Bài báo giới thiệu phương pháp nhận biết trạng thái tải trọng và xác định điểm làm việc tức thời của động cơ diesel nhờ đo trực tuyến nhiệt độ khí thải khi động cơ đang làm việc. Đặc tính tốc độ của động cơ diesel, quan hệ giữa nhiệt độ khí thải với các chế độ tải trọng được xác định dựa trên một mô hình động cơ tĩnh học, bán thực nghiệm. Việc tính toán định lượng được thực hiện trên thí dụ động cơ diesel 1 xy lanh, D12A.
THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Giám sát tải trọng động diesel thơng qua tín hiệu nhiệt độ khí thải Supervision of engine load through signal of exhaust temperature Bùi Hải Triều, Bùi Việt Đức Học viện Nơng nghiệp Việt Nam, haitrieukydol@vnua.edu.vn Tóm tắt Bài báo giới thiệu phương pháp nhận biết trạng thái tải trọng xác định điểm làm việc tức thời động diesel nhờ đo trực tuyến nhiệt độ khí thải động làm việc Đặc tính tốc độ động diesel, quan hệ nhiệt độ khí thải với chế độ tải trọng xác định dựa mơ hình động tĩnh học, bán thực nghiệm Việc tính tốn định lượng thực thí dụ động diesel xy lanh, D12A Điểm làm việc đặc tính động diesel giám sát hệ thống đo xử lý tín hiệu đơn giản với cảm biến số vòng quay động cảm biến nhiệt độ khí thải Từ khóa: Động Diesel, đặc tính động cơ, tải trọng động Abstract The paper presents the methods of identifying the load status and determining the instantaneous operating point of the diesel engine by online measuring exhaust temperature during engine operation Speed characteristics of the diesel engine, relations between the exhaust temperature with the load mode is determined based on a static model of the engine, semi - empirical The quantitative calculation is performed in 1-cylinder diesel engine D12A Working point on diesel characteristics can be monitored by a simple system of measurement and signal processing with rpm engine and exhaust temperature sensor Keywords: Diesel engine, engine characteristics, engine load Đặt vấn đề Trong hoạt động thực tế động đốt trong, nhiệt độ khí thải sử dụng đại lượng đo để giám sát trình cháy, để đánh giá tải trọng nhiệt độ nhóm piston- xy lanh, để nhận biết sai lệch trình biến đổi lượng xy lanh riêng lẻ hư hỏng xu páp xả Trong hệ thống giám sát điều khiển điện tử đại, nhiệt độ khí xả thường dùng làm số đo trạng thái tải trọng động với thông số khác thông số điều khiển hệ thống hồi lưu khí thải hệ thống lọc muội than [1] Trong báo tác giả xây dựng phương pháp xác định điểm làm việc giám sát tải trọng động diesel sở đo liên tục (online) nhiệt độ khí thải động làm việc với chi phí đầu tư nhỏ Thông tin trạng thái làm việc động sử dụng làm sở liệu để chẩn đoán, đánh giá trạng thái kỹ thuật động làm thông số điều khiển để tối ưu hóa máy kéo liên hợp máy nơng nghiệp q trình sản xuất Mơ hình tính tốn nhiệt độ khí thải theo điều kiện làm việc động Diesel Để nhận biết điểm làm việc trạng thái tải trọng động diesel cần biết quan hệ nhiệt độ khí thải với tải trọng ứng với chế độ làm việc Quan hệ định lượng nhiệt độ khí thải với tải trọng xác định nhờ mơ hình động mô phần mềm chuyên dụng AVL- BOOTS, GT - POWER,… Với độ xác chấp nhận được, tác giả sử dụng mơ hình động tĩnh, phi tuyến, hàm thực nghiệm phát triển đại học Rostock CHLB Đức [2, 3] Lược bỏ mô hình thành phần khơng liên quan đến mục đích nghiên cứu, mơ hình động lại thành phần sau Mơ hình biến đổi lượng xy lanh mô tả quan hệ cần xác định Nhiệt độ khí xy lanh tính theo cơng thức: HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 197 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 TZ= 0,833Ta +313 (1) Với Ta nhiệt độ dòng khí vào xy lanh Lưu khối dòng khí xy lanh thời điểm tính theo chế độ danh nghĩa: mz mz0 ( pz e Tz ) pz e Tz (2) Trong đó: e0, m z , pz0, Tz0 vận tốc góc động cơ, lưu khối áp suất, nhiệt độ khí xy lanh chế độ danh nghĩa Lưu khối dòng khí nạp: m zL m z e m e r (3) Trong đó: m r lưu khối lại xy lanh Lưu khối dòng khí thải tính theo công thức: m zG m z mB (4) Với m B lưu khối dòng nhiên liệu vào động Hệ số dư khơng khí: m zL (5) m B Lmin Với Lmin lượng khơng khí lý thuyết để đốt cháy hết kg nhiên liệu Công suất hữu ích động tính sau: Ne= Ni-Nm (6) Trong đó: Ni m B i H u công suất thị; ηi = ηi0 λ1/λ.λ01/λ hiệu suất thị; Nm N e m Ni e2 0, 02 0, 03 e m Ni e20 e tổn thất giới xây dựng thực nghiệm [4] Nhiệt độ dòng khí cháy khỏi xy lanh tính theo cơng thức cân nhiệt: Q T m zL C pL TzL mB H u mB H u i w TzG Tw TzG Q T mzG C pG w TzG Tw (7) Trong đó: HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 198 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 N Q m B H u mzL C pL TzL e m zG C pG TzG dòng nhiệt truyền qua vách xy m lanh chế độ danh nghĩa Tw nhiệt độ vách xy lanh - Mô hình cung cấp nhiên liệu Lượng nhiên liệu cung cấp vào xy lanh phụ thuộc chủ yếu vào vận tốc góc hành trình có ích pis ton bơm Trong mơ hình sử dụng cơng thức thực nghiệm để tính lưu khối dòng nhiên liệu vào động cơ: h h ib kg/s m B b b ln b 3 h K 10 (8) Trong đó: b - khối lượng riêng nhiên liệu; fb - tiết diện piston bơm; h, hmin - hành trình hành trình tối thiểu tay thước điều khiển bơm cao áp; K - hệ số thực nghiệm, ib tỷ số truyền đến trục bơm - Mơ hình hệ thống thải Hệ thống thải giả thiết bầu hở, tổn thất nhiệt qua vách Trên sở định luật bảo tồn lượng, khối lượng phương trình trạng thái chất khí mơ tả q trình thay đổi nhiệt độ bầu theo cơng thức: m zG (G.TzG Cv TG ) m x Tx R TG Cv mG mw C pw (9) Tại chế độ làm việc ổn định T G dTG xác định nhiệt độ khí thải theo dt công thức sau: TG m zG C p TzG m x Tx R (10) mzG Cv Trong đó: Tx - nhiệt độ dòng khí khỏi ống xả; TzG - nhiệt độ dòng khí cháy khỏi xy lanh; mzG - lưu khối dòng khí xả ống thải; Cp, Cv, R - nhiệt dung riêng số Xây dựng quan hệ nhiệt độ khí thải điểm làm việc động Để xây dựng quan hệ định lượng nhiệt độ khí thải điểm làm việc động Diesel, tác giả lựa chọn động D12 làm ví dụ tính tốn Các số liệu kết cấu chế độ làm việc, giá trị thông số điểm làm việc tham chiếu, tham khảo tài liệu [5] Ứng với chế độ tải trọng, tương ứng hành trình tay thước nhiên liệu theo phần trăm hành trình tồn tải, tính tốn cơng suất Ne nhiệt độ khí thải G = TG - 273oC theo cơng thức trình bày mục chế độ tốc độ n = 1000, 1200,… 2000 vòng/phút Kết tính tốn trình bày bảng HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 199 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Trên sở bảng số liệu (bảng 1) xây dựng đặc tính tốc độ đặc tính nhiệt độ khí thải động D12: Tuy nhiên để thuận tiện cho việc xử lý thông tin phục vụ cho việc giám sát tải trọng thơng qua nhiệt độ khí thải cần thiết xây dựng quan hệ đồ thị nhiệt độ khí thải với chế độ tải trọng tương ứng với chế độ Hình trình bày đồ thị biểu diễn quan hệ nhiệt độ khí thải với chế độ tải trọng động D12 Bảng Kết tính tốn cơng suất nhiệt độ khí thải Tải trọng % Tốc độ v/phút 100% 95% 90% 85% 80% Ne,ml G, C Ne,ml G, C Ne,ml G, C Ne,ml G, C Ne,ml G, C 1000 6,5 530 6,1 525 6,5 520 515 4,7 510 1200 8,1 547 7,6 538 6,9 532 6,5 527 6,1 520 1400 9,4 560 8,8 550 8,2 543 7,8 538 7,2 530 1600 10,5 572 10 561 9,4 552 8,9 547 8,3 538 1800 11,4 582 11 572 10,3 561 9,8 554 9,3 545 2000 11,9 590 11,5 580 11 570 10,5 560 10 550 Hình Quan hệ nhiệt độ với chế độ tải trọng Có thể đánh giá nhiệt độ khí thải có quan hệ gần tuyến tính với chế độ tải trọng tương ứng với chế độ tốc độ quay động Từ nhận xét đề xuất phương án giám sát tải trọng trạng thái hoạt động động đơn giản, giảm thiểu chi phí đầu tư cho hệ thống đo, giám sát Hệ thống giám sát cần bố trí cảm biến dễ tìm giá hợp lý thị trường cảm biến số vòng quay trục khửu cảm biến nhiệt độ khí thải Cảm biến số vòng quay cho biết vận tốc góc tức thời trục khửu, cảm biến nhiệt độ cho biết nhiệt độ khí thải tương ứng Nếu kết hợp với xử lý biểu thị đơn giản nhận biết HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 200 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 điểm làm việc tức thời AP(Mene) AP (Nene) phần trăm tải trọng vùng chế độ làm việc tương ứng Kết luận đề nghị Trong nhiều trường hợp việc kiểm tra, điều chỉnh tự động điều khiển chế độ làm việc động cần thực động làm việc Các thông tin trạng thái kỹ thuật trạng thái tải trọng thường xác định từ cảm biến vận tốc góc cảm biến mơ men quay Việc sử dụng cảm biến mô men quay trường hợp thực tế phức tạp, chi phí đầu tư lớn, đặc biệt liên hợp máy nông nghiệp hoạt động đồng tàu thuyền hoạt động sơng biển Do sử dụng cảm biến nhiệt độ để xác định gần công suất tải, dự đoán vùng làm việc động phương án khả thi, giảm chi phí nghiên cứu có độ tin cậy chấp nhận thực tế sản xuất Hướng nghiên cứu xây dựng quan hệ nhiệt độ khí thải công suất động thực nhiệm động cụ thể, phát triển ứng dụng hệ thống giám sát tải trọng động thông qua nhiệt độ khí thải, thí dụ chuẩn đốn kỹ thuật, quản lý máy, điều khiển tự động tối ưu hóa vận hành khai thác thiết bị lắp động Diesel Tài liệu tham khảo [1] Thorsfen schulz (1991) Zur Diagnose der energieumwadlung in dieselmotoren under besonderer embuziehung der abgastemperatur Dissetation Uni Magdeburg [2] Schmidt, Rebeleinw (1988) Methodik zurberrching de Betriebsverhaltens von Land maschinenantrieben Agrartechnik VEB verlag Berlin [3] StieperK (1986) Motorteilsystemmodelle, Rostock Universitat [4] Bui Hai Trieu (1990) Unterouchung und analyse des dynamischen Betriebsverhaltens des Traktotantriebs Uni Rostck [5] Đặng Tiến Hòa (1999) Nghiên cứu số vấn đề động lực học liên hợp máy cỡ nhỏ điều kiện sản xuất Việt Nam Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Nông nghiệp Hà Nội HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 201 ... nhiệt độ khí thải với chế độ tải trọng tương ứng với chế độ Hình trình bày đồ thị biểu diễn quan hệ nhiệt độ khí thải với chế độ tải trọng động D12 Bảng Kết tính tốn cơng suất nhiệt độ khí thải Tải. .. tốc độ đặc tính nhiệt độ khí thải động D12: Tuy nhiên để thuận tiện cho việc xử lý thông tin phục vụ cho việc giám sát tải trọng thông qua nhiệt độ khí thải cần thiết xây dựng quan hệ đồ thị nhiệt. .. Hình Quan hệ nhiệt độ với chế độ tải trọng Có thể đánh giá nhiệt độ khí thải có quan hệ gần tuyến tính với chế độ tải trọng tương ứng với chế độ tốc độ quay động Từ nhận xét đề xuất phương án giám