống lót ổ trục; Rocker arm – Cỏ mổ trục chính; Main Gallery – Đường ống chính; Lub.Oil cooler – Hệ thống dầu bôi trơn được làm mát; L.o

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đồ án tốt nghiệp này là do tôi tự hoàn thành dưới sự

hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Ths.Trần Tiến Lương Các số liệu, kết quả trong đồ án là hoàn toàn xác thực

Để hoàn thành đồ án này, tôi chỉ sử dụng các tài liệu ghi trong mục tài liệu tham khảo, không sử dụng các tài liệu khác mà không được ghi trong phần tài liệu tham khảo

Sinh viên

Nguyễn Bá Hải Sơn

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin được gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy giáo, cô giáo ở khoa Điện - Điện tử trường Đại học Hàng Hải Việt Nam đã tạo điều kiện cho tôi trong quá

trình tìm hiểu và nghiên cứu các vấn đề liên quan đến đồ án tốt nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Ths.Trần Tiến Lương, người có kinh nghiệm giảng dạy lâu năm cùng kiến thức chuyên sâu về lĩnh vực điện tự động hóa đã nhiệt tình hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện đồ án này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các bạn học đã góp ý, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp Cuối cùng tôi xin cảm ơn đến gia đình những người thân đã luôn bên cạnh tôi, ủng hộ, động viên tôi, tạo động lực để tôi cố gắng hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Hải Phòng, ngày 18 tháng 5 năm 2016

Sinh viên Nguyễn Bá Hải Sơn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CÁM ƠN

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG HÓA TỔ HỢP ĐỘNG CƠ DIESEL-MÁY PHÁT ĐIỆN 1

1.1 Khái quát chung về tổ hợp động cơ Diesel-Máy phát điện YANMAR 1

1.2 Cấu tạo của hệ thống động cơ Diesel Yanmar 22

1.3 Cơ cấu hế thống phụ trợ động cơ Diesel hãng Yanmar 8

1.3.1 Hệ thống cấp dầu nhiên liệu cho động cơ Diesel 8

1.3.2 Hệ thống dầu bôi trơn cho động cơ Diesel 10

1.3.3 Hệ thống nước làm mát cho động cơ Diesel 11

1.3.4 Hệ thống khí nén và khí thải cho động cơ diesel 13

1.4 Các biến cần điều khiển giám sát của động cơ Diesel Yanmar 16

1.5 Phân tích hệ thống máy phát đồng bộ động cơ Yanmar 19

1.5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phát đồng bộ 19

1.5.2 Phân loại máy phát đồng bộ 20

1.5.3 Nguyên lý điều hòa đồng bộ máy phát 23

CHƯƠNG 2: ĐỀ SUẤT PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TỔ HỢP ĐỘNG CƠ DIESEL LAI MÁY PHÁT CỦA HÃNG YANMAR 26

2.1 Đánh giá thiết kế nguyên bản của hãng Yanmar 26

2.2 Hệ thống tủ điều khiển và giám sát động cơ diesel lai máy phát Yanmar 32

2.2.1 Mạch cấp nguồn cho bộ điều khiển 32

2.2.2 Hệ thống tủ điều khiển và giám sát cho động cơ 33

2.3 Mạch động lực của bơm và mạch cấp nguồn cho lưới của máy phát 37

2.4 Tủ điện cho hệ thống điều khiển giám sát động cơ diesel lai máy phát 39

CHƯƠNG 3 : PHƯƠNG ÁN ĐỀ XUẤT ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT BẢO VỆ CÁC THÔNG SỐ CHO ĐỘNG CƠ DIESEL LAI MÁY PHÁT 41

3.1 Mạch phần cứng cho điều khiển giám sát các thông số động cơ diesel 41

3.2 Mạch phần mềm giám sát động cơ diesel trên plc và mô phỏng win c 44

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI

P&ID Piping and instrumentation diagram

FO Fuel Oil

LO LUBRICATING OIL

CO Cool Water

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Đầu máy Diesel của hãng Yanmar 1

Hình 1.2 Thông số kỹ thuật một số động cơ diesel hãng Yanmar 2

Hình 1.3 Mặt cắt ngang của động cơ diesel 2

Hình 1.4 Mặt cắt dọc của động cơ 3

Hình 1.5.Cấu tạo mặt cắt của piston/ vòng piston 5

Hình 1.6.Cơ cấu dây truyền 6

Hình 1.7.Cơ cấu trục cam 7

Hình 1.8.Cơ cấu trục cam 7

Hình 1.9.Hệ thống cung cấp dầu nhiên liệu 8

Hình 1.10 Hệ thống dầu bôi trơn trong động cơ 10

Hình 1.11.Hệ thống nước làm mát cho động cơ diesel 12

Hình 1.12 Hệ thống khí nạp và khí xả 14

Hình 1.13.Đường ống khí xả ra bên ngoài 16

Hình 1.14.Mặt cắt máy phát xoay chiều 19

Hình 1.1.5.Roto máy phát đồng bộ cực ẩn chưa được quấn dây 21

Hình 1.16.Hình dạng roto cực hiện khi đã đóng trục 22

Hình 1.17 Stato máy phát trong quá trình thi công 22

Hình 1.18 Hệ thống các máy phát làm việc song song với nhau 23

Hình 1.19 Hòa đồng bộ máy phát bằng phương pháp đèn nối tối 24

Hình 2.1 Thuật toán khởi động động cơ diesel 27

Hình 2.2 Xử lý lỗi động cơ khi khởi động cơ 28

Hình 2.3 Thuật toán dừng động cơ diesel 30

Hình 2.4 Thuật toán giám sát các sự cố 31

Hình 2.5 Sơ đồ cấp nguồn cho mạch điều khiển ECSU 32

Hình 2.6 Bảng tín hiệu vào ra của tủ điều khiển hệ thống khởi động 34

Hình 2.7 Phần tủ giám sát và điều khiển các thông số diesel 36

Hình 2.8 Mạch động lực của bơm dầu 37

Hình 2.9 Sơ đồ tổng thể disel máy phát hoạt động và cấp nguồn cho các phụ tải 38

Hình 2.10 Hệ thống tủ điện động cơ diesel 40

Hình 3.1 Mạch phần cứng điều khiển hệ thống giám sát 41

Hình 3.2.Hệ thống đèn và chuông báo cho hệ thống giám sát 42

Hình 3.3.Hệ thống plc và các module mở rộng 44

Hình 3.4 Các tín hiệu đầu vào của plc 43

Hình 3.5 Các tín hiệu đầu ra plc 44

Hình 3.6 Gán bít nhớ cho Start và Stop 44

Hinh 3.7 Thông báo hệ thống khởi động 45

Hình 3.8 Khởi động lỗi 45

Hình 3.9 Lỗi các hệ thống phụ trợ 46

Hình 3.10.Lỗi hệ thống phụ trợ 46

Hình 3.11 Báo đèn khi xảy ra sƣ cố 47

Hình 3.12 Giao diện giám sát của Win CC 48

Hình 3.13 Hiển thị khởi động hệ thống 48

Hình 3.14.Hiển thị lỗi khi khởi động 49

Hình 3.15 Màn hình giám sát hiển thị khi quá tốc độ 49

Hình 3.16 Màn hình giám sát hiển thị khi áp suất dầu bôi trơn thấp 50

Hình 3.17 Màn hình giám sát hiển thị khi xảy ra tất cả các lỗi 50

Hình 3.18 Dừng hệ thống giám sát 51

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nền công nghiệp ngày càng phát triển do đó nhu cầu đòi hỏi những động cơ

có chất lượng tốt năng suất cao đáp ứng được nhu cầu làm việc cũng ngày một tăng lên Đã phát triển được một thời gian khá lâu động cơ diesel ngày càng được sử dụng phổ biến Do đó chúng cũng ngày một được cải tiến sao cho phù hợp với từng nhu cầu phát triển của từng ngành công nghiệp Động cơ diesel lai máy phát hiện nay luôn là một phần không thể thiếu cho hoạt động ở các khu công nghiệp , trên hệ thống tàu thủy cũng như các hộ gia đình

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu cấu tạo , nguyên lý làm việc của hệ thống động cơ diesel lai máy phát của hãng Yanmar Phát triển thuật toán giám sát bảo vệ các thông số động cơ diesel

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu cấu tạo động cơ diesel hãng Yanmar Nguyên lý làm việc, thuật toán điều khiển và giảm sát của động cơ diesel

b) Phạm vi nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp này giới hạn nghiên cứu, thiết kế diesel của hãng Yanmar Gồm máy chính và các phần phụ trợ

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu cấu tạo , nguyên lý hoạt động , các thuật toán điều khiển của hệ thống động cơ diesel lai máy phát hãng Yanmar

Từ đó hiểu và phát triển thuật toán giám sát cho động cơ diesel

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a) Ý nghĩa khoa học của đề tài

Nắm được nguyên lý hoạt động của hệ thống để giảm thiểu tối đa rủi ro trong quá trình vận hành hệ thống, nâng cao tính ổn định, bền vững của hệ thống động cơ diesel lai máy phát

b) Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Giúp hiểu nắm rõ đƣợc cấu tạo nguyên lý hoạt động của hệ thống động cơ diesel lai máy phát

Hiểu đƣợc nguyên lý làm việc của các thuật toán điều khiển giám sát hệ thống động cơ diesel lai máy phát của Yanmar

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG HÓA TỔ HỢP ĐỘNG CƠ

DIESEL-MÁY PHÁT ĐIỆN 1.1 Khái quát chung về tổ hợp động cơ Diesel-Máy phát điện

YANMAR

“Yanmanr là công ty về chế tạo động cơ được thành lập từ năm 1912 ở Nhật và kể từ khi phát triển động cơ diesel công suất nhỏ thương mại đầu tiên của thế giới vào năm 1933 đến nay, động cơ Diesel luôn là mặt hãng kinh doanh chủ yếu của hãng Yanmar Yanmar luôn dựa theo sự hợp lý hóa và sự điện đại hóa của sản phẩm là công cụ quan trọng để mang lại cho thế giới những động cơ

có tính kinh tế và hiệu quả cao Dịch vụ bảo hành, bảo trì thường xuyên, dịch vụ sửa chữa, các phụ tùng chính của hãng Yanmar luôn có mặt trong hệ thống mạng lưới nhà phân phối và đại lý của Yanmar”[6]

Hình 1.1 Đầu máy Diesel của hãng Yanmar Với những ưu điểm vốn có động cơ diesel của hãng Yanmar được sử dụng khá rộng rãi và phổ biến Yanmar sản xuất động cơ dùng cho máy phát với hai serie tần số chính là 50Hz và 60 Hz Với mỗi tần số hoạt động Yanmar luôn cho thấy sự phong phú của mình về các loại động cơ từ những động cơ công suất nhỏ 6 đến 7 KW cho đến những động cơ cỡ lớn dùng cho hệ thống tàu thủy, công nghiệp nặng lên đến hàng chục KW Ngoài ra , để phục nhu cầu lớn của xã hội động cơ diesel hãng Yanmar cũng nhiều chủng loại từ động cơ 2 kỳ, 4 kỳ đến 6 kỳ Dưới đây là hình ảnh về thông số một số động cơ diesel lai máy phát hãng Yanmar sử dụng ở tần số 50Hz

1.2 Cấu tạo của hệ thống động cơ Diesel Yanmar

Hình 1.3 Mặt cắt ngang của động cơ diesel 1- Vòi phun nhiên liệu/ van phun nhiên liệu ; 2- Áo bảo vệ xy lanh ; 3- Trụ nhiên liệu ; 4- Đầu vào van ; 5- Bơm phun nhiên liệu ; 6- Đầu vào HFO ; 7- Võ ống để nhiên liệu ; 8- Ống bảo vệ máng trục cam ; 9- Cơ cấu truyền động van; 10- Trục cam ; 11- Thanh truyền ; 12- Trục cam / bánh đà ; 13- Đường ống dầu;

14 – Bình hứng dầu

Hình 1.4 Mặt cắt dọc của động cơ 15- Vỏ bọc động cơ; 16- Lớp bảo vệ của vỏ bọc động cơ; 17- Ống nước làm mát ; 18- Piston làm việc; 19- Miếng lót đệm của xy lanh; 20- Ống xả; 21-

Vỏ bọc cho ống xả; 22- Bảo vệ xy lanh đầu vào van; 23- Piston hoạt động / vòng găng của piston ; 24- Bộ làm mát khí xả; 25- Van lọc nhiên liệu; 26,27- Thiết bị đóng cắt quá tốc độ; 28- Bơm phân phối nhiên liệu; 29- Miếng lót xy lanh; 30-

Dầu bôi trơn; 31- Trục khuỷu bánh đà; 32- Bộ phận giảm rung / trục bánh răng; 33- Vòng bi; 34- Truyền động trục cam; 35- Trục cam; 36,37,38- Bộ điều tiết chuyển động; 39- Phần tử điều khiển khí nén; 40 – Bơm nhiên liệu phụ; 42- Ống

áp suất nhiên liệu

Mỗi chu kỳ làm việc của động cơ diesel gồm 4 hành trình chính là: nap, nén, cháy, nổ, thải để thực hiện được một lần sinh công Như vậy pistong của động cơ sẽ phải di chuyển bốn lần lên xuống với 2 vòng quay của trục khuỷu là

từ 0° đến 720° Các kỳ có thể được miêu tả như sau:

 Kỳ nạp ( kỳ hút ): xupap xả, xupap nạp đóng, piston sẽ di chuyển từ ĐCT xuống ĐCD Hỗn hợp không khí theo đường ống qua xupap hút sẽ được bơm đầy vào xylanh động cơ

 Kỳ nén: Ờ kỳ này thì cả hai xupap xả và hút đều đóng, piston sẽ di chuyển

từ ĐCD lên ĐCT để nén không khí Khi đến gần ĐCT không khí sẽ được nén lại với nhiệt độ và áp suất cao

 Kỳ nổ : Khi piston gần đến ĐCT thì pugi sẽ phun nhiên liệu vào xylanh đang chứa hỗn hợp không ở nhiệt độ và áp suất cao Đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu không khí Sinh ra công đẩy piston xuống ĐCD

 Kỳ xả: Sau khi di chuyển xuống ĐCD ở kỳ nổ piston theo quán tính sẽ di chyển lên ĐCT do đó sẽ đẩy hỗn hợp nhiên liệu không khí cháy bên trong ra qua xupap xả Lúc này xupap xả mở, xupap nạp đóng Toàn bộ khí thải sẽ được đẩy

ra bên ngoài theo đường ống

- Cấu tạo piston: Piston có thiết kế hợp với mép gang ( grafit ) cầu và vành thép Mép piston được bôi trơn áp lực, đảm bảo lưu lượng dầu được kiểm soát tốt cho ống lót xilanh trong suốt chế độ làm việc Dầu được cung cấp qua một thanh nối với không gian làm mát của piston Việc làm mát piston hoạt động theo nguyên lý cocktail shaker Các rãnh vòng piston ở đầu piston được làm cứng để chịu mài mòn tốt hơn

Hình 1.5 Cấu tạo mặt cắt của piston/ vòng piston A- Đinh vít; B- Đinh chốt đàn hồi; E- Măng xông; F,G- Vòng mở; H- Phần thân dưới piston; I- Phần nắp piston; K- Vòng côn nén mặt; L- Vòng nạo dầu; M,O– Vòng piston

- Vòng Piston: Cấu trúc vòng piston bao gồm hai vòng nén và phù hợp với vòng cạp dầu Tất cả vòng đều được mạ crôm và nằm trên vành piston

- Miếng lót xy lanh: Các lớp lót xilanh được đúc từ hợp kim gang xám đặc biệt với sức chống chịu tốt và độ bền cao Chúng là loại thấm nước và được thiết

kế sao cho khớp với khuôn của động cơ

Hình 1.6 Cơ cấu thanh truyền

1- Cán cho thanh truyền; 5- Stud, 6- Đai ốc; 7- Đinh chốt; 8- Ổ trục trên thanh truyền; 9- Ổ đỡ tay quay

- Cơ cấu trục cam bánh đà: Trục cam có vai trò quyết định đến chất lƣợng cháy và hiệu suất động cơ Trục cam gắn liền với nhiệm vụ “nạp đầy thải sạch “ của cơ cấu phối khí Nhờ sực tác động linh hoạt của quá trình đóng mở của xupap diễn ra theo một cách hoàn hảo

Hình 1.7.Cơ cấu trục cam 5,7,8,9 - Trục cam; 6- Bộ vít 6 cạnh; A,B,C- Bánh đà; D-Vành bánh động

cơ quay theo chiều kim đồng hồ; E- Vành bánh động cơ quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ; I- Khớp nối bu lông, K- Đinh ốc 6 cạnh; M- Đinh ốc đàn hồi; N,O- Bánh răng 2 phần

Trục cam có vai trò quyết định đến chất lượng cháy và hiệu suất động cơ Trục cam gắn liền với nhiệm vụ “nạp đầy thải sạch “ của cơ cấu phối khí Nhờ sực tác động linh hoạt của quá trình đóng mở của xupap diễn ra Trục cam gồm

ba phần chính các vấu cam nạp , vấu cam xả , cổ trục Các vấu cam trên trục cam thường được bố trí phù hợp với thứ tự làm việc của các xy lanh Thông thường trục cam có biên dang đối xứng Chiều cao vấu cam quyết định đến độ

mở của xupap Các cam thường có biên dạng thông dụng như cam lồi cung tròn, parapol…

Hình 1.8.Cơ cấu trục cam

Vấu cam có thể chế tạo liền với trục cam Đối với những động cơ tốc độ thấp vấu cam có thể làm rời sau đó lắp lên trục Khi chế tạo vấu cam rời thì trục cam thường làm bằng thép Khi chế tạo trục cam và vấu cam liền khối thì có thể được dập bằng thép hoặc đúng bằng gang chuyên dụng

1.3 Cơ cấu hế thống phụ trợ động cơ Diesel hãng Yanmar

1.3.1 Hệ thống cấp dầu nhiên liệu cho động cơ Diesel

Hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ diesel có chức năng cung cấp nhiên liệu từ thùng chứa vào bên trong buồng đốt của động cơ hoặc hòa trộn với không khí trước khi vào trong xylanh động cơ thực hiện việc chuyển hóa năng lượng từ hóa năng sang cơ năng khi động cơ hoạt động

Hình 1.9 Hệ thống cung cấp dầu nhiên liệu

Trong đó: No.1 Cyl – Xy lanh; F.O Inlet – Đầu vào dầu nhiên liệu; F.O.Outlet – Đầu ra dầu nhiên liệu; F.O Strainer – thanh lọc dầu nhiên liệu; Seal Pot – Thùng kín; FS – Bộ đo mức; Injection pump – Máy bơm cao áp; Drain - Ống dẫn; Drain pot – bình chứa cạn dầu; Plug – Nút xả; Injection valve – Van cao áp; T- Nhiệt kế

Nguyên lý hoạt động: Dầu nhiên liệu từ đầu vào inlet qua van kiểm tra áp suất đi qua hệ thống van điều tiết có màng lọc cho dầu đi vào đường ống dẫn dầu chính cho cơ chế hoạt động của xy lanh Trên đường ống này sẽ có máy đo

áp suất và cảm biến pt đo áp suất cho dầu nhiên liệu cấp cho xylanh ở đây hệ thống gồm 6 xylanh Để đi vào quá trình vận hành trong xylanh tiếp tục có thêm các bơm cao áp và các van cao áp để làm tăng hiệu quả trong quá trình nén khi trong xylanh Ở xy lanh chúng ta có thể thấy có hai đường ống thải dầu nhiên liệu gồm có dầu nhiên liệu thải hồi sau khi không dùng hết trong quá trình nén

và dầu bị rò rỉ trong quá trình vận hành Các cạn dầu sau khi được lọt sẽ được đến bình chứa Còn lại sẽ được đưa ra ngoài theo đường outlet f.o

Trên hệ thống này ta đặt các cảm biến Pt đo áp suất trên đường ống chính dẫn vào xylanh Ngoài ra còn có các đồng hô đo áp suất trực tiếp tại chỗ Cảm biến này sẽ đưa tín hiệu về để điều khiển và giám sát quá trình vận hành của động cơ Ngoài ra trên đường ống dẫn dầu chính còn có cảm biến đo nhiệt độ dầu đầu vào

Cảm biến áp suất dùng cho hệ thống này có ngưỡng từ: 0 đến 2.0 MPa Hoạt động bình thường ở 0.4 đến 0.45 MPa Cảm biến sẽ tác động đến nút bấm báo động của động hồ khi áp suất nhỏ hơn hoặc bằng 0.02 MPa Cảm biến nhiệt

độ cho dầu nhiện liệu hoạt có giải hoạt động từ 0℃ đến 200℃ Hoạt động bình thường ở 130℃ đến 140℃ Nó sẽ thông báo đến đồng hộ báo khi độ nhớt của dầu cao hơn hoặc bằng 17cSt ( 1cst = 1𝑚𝑚2/𝑠 )

1.3.2 Hệ thống dầu bôi trơn cho động cơ diesel hãng Yanmar

Hình 1.10 Hệ thống dầu bôi trơn trong động cơ Main bearing - Ống lót ổ trục; Rocker arm – Cỏ mổ trục chính; Main Gallery – Đường ống chính; Lub.Oil cooler – Hệ thống dầu bôi trơn được làm mát; L.o auto filter – Lưới lọc dầu bôi trơn; LB – Cảm biến nhiệt điện trở; T- nhiệt kế; P – Máy đo áp suất; PS – Công tắc áp suất; PT – Cảm biến áp suất; Common bed incorporated sump tank – Bể góp chung; Governor – Bộ điều tiết; Turbo charger – tua bin tăng áp; L.O inlet – Đầu vào dầu bôi trơn; L.O outlet – Đầu ra dầu bôi trơn

Nguyên lý hoạt động: Dầu bôi trơn theo đường ống vào inlet sẽ được đưa vào hệ thống bể góp chung Sau đó qua tấm màng lọc xốp được đưa đến máy

bơm Ở đây gồm có hai đường vào bên trong động cơ Giúp tăng áp suất cho hệ thống dồng bôi trơn Sau khi cả hai đường dầu góp chung để đạt áp suất hoạt động sẽ đi qua hệ thống làm mát Ở đây có đặt cảm biến nhiệt độ để đo nhiệt độ dầu làm mát đầu vào Sau đó chúng lại được đưa qua màng lọc tự động ở đây cũng đặt các máy đo áp suất và các nút tác động của cảm biến đo áp suất Tất cả những cặn dầu sẽ được chuyển ra ngoài qua đường ống đặt ở dưới màng lọc sau

đó chúng được chuyển đến bộ lọc ly tâm trở về bể góp chung Dầu sau khi được lọt ở màng lọc auto filter sẽ được chuyển đến đường ống chính Ở đây sẽ lại có một cảm biến đo nhiệt điện trở Đường ống chính này sẽ đưa dầu làm mát tới các chi tiết máy, các xylanh từ 1 đến 6, các trục cảm, cỏ mổ Trong đây đặt các tua bin tăng áp cũng như máy bơm tăng áp để tăng cao tính hiệu quả của dầu bôi trơn tránh tình trạng bị ứ đọng dầu trong hệ thống Sau khi bôi trơn chúng sẽ lại được chuyển về bể góp chúng Vòng tuần hoàn cứ như thế tiếp tục đến một số lần nhất định Dầu bôi trơn đã qua sử dụng sẽ lại được thay ra qua đường outlet Cảm biến áp suất Pt ở đường ống dầu bôi trơn chính có dải hoạt động từ 0 đến 1 Mpa Hoạt động bình thường từ 0.4 đến 0.45 Mpa Cảm biến sẽ báo động khi áp suất nhỏ hơn hoặc bằng 0.35 Mpa Nút báo động trên máy đo áp suất sẽ hoạt động khi đồng hồ báo áp suất không bình thường nhỏ hơn 0.02 Mpa Cảm biến nhiệt đo dầu bôi trơn đầu vào có dải hoạt động từ 0℃ đến 100℃, hoạt động bình thường 55℃ đến 70℃ Cảm biến pt sẽ báo khi đồng hồ chỉ lớn hơn hoặc bằng 75℃

1.3.3 Hệ thống nước làm mát cho động cơ Diesel hãng Yanmar

Hệ thống làm mát trong động cơ diesel có nhiệm vụ vô cùng quan trọng trong việc vận hành động cơ Ngoài nhiệm vụ chính là làm mát động cơ hệ thống còn có nhiệm vụ rút ngắn thời gian làm ấm máy giúp động cơ dần ổn định vào chế độ làm việc nhanh hơn khi khởi động

Dưới đây là hệ thống làm mát của hãng Yanmar

Hình 1.11 Hệ thống nước làm mát cho động cơ diesel

Hot water inlet and outlet – Đường ống nước làm mát vào ra; RB- Chuông báo động; RB – Van điều tiết 2 cấp nhiệt độ Lub oil cooler – Dầu làm mát; Air cooler – Không khí làm mát; Inlet from central pump – bơm trung tâm đầu vào; Outlet from central pump – Bơm trung tâm đầu ra; High tem f.w pump – Bơm nhiệt độ cao; P – nút báo động của đồng hồ đo áp suất; Pt – Cảm biến đo áp suất

Nguyên lý hoạt động: Nước làm mát được bơm chính đưa qua đầu vào inlet Nước sẽ được chia ra làm 2 nhánh một nhánh đi qua hệ thống làm mát không khí Ở đây sẽ đặt các cảm biến nhiệt đo nhiệt độ của nước trước khi vào hệ thống làm mát Sau khi được làm mát Nước làm mát này sẽ làm mát cho dầu bôi trơn sau đó sẽ được vẩn chuyển ra ngoài Ở trên đường ống này sau khi vào

làm mát cho dầu bôi trơn chúng sẽ được giám sát bởi các cảm biến đo nhiệt độ

và đo áp suất trước khi được đưa ra ngoài Đường ống thứ hai nước làm mát sẽ

đi qua bơm nhiệt độ cao đưa tới làm mát các xylanh các hệ thống làm việc Trên đường ống này cũng đặt các cảm biến nhiệt trước và sau khi được làm mát Sau

đó được vận chuyển theo đường ống tuần hoàn trở về đường ống nước làm mát đầu vào Trên đường ống vận chuyển ra đường ống nước có đặt cảm biến đo nhiệt độ của hệ thống nước sau khi làm mát các động cơ Nước sau khi làm mát các hệ thống động cơ ở nhiệt độ cao bay hơi sẽ được đưa ra ngoài theo các đường ống thông khí air vent hoặc đường outlet Vòng tuần hoàn cứ như thế tiếp tục khi động cơ hoạt động Trong hệ thống này ta sử dụng 2 cảm biến đo áp suất, sáu nhiệt kế, một cảm biến đo nhiệt kiểu pt và một kiểu nhiệt điện trở

Cảm biến áp suất đo nước trên đường ống sau khi làm mát hoạt động trong dải từ 0 đến 0.6 Mpa Thiệt bị cảm biến sẽ báo khi đồng hồ chỉ nhỏ hơn hoặc bằng 0.13 Mpa Cảm biến đo nhiệt độ nước làm mát ở đâu vào có dải làm việc

từ 0℃ đến 100℃ và cảm biến đặt ở độ vào chỉ để hiển thị thông số cho đồng hộ Cảm biến nhiệt đặt ở đầu ra có dải nhiệt độ từ 0℃ đến 200℃ hoạt Khi đồng hồ chỉ nhiệt độ nước làm mát đầu ra lớn hơn hoặc bằng 95℃ sẽ có tín hiệu báo động

1.3.4 Hệ thống khí nén và khí thải cho động cơ diesel

Khí nén được sử dụng để khởi động động cơ và để cung cấp năng lượng khởi động cho sự an toàn và kiểm soát thiết bị Việc sử dụng khí khởi động cho các mục đích khác nhau bị hạn chế bởi các quy định phân loại

Để đảm bảo các chức năng của các thành phần trong hệ thống khí nén,

không khí nén phải không có dính tạp chất từ các hạt rắn và dầu

Hình 1.12 Hệ thống khí nạp và khí xả Trong đó: From main air reservoir – Khí tự nhiên; Drain pot – Bình chứa khí;

Starting air inlet – Khí vào cho sự khởi động; Air motor for starting – Động

cơ khí khởi động; Starting magnet valve with manual control valve – Van nam châm kết hợp van tay; Control air treated by drier – Không khí đã đƣợc xử lý bằng máy sấy; Air piston for cw temp.control – Van khí điều khiển nhiệt độ; Mist gas outlet – Đầu ra của khí thải; Air cooler – Bộ phận làm mát khí; Turbo charger – Máy nạp tua bin; Exhaust gas outlet - Tua bin chạy bằng khí xả

Nguyên lý hoạt động : Trong sơ đồ trên bao gồm hai hệ thống làm việc

song song nhưng có liên quan đến nhau Đầu tiên chúng ta sẽ nghiên cứu nguyên lý làm việc của hệ thống khí nạp Khí từ tự nhiên sẽ được chuyển qua bình chứ khí bắt đầu vào đi qua đường ống khí inlet Chúng sẽ được đưa qua màng lọc khí Sau đó đi qua van áp suất cao để đưa khí từ 3Mpa xuống 1 Mpa Trên đường ống khí khởi động này có cảm biến đo áp suất pt và máy đo áp suất

p Sau khi đi qua 2 thiết bị đo này chúng sẽ đưa vào động cơ Động cơ bắt đầu quá trình khởi động

Quá trình thứ hai là quá trình xử lý khí xả: Khí từ các xỷ lanh được đẩy ra sau quá trình nén Sẽ được được đưa ra theo các đường ống dẫn khí dẫn đến bộ turbo tăng áp đặt trong động cơ Khí xả ra sẽ dẫn động làm turbo hoạt động một cách cưỡng bực Dẫn động đến động cơ nén khí đầu vào làm cho khí nén đầu vào Do đó nó sẽ giúp quá trình nén khí vào quá trình nạp một cách hiệu quả hơn

mà không phải nắp thêm động cơ gì Tăng hiệu suất hoạt động của xy lanh trong mỗi chu kỳ và sinh ra nhiều công hơn Lượng khí xả sau khi qua turbo quay sẽ được chuyển về bộ làm mát khí qua các màng lọc trước khi được đưa ra theo đường ống xả ra ngoài

Trong quá trình nạp chúng ta sử dụng cảm biến pt đo áp suất có các thông

số như sau: cảm biến này có dải đo từ 0 đến 1,6 Mpa Sẽ báo động khí đồng hồ chỉ áp nhỏ hơn 0.8 Mpa Còn máy đo áp suất có dải làm việc từ 0 đến 2.5 Mpa hoạt động bình thường ở 1Mpa Khí đầu vào dùng để điều khiển sẽ lắp máy đo

áp suất có dải hoạt động từ 0.7 đến 1 Mpa Nút báo động sẽ hoạt động khi thiết

bị báo động chỉ nhỏ hơn 0.6 Mpa Trong hệ thống này ta sử dụng 2 cảm biến đo

áp suất

Ở đây ta có sensor pt đo nhiệt độ khí xả vào turbo hoạt động trong dải từ 0 đến 700℃ Sensor sẽ báo tín hiệu báo động khi nhiệt độ khí từ xylanh ra trên 500℃ Trong hệ thống này ta sử dụng 2 cảm biến đo áp suất Một cảm biến đo nhiệt kiểu pt và 8 cảm biến nhiệt điện trở

Hình 1.13 Đường ống khí xả ra bên ngoài 1- Máy Diesel; 2- Ống thổi khí thải; 3- Kết nối để đo áp lực trở lại; 4- Miếng chuyển tiếp; 5- Xả với bộ thu hồi nước ( luôn mở ); 6- đáy; 7- SCR; 8- Đơn vị tiêm ure; 9- Yếu tố giảm thanh

Đường ống khí xả ra bên ngoài có nhiệm vụ làm giảm tiếng ổn từ động cơ, giảm hàm lượng các chất khí độc hại xả bên ngoài Giúp cho động cơ xả được khí trong quá trình nổ ở động cơ diesel ra ngoài để tiếp tục cho các chu kỳ hoạt động tiếp theo

1.4 Các biến cần điều khiển giám sát của động cơ Diesel Yanmar

Nhiệm vụ giám sát và điều khiên các thông số của động cơ Diesel là hết sức cần thiết Nó sẽ giúp giảm thiểu tối đa các sự cố, đảm bảo an toàn cho cả người và thiết bị vận hành trong quá trình hoạt động

- Thông số nhiệt độ nước làm mát của động cơ diesel: Tùy với từng công suất động cơ diesel cụ thể mà nhiệt độ nước làm mát dao động trong khoảng báo động là từ (80 C đến 90 C) Hệ thống làm mát trong động cơ diesel có nhiệm

vụ vô cùng quan trọng trong việc vận hành động cơ Ngoài nhiệm vụ chính là làm mát động cơ hệ thống còn có nhiệm vụ rút ngắn thời gian làm ấm máy giúp động cơ dần ổn định vào chế độ làm việc nhanh hơn khi khởi động Bên canh đó

chúng ta cũng phải làm mát dầu bôi trơn Trong quá trình làm việc của động cơ nhiệt độ dầu bôi trơn tăng lên rất nhiều do dầu bôi trơn phải làm mát các trục, phải tiếp xúc với các chi tiết có nhiệt độ cao như cò mồi, đuôi xupap pit tông Vì vậy nhiệm vụ làm mát dầu bôi trơn cũng vô cùng quan trọng Đường dầu bôi trơn sẽ được khoan song song với đường nước làm mát động cơ Khi đó nước làm mát động cơ sẽ đồng thời làm mát luôn cả dầu bôi trơn tạo thành một hệ thống tuần hoàn khép kín

- Thông số về mức dầu nhiên liệu:

Dầu nhiên liệu là dầu cung cấp trực tiếp cho quá trình vận hành của động

cơ diesel Nó phải luôn được đảm bảo có sẵn trong bình chứa khi động cơ đang hoạt động Dầu nhiên liệu là tác nhân trực tiếp tham gia quá trình hoạt động của piston không có nó thì động cơ sẽ không hoạt động được Khi động cơ đang hoạt động mà dầu nhiên liệu hết mà không được cung cấp kịp thời sẽ gây mất an toàn ảnh hưởng đến tuổi thọ của động cơ Điều quan trong là nó sẽ ảnh hưởng rất lớn đến toàn bộ hệ thống truyền tải điện trên tàu Gây ra những sự cô vô cùng

- Thông số về dầu bôi trơn trong hệ thống:

Trên bề mặt ma sát, trong quá trình làm việc thường có các vẩy rắn tróc ra khỏi

bề mặt Dầu bôi trơn sẽ cuốn trôi các vảy tróc sau đó được giữ lại ở các phần tử lọc của hệ thống bôi trơn, tránh cho bề mặt làm việc bị cào xước Vì vậy, khi động cơ chạy rà sau khi lắp ráp, sửa chữa, khi đó còn rất nhiệu mạt kim loại còn sót lại trong quá trình lắp ráp và nhiều vẩy rắn bị tróc ra khi chạy rà, do vậy phải dùng dầu bôi trơn có độ nhớt nhỏ để tăng khả năng rửa trôi các mạt bẩn trên bề mặt

Dầu bôi trơn có nhiệm vụ làm cho chuyển động của các bộ phận được ổn định hơn giảm tối thiệu sự ma sát tạo ra nhiệt giữa các chi tiết máy Hạn chế tiếng ồn trong quá trình hoạt động Ngoài ra dầu bôi trơn còn làm mát các chi tiết máy như trục khuỷu, các đai ốc vít… Và sự ô xi hóa trên bề mặt của các chi tiết

Hệ thống dầu bôi trơn sẽ giúp cho quá trình hoạt động của động cơ diesel

được thuận lợi, an toàn đem lại hiệu suất cao

Áp suất dầu bôi trơn là do bơm tạo ra Áp suất dầu bôi trơn chỉ lấy khi nhiệt

đô đạt 80℃ − 90℃ Vì khi ở nhiệt độ 20℃ − 25℃ vì khi đó độ nhớt cao, tổn thất dọc đường lớn nên áp suất sẽ cao Khi đạt ngưỡng làm việc bình thường áp suất dầu bôi trơn sẽ giảm Áp suất dầu giảm, tuần hoàn dầu lên bề mặt cần bôi trơn kém có thể dẫn đến mài mòn, không làm kín và chức năng làm mát giảm.Khi áp dầu cao bị nghẹt đường dầu bôi trơn trong hệ thống rất nguy hiểm Khi xảy ra sự cố với áp suất dầu bôi trơn ta hãy kiểm tra ngay các vị trí sau: bầu lọc tinh, lỗ dầu bôi trơn, cổ trục khuỷu, cổ biên, đường dầu bôi trơn và làm mát turbo, cặn bẩn trong dầu bôi trơn, lỗ dầu phun làm mát piston và bôi trơn piston

xi lanh

Khi xảy ra sự cố với áp dầu bôi trơn sẽ gây ra các hậu quả như sau: Gây cháy động cơ, tốc độ động cơ bị giảm, bơm chịu tải cao liên tục gây áp quá tải với bơm, phốt dầu ở đầu và đuôi động cơ dễ hư họng hơn do nóng và áp suất cao

- Thông số tốc độ trong động cơ diesel: Tốc độ động cơ diesel lai máy phát trên tàu thủy có nhiệm vụ rất quan trọng Phụ tải điện khí đó ( mô tô điện cá bơm, máy lái, máy nén , tời cẩu , các thiết bị chiếu sáng, các thiết bị hang hải … ) thường xuyên thay đổi Do đó năng lượng tiêu thụ của phụ tải động cơ cũng thường xuyên thay đổi dẫn đến vòng quay của động cơ bị dao động Nếu tốc độ động cơ bị dao động lên hoặc xuống quá mức quy định lúc này sẽ gây hậu quả:

 Tần số của lưới bị thay đổi dẫn đến ảnh hưởng tới tuổi thọ của các thiết bị điện

 Dễ dẫn tới tình trạng động cơ bị quá tải, quá tốc hoặc bị dừng đột ngột Với sự cấp thiết tốc độ động cơ diesel luôn luôn phải được giám sát và xử

lý kịp thời để giảm tối thiểu những thiệt hại khi tốc độ động cơ thay đổi gây ra cho toàn bộ hệ thống phụ tải trên tàu

1.5 Phân tích hệ thống máy phát đồng bộ động cơ Yanmar

1.5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phát đồng bộ

“ Máy phát điện đồng bộ là loại máy mà phần cảm ( phần kích từ ) được cấp dòng một chiều Còn phần ứng là phần lấy điện ra có tần số đồng bộ với tốc

độ quay của từ trường kích từ ( tức là đồng bộ với tốc độ quay của động cơ sơ cấp lai máy phát )

Hình 1.14 Mặt cắt máy phát xoay chiều 1- Máy đo dầu; 2- Miếng chắn gang; 3- Môi trường kích từ; 4- Khung bằng thép nhẹ; 5- Thanh van điều tiết bằng đồng; 6- Vòng dầu bằng thau; miếng chắn bằng metal; 9- Đồng hồ nhiệt; 12- Cuộn kích từ; 15- Chỉnh lưu xoay; 16- Van điện trở; 18- Lõi bằng thép nhẹ pha silicon;19- Ống mảnh bằng thép; 20- Lõi rotor; 22- Dầu stator; 24- Tấm giảm chấn; 25- Quạt; 26- Quạt chính; 27- Trục; 28- Nắp thông gió

Nguyên lý hoạt động: Khi động cơ lai roto của máy phát chính chạy với tốc

độ ổn định ở giá trị định mức, do ban đầu máy phát có từ dư nên điện áp máy phát sẽ nhanh chóng được thành lập và tín hiệu kích từ được lấy từ cầu chỉnh lưu đưa tới cuộn kích từ c ủa máy phá kích từ Từ trường trong cuộn dây do roto của máy phát quay nên tạo ra trong cuộc dây ba pha của máy phát kích từ có sức điện động ba pha Nguồn điện xoay chiều bap ha này được bộ kích từ chính tạo

ra từ trường kích từ cảm ứng trên cuộc dây bap ha của máy phát sức điện động

ba pha, tao lên điện áp trên cực của máy phát chính

Trong quá trình vận hành và khai thác bản thân máy phát đã phát đã phát ra nhiệt góp phần làm giảm độ ẩm từ môi trường bên ngoài Chính vì thế sẽ làm giảm điện trở cahs điện của máy phát dẫn tới gây nên dòng rò trong quá trình làm việc và có nguy cơ cách điện bị đánh thủng khi có xung điện áp cao Vì vậy, trên máy được trang bị một thiết bị để giữ cho nhiệt độ của máy phát lớn hơn nhiệt độ môi trường, làm tăng điện trở cách điện đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và làm giảm trở kháng trong các cuộn dây, đảm bảo khả năng tự kích hoạt tốt

Thiết bị sấy được đặt ở nơi thấp nhất của khung máy để năng lượng nhiệt

dễ tuần hoàn trong máy, phục vụ có hiệu quả, bảo vệ cuộn dây và các phần tử có liên quan đến độ ẩm” [1]

1.5.2 Phân loại máy phát đồng bộ

“Máy phát đồng bộ được phân ra làm ba loại như sau:

- Máy phát đồng bộ cực hiện bão hòa

- Máy phát đồng bộ cực ẩn bão hòa

- Máy phát đồng bộ cực ẩn không bão hòa[5]

Máy phát đồng bộ cực ẩn: là máy có roto chế tạo bằng thép hợp kim chất lượng cao được rèn thành khối trụ và phay các rãnh đặt dây trên mặt roto, phần không phay hình thành một mặt phằng từ đường kính roto Để tăng công suất máy ta có thể kéo dài lỗi thép Các vòng dây quấn của cuộn kích từ được chế tạo bằng vật liệu đồng cứng đặt trong rãnh và cách điện bằng Mika Dây quấn roto được thực hiện phân bố không tập trung được h Các thanh dẫn được nêm chặt, thanh nêm phi từ tính, các đầu dây được cố định bằng ống thép phi cực tính Đối với máy công suất lớn thường có một máy phát nhỏ làm nhiệm vụ kích từ gắn đồng trục với máy phát chính có f=2f máy phát chính

Hình 1.15 Roto máy phát đồng bộ cực ẩn chưa được quấn dây

Stato làm bằng thép kĩ thuật điện 0,5mm Thân máy chế tạo bằng thép kết cấu hàn lại với nhau và được thiết kế chung với nắp và trục ngang ổ có thể đặt riêng

Các máy phát được lắp đặt trong trạm phát điện tàu thủy dòng xoay chiều 3 pha đều là các máy phát không bão hòa Còn các máy bão hòa chỉ sử dụng làm các máy phát tốc

Máy phát đồng bộ không bão hòa cực hiện chỉ dùng với những máy diesel thấp tốc Còn máy không bão hòa cực ẩn thì thường dùng với các loại diesel cao tốc hoặc các loại tuốc bin…

- Máy phát đồng bộ cực hiển là máy có: Roto ghép bởi nhiều cực từ, lõi thép của các cực từ được chế tạo từ thép nguội khối hoặc ghép các lá thép mỏng lại với nhau

Hình 1.16 Hình dạng roto cực hiện khi đã đóng trục Các cực từ được ghép với trục và bệ đỡ thông qua hệ thống bu lông cực từ Dây quấn cực từ chế tạo bằng đồng với chất lượng cao và quấn xung quanh thân các cực từ Đối với máy phát điện công suất lớn và động cơ điện ngoài dây quấn cực còn có dây quấn cản và dây quấn mở máy chế tạo dưới dạng lồng sóc đặt trên bề mặt cưc Điện trở dây quấn cản nhỏ hơn điện trở dây quấn Trục được chế tạo bằng thép hợp kim trước khi gia công Stato khác với stato máy cực ẩn, máy phát cực từ đặt đồng trục với máy phát chính Trục đặt thẳng đứng và bộ đỡ giá treo gọi là máy kiểu treo Trục đặt thẳng đức và bộ đỡ igas dưới gọi là máy kiểu dù”[5]

Hình 1.17.Stato máy phát trong quá trình thi công

1.5.3 Nguyên lý điều hòa đồng bộ máy phát

Trong một tổ hợp lưới điện máy phát công suất lớn cho các khu công nghiệp cũng như các hệ thống điện trên tàu thủy thường có nhiều hơn hai máy phát cùng hoạt động song song với nhau Vì vậy chúng ta phải luôn hết sức lưu

ý tới việc hòa đồng bộ cho hệ thống máy phát này để đem lại hệ thống điện ổn định cho các thiết bị làm việc.Theo để hệ thống gồm nhiều máy phát hoạt động song song ổn định chúng ta phải đảm bảo các điều kiện sau:

 Tần số máy phát 𝑓𝐹 phải luôn luôn bằng tần số lưới 𝑓𝐿

 Điện áp máy phát 𝑈𝐹 bằng điện áp của lưới điện 𝑈𝐿 : 𝑈𝐹=𝑈𝐿

 Thứ tự pha của máy phát phải bằng thứ tự pha của lưới

 Điện áp máy phát trùng với điện áp pha của lưới điện

Khi đảm bảo các điều kiện này thì ta sẽ thực hiện được việc hòa đồng bộ nhiều máy phát Nếu không đảm bảo các điều kiện trên thì sẽ gây hậu qua nghiêm trọng cho hệ thống lưới điện cũng như các thiết bị vận hành phía dưới Thực tế ta thấy điều kiện 2 với điều kiện 3 khá mâu thuẫn với nhau

Hình 1.18 Hệ thống các máy phát làm việc song song với nhau

Vì vậy nếu muốn cho góc pha của 2 phía trùng nhau thì ta phải điều chỉnh tần số Mà đã điều chỉnh tần số thì tần số không thể bằng nhau Còn nếu giữ được cho tần số bằng nhau thì không bao giờ điều chỉnh được góc pha Vì thế ta chỉ để tần số của hai hay nhiều máy xấp xỉ bằng sau và có một sai lệch nhất định nằm trong khoang Delta cho phép Thông thường người ta thường điều chỉnh