1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu
2.1 Ph−ơng pháp chẩn đoán động cơ
Trong quá trình sử dụng công suất hiệu dụng của động cơ giảm chậm và chi phí nhiên liệu riệng tăng chậm. Tuy nhiên các chỉ tiêu này bị làm xấu đi th−ờng là do sự không nhạy điều chỉnh của các hệ thống trong động cơ và không thể làm cơ sở để gửi đi sửa chữa lớn.Trong đa số các tr−ờng hợp hao tổn công suất và giảm tính tiết kiệm chi phí nhiên liệu có thể khắc phục đ−ợc ngay ở cơ sở vận tải hoặc các trạm bảo d−ỡng nhỏ, đặc biệt khi đó có các thiết bị đánh giá định l−ợng các chỉ tiêu này.
Các nguyên nhân cơ bản của các hỏng hóc trên động cơ th−ờng là hở đ−ờng nạp không khí, điều chỉnh không đúng hoặc thay đổi góc bắt đầu phun hoặc góc đánh lửa, kẹt tắc các thiết bị phun nhiên liệu và nói chung là sai lệch trạng thái hoạt động đúng của hệ thống cung cấp nhiên liệu và đốt cháy. Đối với mỗi dạng cấu trúc của các hệ thống này, các sai lệch sẽ có những biểu hiện riêng, thí dụ đối với hệ thống cung cấp chế hoà khí là sai lệch trạng thái của cácburatơ còn đối với hệ thống phun xăng điện tử là sai lệch trạng thái của vòi phun hoặc mạch điều khiển điện tử... Các nguyên nhân khác là chất l−ợng các chi tiết làm kín kém, các chi tiết không đ−ợc xiết đủ chặt, điều chỉnh không đúng các cơ cấu và hệ thống, cân bằng không đủ cho động cơ, làm sạch kém các bộ phận lọc dầu, rò rỉ ở hệ thống làm mát. Khả năng làm việc của động cơ đ−ợc đánh giá cơ bản bằng các chỉ tiêu công suất và tính tiết kiệm hiên liệu (chi phí nhiên liệu riêng) cũng nh− chất l−ợng khởi động, mức ồn và gõ. Những sai lệch chủ yếu ảnh h−ởng khả năng làm việc của động cơ là: hao mòn các chi tiết của nhóm piston-xylanh, mòn cổ biên và cổ chính của trục khuỷu, mất điều chỉnh trong cơ cấu xupáp và các sai lệch trong hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống đốt cháy. Đa số các h− hỏng và sai lệch xảy ra ở
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….25
hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống đốt cháy, cơ cấu biên tay quay và nhóm piston - xylanh.
Trên thiết bị nhiên liệu của động cơ Diesel, số h− hỏng lớn nhất xuất hiện ở bơm nhiên liệu và vòi phun. L−ợng cung cấp nhiên liệu trong một chu trình thay đổi khi mòn cặp piston - xylanh bơm dẫn đến làm muộn thời điểm phun và tăng vọt nhiên liệu. Do mòn không đều cặp piston - xylanh bơm làm tăng tính không đều của l−ợng cung cấp nhiên liệu trong một chu trình theo các nhánh bơm. Hao mòn van áp suất (van triệt hồi) dẫn đến tăng áp suất cao, điều đó làm tăng l−ợng cung cấp nhiên liệu trong một chu trình và tính không đều của việc cung cấp theo các xilanh. Từ những quan hệ đó dẫn đến phá huỷ quá trình chảy trong động cơ và tăng tải trọng lên cơ cấu biên tay quay.
Mất điều chỉnh thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu ảnh h−ởng xấu đến công suất tính tiết kiệm và độ làm việc cứng của động cơ.
Sự thay đổi trạng thái kỹ thuật của hệ thống cung cấp hỗn hợp đốt ở động cơ chế hoà khí nh− thay đổi mức nhiên liệu trong buồng phao, l−ợng cung cấp xăng từ bơm, áp suất nhiên liệu trong buồng phao, l−ợng cung cấp xăng từ bơm, áp suất nhiên liệu của bơm và độ chân không trong đ−ờng nạp... sẽ làm xấu quá trình cháy va do đó làm giảm các chỉ tiêu công suất, tính tiết kiệm nhiên liệu và thành phần khí xả. Cũng dẫn đến các kết quả nh− vậy khi xuất hiện trục trặc ở hệ thống điều khiển điện tử trên các xe hiện đại, đ−ợc trang bị để điều khiển động cơ, thí dụ đứt hoặc ngắt mạch, hao mòn, bẩn hoặc ăn mòn hoá học...
Số hỏng hóc t−ơng đối lớn nhất trong quá trình sử dụng ở động cơ chế hoà khí xuất hiện ở hệ thống đốt cháy. Sự thay đổi giá trị cần thiết của góc đánh lửa, thời điểm đánh lửa, trạng thái điều chỉnh góc đánh lửa, các thông số của mạch sơ cấp và thứ cấp, khe hở bugi... dẫn đến làm xấu các chỉ tiêu hoạt động của động cơ.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….26
Hao mòn còn tác động lớn hơn nữa đến các liên kết vòng găng piston, các gối đỡ chính và gối đỡ biên. Khi đó th−ờng gặp hơn cả trong các gối đỡ là sự phá huỷ lớp chống ma sát, x−ớc trên bề mặt lốp, đệm cổ chính, làm nóng chảy hoặc ép vỡ tróc lớp chống ma sát, làm tắc lỗ dẫn dầu.
Trong nhóm piston xy lanh các h− hỏng và sai lệch chủ yếu là: tăng khe hở h−ớng kính giữa xylanh và piston, khe hở trong liên kết giữa vòng găng hơi và đầu trên piston, khe hở ở trong chốt piston, giảm đàn hồi và vỡ gẫy vòng găng hơi, vòng găng dầu. Khi có sự không kín sát trong nhóm piston xylanh làm tăng lọt khí từ không gian bên trên piston xuống cacte. Điều đó làm xấu chất l−ợng tạo thành hỗn hợp và đốt cháy nhiên liệu và tiếp theo làm tăng chi phí nhiên liệu riêng, tăng độ khói, khí xả, tác động xấu đến thành phần khí xả.
Sai lệch chủ yếu của hệ thống bôi trơn là giảm áp suất dầu trong mạch dầu chính do các nguyên nhân sau: mức dầu trong cácte thấp, mòn liên kết trong cơ cấu biên tay quay, giảm l−ợng cung cấp của bơm dầu, mất điều chỉnh van dòng hoặc van an toàn, độ nhớt dầu thấp...
Sai lệch trong cơ cấu phân phối khí dẫn đến giảm công suất động cơ, tăng chi phí nhiên liệu gây ồn gõ, tăng hao tổn dầu nhờn. Việc giảm công suất xảy ra khi điều chỉnh không đúng cơ cấu, cháy hoặc biến dạng xupáp, mòn mặt cam trên trục phân phối, giảm độ đàn hồi của lò xo xupáp. Hao tổn dầu tăng là do lọt qua các bộ phận làm kín, thông hơi cácte kém, mòn vòng găng piston, piston và xylanh, mòn bạc h−ớng dẫn xupáp và làm mất độ kín...
Các thông số chẩn đoán trong đa số các tr−ờng hợp đ−ợc đặc tr−ng bởi ph−ơng pháp chẩn đoán. Các ph−ơng pháp hiện đại để chẩn đoán động cơ dựa trên việc đo các thông số chẩn đoán cơ bản sau:
- Các thông số biên độ - pha của các quá trình làm việc tạo bởi độ nhớt làm việc hoặc khí làm việc, trong hệ thống bôi trơn, hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống đốt cháy, hệ thống trao đổi khí của động cơ.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….27
- Các thông số đặc tr−ng cho trạng thái hoạt của các phần tử trong mạch điều khiển điện tử nh− điều khiển phun xăng, điều khiển đánh lửa... Trên đa số các động cơ hiện đại ứng dụng điều khiển điện tử đ−ợc bố trí chức năng tự giám sát và chẩn đoán và l−u trữ các trạng thái hoạt động của mạch điều khiển.
- Các thông số đặc tr−ng của dao động hoặc ồn tạo bởi tác động qua lại của các cặp liên kết động học. Sự phụ thuộc của diễn biến quá trình vào góc quay trục khuỷu của động cơ đ−ợc xác định bởi các kỳ làm việc và trật tự làm việc của các xy lanh. Khi chẩn đoán động cơ nhiều xy lanh, để có năng suất chẩn đoán lớn nhất ng−ời ta sử dụng các xung đ−ợc tạo ra trong các hệ thống khác nhau nối tiếp nhau theo tất cả các xy lanh t−ơng ứng với trật tự làm việc của chúng. Để phân tích hệ thống nhiên liệu trong động cơ Diesel có thể sử dụng các xung áp suất nhiên liệu đ−ợc tạo ra ở các nhánh bơm nhiên liệu. Để phân tích hệ thống đốt cháy có thể sử dụng các xung điện áp của các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. Để phân tích độ kín của nhóm piston xy lanh có thể sử dụng xung áp suất khí tạo ra trong các te. Để phân tích trạng thái của cơ cấu phân phối khí có thể sử dụng xung áp suất khí tạo ra trong đ−ờng nạp và đ−ờng xả. Để phân tích quá trình nén trong xy lanh có thể sử dụng xung dòng điện và điện áp máy đề trong chế độ quay không động cơ.
Sự hỏng hóc trong các bộ phận của động cơ liên quan đến hao mòn tự nhiên của các đơn vị lắp ghép và liên kết tạo ra lệch pha và biên độ trong quan hệ giữa quá trình làm việc và góc quay của trục khuỷu.
* Các chỉ tiêu cơ bản đặc tr−ng cho chất l−ợng sử dụng của động cơ là công suất và tính tiết kiệm, do đó các thông số cơ bản để đánh giá trạng thái kỹ thuật của động cơ một cách tổng hợp là: công suất động cơ, mô men quay trên trục khuỷu, chi phí nhiên liệu giờ, chi phí nhiên liệu tức thời và chi phí nhiên liệu riêng. Ngoài ra còn có thể đánh giá động cơ qua áp suất trong mạch dẫn chính và phân tích khí xả. Công suất và tính tiết kiệm của động cơ là
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….28
những chỉ tiêu đồng bộ có tính tổng quát và phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Do đó khi chẩn đoán kỹ thuật ng−ời ta tiến hành thử động cơ để đánh giá trạng thái kỹ thuật và tìm hiểu về các chỉ tiêu cơ bản là công suất và tính tiết kiệm.
- Ph−ơng pháp thử gia tốc: các thông số cơ bản để đánh giá một cách tổng hợp trạng thái kỹ thuật của động cơ Diesel nh− công suất động cơ mô men quay trên trục khuỷu, chi phí nhiên liệu giờ, chi phí nhiên liệu tức thời và chi phí nhiên liệu riêng có thể đ−ợc đánh giá có hiệu quả nhất trong điều kiện sử dụng nhờ ph−ơng pháp động lực học. Ph−ơng pháp này dựa trên sự phân tích của quá trình chuyển tiếp xảy ra trong động cơ khi tăng tốc tự do (không có tải trọng ngoài) có nghĩa là khi tác động kích thích tức thời làm tăng l−ợng cung cấp nhiên liệu hay hỗn hợp (qua tay th−ớc nhiên liệu hay b−ớm ga) đến giá trị cực đại công suất hiệu dụng và mô men quay của động cơ đ−ợc xác định theo giá trị gia tốc của quá trình tăng tốc tự do (tỷ lệ thuận với đạo hàm bậc nhất của vận tốc góc).
Khi tăng tốc trục khuỷu động cơ ph−ơng trình chuyển động có dạng:
) .( i1 M P M M Z dt d J ω = − Trong đó:
J- mô men quán tính quy đổi của động cơ dω/dt - Gia tốc của trục khuỷu
ZP - Số xy lanh làm việc
Mi1 - Mô men chỉ thị của một xy lanh làm việc; MM: mô men hao tổn cơ học
Công suất của động cơ có thể xác định theo công thức:
ω ω . dt d J Ne=
Hoặc tính theo tần số quay của trục khuỷu n:
, 974 . n dt d J Ne ω = Kw
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….29
Hình 2.1. Đ−ờng cong gia tốc khi tăng tốc
Momen quán tính J đối với mỗi m1 hiệu động cơ đ−ợc lấy không đổi do đó để xác định công suất của động cơ trong quá trình tăng tốc không phanh, đ1 chính xác chỉ cần đo gia tốc góc khi vận tốc góc có giá trị gần với vận tốc góc danh nghĩa.
Giá trị gia tốc góc đ−ợc xác định từ một trong những ph−ơng pháp ghi tín hiệu xung sau:
- Từ vành răng của bánh đà, thí dụ đầu đo cảm ứng đặt đối diện với vành răng.
- Từ vành răng lắp trên trục thu công suất của máy kéo hay trên đầu ra của trục hợp số.
- Từ cảm biến điểm chết trên
- Từ cảm biến áp suất phun nhiên liệu.
- Từ cảm biến xung áp suất trên đ−ờng nạp, đ−ờng xả hoặc trong cacte của động cơ.
- Từ máy phát điện đặt trên động cơ thử.
- Hoặc từ một biến cảm tần số quay đặt ở các vị trí bất kỳ có thể nhận biết đ−ợc chuyển động củađộng cơ.
Việc sử dụng ph−ơng pháp này hay ph−ơng pháp khác tuỳ thuộc vào khả năng của thiết bị sẵn có và yêu cầu về chi phí lao động tối thiểu khi lắp cảm biến cũng nh− sai số của quá trình đo.
Trên hình 2.1 biểu diễn sự thay đổi gia tốc góc ε=dω/dt khi tăng tốc động cơ. Gia tốc ε và vận tốc góc w đ−ợc đo trên giai đoạn cuối của quá trình chuyển tiếp. Trong tr−ờng hợp này:
ζ = (W1-W2)/tg = Wg/tg Wtb = (W1-W2)/2
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….30
Trong đó: W1, W2 - vận tốc góc
bắt đầu và kết thúc giai đoạn chuyển tiếp khi đo gia tốc. Tg - thời gian thay đổi vận tốc góc từ W1 đến W2.
Wtb - vận tốc góc trung bình trên đoạn đo gia tốc. Từ các quan hệ đó, biểu thức để xác định công suất của động cơ có dạng:
) 2 /( ) (W12 W22 tg J Ne = −
Trên hình 2.2 biểu diễn số đo cấu trúc của thiết bị để xác định công suất động cơ theo gia tốc trong quá trình tăng tốc. Thiết bị này cho phép đo gia tốc trong vùng vận tốc góc danh nghĩa của động cơ. Tín hiệu từ cảm biến tần số quay một đi đến bộ chọn mức 4. Tại thời điểm đạt đ−ợc giá trị vận tốc góc WH đ1 cho tr−ớc trong khối 2, bộ chọn mức cài chuyển mạch ch−ơng trình 5. Sau đó nhờ máy phát tần số gốc f0 3 tạo ra hai khoảng thời gian tg bằng nhau, khi đó kênh 6 mở.
Trong khoảng thời gian thứ nhất máy đếm thuận nghịch cộng các xung đến từ cảm biến 1 còn trong khoảng thời gian thứ 2 tính toán.
a) b) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 12 11 13 2 1 6 14 15 10
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….31
c)
Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc thiết bị để xác định công suất động cơ trong quá trình tăng tốc
Nếu N1, N2 là số xung đến máy đếm thuận nghịch 7 t−ơng ứng trong quá trình của khoảng thời gian thứ nhất và thứ 2, thì khi t’g = tg, độ lệch xung N = N2 - N1 sẽ tỷ lệ thuận với công suất Ne, có nghĩa là:
Ne = 2 Π J. WH (N2 - N1)/(1000t2gNo)
Trong đó No là số xung đến từ cảm biến tần số quay trong một vòng quay của trục khuỷu.
Độ lệch xung tạo bởi bộ đếm thuận nghịch 7 đ−ợc biến đổi nhờ các bộ chuyển đổi ∆A 8 là chuyển đổi tỷ lệ xích 9 thành tín hiệu analog đ−a đến bộ hiển thị 10.
Ưu điểm của thiết bị này là đơn giản trong việc thực hiện thuật toán tính công suất do việc đo dạng số xung N=N2-N1 tỷ lệ thuận trực tiếp với gia tốc và nh− vậy tỷ lệ thuận trực tiếp với công suất. Tuy nhiên việc thực hiện ph−ơng pháp động lực học trong thiết bị để xác định công suất w=wH dẫn đến sai số thành phần về mặt ph−ơng pháp do thay thế vận tốc góc trung bình trong khoảng đo bằng giá trị không đổi wH. Ngoài ra sai số đ−ợc sinh ra còn do tính rời rạc của tín hiệu từ cảm biến, bởi vì số xung N=N2-N1 xác định từ máy đếm thuận nghịch trong thời gian đo gia tốc th−ờng nhỏ và bằng khoảng vài chục (lớn hơn số xung có thể nhận đ−ợc khi sử dụng máy phát xung có tính rời rạc lớn và máy phát dòng xoay chiều trong hệ thống trang bị điện trên ô tô).
2 3
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….32
Sai số do tính chất rời rạc của thiết bị có thể đ−ợc giảm đáng kể trong thiết bị đ−ợc biểu diễn trên hình 2.2.b. Trên thiết bị này đ−ợc cắt các giá trị không đổi w1 và w2. Bộ chọn mức thực hiện ở dạng hai máy So điện áp 12 và 13 đ−ợc nối với một đầu vào từ cảm biến 1 qua bộ biến đổi tần số thành điện áp 11 và một đầu vào khác từ khối đặt giá trị 2. ở giá trị vận tốc w1 đ1 cho kênh 6 đóng và số xung N đ−ợc tính trong máy đếm. Công suất trong tr−ờng