Việc nghiên cứu lý thuyết, điều chỉnh tối ưu nâng cao công suất cho động cơ đốt trong là rất cần thiết trong quá trình nghiên cứu nhiên liệu mới, khai thác, sửa chữa động cơ đốt trong. Hiện nay vẫn sử dụng thiết bị cơ khí, nhưng loại này có độ trễ lớn, độ chính xác thấp, tùy thuộc vào kinh nghiệm của người sử dụng, rất khó để tính toán, so sánh và phân tích. Việc sử dụng kỹ thuật số để đo lường và phân tích có lợi thế rõ ràng so với các hệ cơ khí: độ chính xác rất cao, có khả năng tự động tính toán, đo đạc, phân tích rất nhiều thông số khác nhau theo thời gian thực.
THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Nghiên cứu hồn thiện chương trình tính tốn cho thiết bị phân tích q trình cơng tác động đốt Completed research program for computational analysis equipment working process of internal combustion engines Nguyễn Trí Minh, Trương Văn Đạo, Đồng Mạnh Hùng Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, triminhdhhh@yahoo.com Tóm tắt Việc nghiên cứu lý thuyết, điều chỉnh tối ưu nâng cao công suất cho động đốt cần thiết trình nghiên cứu nhiên liệu mới, khai thác, sửa chữa động đốt Hiện sử dụng thiết bị khí, loại có độ trễ lớn, độ xác thấp, tùy thuộc vào kinh nghiệm người sử dụng, khó để tính tốn, so sánh phân tích Việc sử dụng kỹ thuật số để đo lường phân tích có lợi rõ ràng so với hệ khí: độ xác cao, có khả tự động tính tốn, đo đạc, phân tích nhiều thơng số khác theo thời gian thực Vì vậy, nhóm nghiên cứu lựa chọn thiết kế thiết bị đo đạc phân tích q trình cơng tác động diesel máy tính kết hợp với vi điều khiển Từ khóa: Cơng suất động đốt trong, kỹ thuật số, đo đạc phân tích, trình cơng tác động Abstract The theoretical study, optimal correction enhance capacity for internal combustion engines are essential in the process of researching the alternative fuel, operating, repairing the internal combustion engine Currently people use mechanical equipment, but this kind of large delays, low accuracy and depending on the user experience and is difficult to calculate, compare and analyze Use of digital has major use to measure and analyze the evident advantages compared with mechanical system: high accuracy, with the high ability to automatically calculate, and analyze many parameters in real time Our research focuses on design instrumentation and analysis combustion characterises of the diesel engine by computer integrating with microcontrollers Keywords: Capacity for internal combustion engines, digital, instrumentation and analysis, combustion characterises Giới thiệu thiết bị Hệ thống đo lường phân tích q trình cơng tác cho động Diesel trở lên nhu cầu thiết kỹ sư việc thiết kế, khai thác, hiệu chỉnh tối ưu nâng cao công suất chẩn đốn tình trạng kỹ thuật hệ động lực tàu thuỷ Xuất phát từ nhu cầu số hãng giới phát triển hệ thống AVL, Kistler, PCB,… Một trở ngại để áp dụng thiết bị ngoại nhập giá thành hệ thống thường đắt Theo chúng tơi biết, Việt Nam chưa có sở nghiên cứu công ty phát triển hệ thống Bài viết muốn giới thiệu hệ thống dùng để đo đạc phân tích q trình cơng tác cho động đốt sử dụng máy vi tính kết hợp với vi điều khiển (µC) Một số ưu điểm bật xác, tin cậy, giá thành hạ, dễ lắp đặt, có nhiều tiện ích, áp dụng cho động đốt kể với động cao tốc So sánh với thiết bị nhập ngoại sản phẩm chúng tơi có giá thành hạ, chi phí huấn luyện, bảo dưỡng, thay thấp hơn, lắp đặt đơn giản, nhiều tiện ích sau: - Tốc độ truyền MBps; - Truyền xa đến km; HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 176 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Cách ly điện 2.4 kV; Đo kênh áp suất cháy, kênh áp suất phun nhiên liệu; Phần cứng xác, gọn nhẹ, dễ sử dụng; Phần mềm thiết kế khoa học, dễ dùng, nhiều tiện ích; Có nhiều tính tốn, đồ thị hơn; Thể góc đóng mở xupap đồ thị; Có hay khơng có thiết bị xác định góc quay (Encoder hay Proximity) đo được; - So sánh tất đồ thị tính tốn theo thời gian; - Tính xác cơng suất thị động đốt trong; - Có thể so sánh liệu lần đo khác nhau, động khác nhau; - Có thể so sánh liệu kiểu động khác (2/4 kỳ); - Tín hiệu trung thực; - Cơng cụ Engine Report, đơn giản, dễ dùng thuận tiện cho báo cáo, có tính tạo Report từ File Template lần đo trước; - Có thể xuất liệu đo File Excel dùng để nghiên cứu tiếp theo, hãng khác khơng có tính Cơ sở lý thuyết, tính tốn thiết kế thiết bị phân tích Để tính tốn thơng số động lực học cho động đốt ta xây dựng mơ hình tính sau: - Hình 2.1 Mơ hình tính tốn cho động đốt H: chiều cao từ đỉnh piston, D: đường kính xy lanh, P: lực áp suất buồng đốt, l: chiều dài biên, 2R: hành trình piston, α: góc quay trục khủy γ: góc kẹp biên Tính mơ men quay theo áp suất cháy Theo hình 2.1 ta tính cơng thức sau: M p*S * D2 R )) l ; * R N /m 2* Cos(arcSin( Sin( ) )) l sin( arcSin( Sin( ) (1) Tính cơng suất thị Và tính cơng suất thị sau: R P p*S * D sin( arcSin( Sin( ) l )) 2* * n * R 2* Cos(arcSin( Sin( ) )) l * 60 kW (2) Trong trường hợp động có patanh bàn trượt tương tự Tính tốn hành trình Piston h: HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 177 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 h h0 + l R l.cos R.Cos m (3) Tính % thể tích cơng tác động cơ: 100* h0 l R l.cos R.Cos 100* h % (4) h0 R h0 R Sơ đồ kết nối thiết bị phân tích với động Để phân tích q trình cơng tác cho động đốt thiết bị kiểm tra giám sát kết nối sơ đồ sau: h% Hình 2.2 Sơ đồ kết nối với động Thiết kế chế tạo thiết bị phân tích Yêu cầu thiết kế - Dải đo: đo áp suất cháy: - 250 bar, đo áp suất cao áp - 3000 bar; - Thiết bị đơn giản, dễ lắp đặt sử dụng cho tất loại động hoạt động; - Vẽ đồ thị P/φ, T/φ, M/φ, P/t, T/t, M/t, P/V, T/V, M/V,… nhiều đồ thị, tính tốn liên quan đến q trình cơng tác động đốt trong; - Xác định giá trị Pc, Pz tốc độ tăng áp, vòng quay; - Tính tốn xác công suất thị Pi nhiều thông số khác; - Vẽ đồ thị tốc độ Piston, giá trị cực đại trung bình; - So sánh khơng đồng Pc, Pz, cơng suất, vòng quay,… Cylinder Lựa chọn thiết kế kiểu dáng công nghiệp Hình 3.1 Module thiết bị Hình 3.2 Tồn thiết bị Phần cứng thiết bị HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 178 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Phần cứng xây dựng chương trình thiết kế mạch AD (Altium Designer) lập trình vi điều khiển ngôn ngữ C, làm nhiệm vụ thu thập, xử lý sơ liệu gửi cho PC (Personal computer) Hình 3.3 Sơ đồ mạch điện Hình 3.4 Mạch in 3D Phần mềm: xử lý liệu, tính tốn, phân tích thơng số, hiển thị theo thời gian thực Các phần mền xử lý liệu, tính tốn, phân tích thơng số, hiển thị theo thời gian thực sau: Hình 3.5 Giao diện Hình 3.6 Các đồ thị tính tốn Hình 3.7 So sánh giá trị tính tốn Hình 3.8 Đồ thị P/V Kết trình đo thực tế Quá trình đo đồ thị q trình cháy động HANSHIN 6L27BHS Power: 700PS Speed: 400 RPM tàu Sao Biển thể hình 4.1, 4.2 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 179 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Hình 4.1 So sánh đồ thị P/ø Hình 4.2 So sánh đồ thị TDC Sau đo thực tế thiết bị phân tích q trình cháy cho xuất thông số động thể bảng 4.1 Bảng 4.1 Quá trình đo tính tốn có số liệu Pmax (bar) Pc (bar) Pc/Pmax Góc phun sớm Pi (bar) Speed (RPM) Power (kW) Cyl1 / 44.08 34.70 0.79 5.69 6.71 300.26 38.45 Cyl2 / 44.34 32.75 0.74 5.82 6.66 303.27 38.55 Cyl3 / 46.71 35.92 0.77 6.64 7.51 300.39 43.05 Cyl4 / 45.37 35.96 0.79 2.87 7.03 301.61 40.44 Cyl5 / 46.06 36.65 0.80 3.73 6.78 303.89 39.35 Cyl6 / 47.76 37.63 0.79 4.63 7.29 303.97 42.27 Average 45.72 35.60 0.78 4.90 7.00 302.23 40.35 SUM 242.11 Qua q trình đo đạc phân tích thiết bị đánh giá tình trạng, trình làm việc động sau: - Sự không đồng Pc, Pz, Góc phun sớm, chậm cháy, cháy rớt, tỷ số tăng áp Pc/Pz, công suất xy lanh Qua có thể: - Cân giá trị xy lanh để động hoạt động ổn định, tin cậy, nâng cao công suất, hiệu suất, tuổi thọ động Bảng 4.2 Đánh giá tình trạng động Các giá trị STT Có thể đánh giá Pc Mức độ dò lọt Việc nạp khí có hồn thiện không Pz Chất lượng cháy, lượng cấp nhiên liệu Góc phun sớm Góc phun sớm, mức độ cháy trễ Mức độ cháy trễ Chất lượng phun, vòi phun Tỷ số Pc/Pz Tỷ lệ dư lượng khơng khí, chất lượng cháy Cơng suất Sự đồng cơng suất Kết luận Thiết bị phân tích q trình cơng tác cho động thiết bị hữu ích lĩnh vực khai thác, sửa chữa nghiên cứu động đốt trong, nhiều lý do, thời gian dài (một số hãng bắt đầu phát triển từ năm 1950) hãng phát triển thiết bị chưa đưa thiết bị gần gũi với người dùng: giá thành, tiện lợi, gọn nhẹ, dễ dùng, HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 180 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 xác,… Chúng xây dựng thiết bị với mong muốn đưa sản phẩm đến gần hơn, mang lại nhiều lợi ích cho việc huấn luyện, bảo dưỡng khai thác động đốt nói chung động diesel tàu thủy nói riêng cách hiệu Tài liệu tham khảo [1] Microchip datasheet: dsPIC30F Family Reference Manual [2] Microchip dsPIC compile [3] IC datasheet [4] Sensor datasheet [5] GS.TS Nguyễn Tất Tiến, Nguyên lý động đốt [6] MSVS2013, Altium Designed HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 181 ... khơng có tính Cơ sở lý thuyết, tính tốn thiết kế thiết bị phân tích Để tính tốn thơng số động lực học cho động đốt ta xây dựng mơ hình tính sau: - Hình 2.1 Mơ hình tính tốn cho động đốt H: chiều... Tính % thể tích cơng tác động cơ: 100* h0 l R l.cos R.Cos 100* h % (4) h0 R h0 R Sơ đồ kết nối thiết bị phân tích với động Để phân tích q trình cơng tác cho động. .. khí, chất lượng cháy Công suất Sự đồng công suất Kết luận Thiết bị phân tích q trình cơng tác cho động thiết bị hữu ích lĩnh vực khai thác, sửa chữa nghiên cứu động đốt trong, nhiều lý do, thời