Giám sát tải trọng động cơ diesel thông qua tín hiệu nhiệt độ khí thải

n 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. Điểm làm việc trên đặc tính động cơ diesel có thể được giám sát bằng một hệ thống đo và xử lý tín hiệu đơn giản với cảm biến số vòng quay động cơ và cảm biến nhiệt độ khí thải. Từ khóa: Động cơ Diesel, đặc tính động cơ, tải trọng động cơ. 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. 1. Đặt vấn đề Trong hoạt động thực tế của động cơ đốt trong, nhiệt độ khí thải được sử dụng là một đại lượng đo để giám sát quá trình cháy, để đánh giá tải trọng nhiệt độ của nhóm piston- xy lanh, để nhận biết sai lệch trong quá trình biến đổi năng lượng giữa các xy lanh riêng lẻ và hư hỏng của xu páp xả. Trong các hệ thống giám sát và điều khiển điện tử hiện đại, nhiệt độ khí xả thường dùng làm số đo trạng thái tải trọng của động cơ cùng với các thông số khác là thông số điều khiển hệ thống hồi lưu khí thải và hệ thống lọc muội than [1]. Trong bài báo này tác giả xây dựng một phương pháp xác định điểm làm việc và giám sát tải trọng của động cơ diesel trên cơ sở đo liên tục (online) nhiệt độ khí thải khi động cơ đang làm việc với chi phí đầu tư nhỏ. Thông tin về trạng thái làm việc của động cơ có thể sử dụng làm cơ sở dữ liệu để chẩn đoán, đánh giá trạng thái kỹ thuật của động cơ hoặc làm thông số điều khiển để tối ưu hóa máy kéo hoặc liên hợp máy nông nghiệp trong quá trình sản xuất. 2. Mô hình tính toán nhiệt độ khí thải theo điều kiện làm việc của động cơ Diesel Để nhận biết điểm làm việc và trạng thái tải trọng của động cơ diesel cần biết quan hệ giữa nhiệt độ khí thải với tải trọng ứng với mỗi chế độ làm việc. Quan hệ định lượng giữa nhiệt độ khí thải với tải trọng có thể xác định nhờ các mô hình động cơ mô phỏng trên các phần mềm chuyên dụng như AVL- BOOTS, GT - POWER, Với độ chính xác chấp nhận được, tác giả sử dụng mô hình động cơ tĩnh, phi tuyến, hàm thực nghiệm được phát triển tại đại học Rostock CHLB Đức [2, 3]. Lược bỏ các mô hình thành phần không liên quan đến mục đích nghiên cứu, mô hình động cơ chỉ còn lại 3 thành phần chính sau đây. Mô hình biến đổi năng lượng trong xy lanh mô tả các quan hệ cơ bản cần xác định. Nhiệt độ khí trong xy lanh được tính theo công thức: THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 198 TZ= 0,833Ta +313 (1) Với Ta là nhiệt độ dòng khí vào xy lanh. Lưu khối dòng khí trong xy lanh tại thời điểm bất kỳ được tính theo chế độ danh nghĩa: . . . 0 0 0 0 . . ( ) . . z e z z z z e z p T m m p T    (2) Trong đó: e0, . 0zm , pz0, Tz0 là vận tốc góc động cơ, lưu khối. áp suất, nhiệt độ khí trong xy lanh ở chế độ danh nghĩa. Lưu khối dòng khí nạp: . . . 0 0 e zL z r e m m m     (3) Trong đó: . 0rm là lưu khối còn lại trong xy lanh. Lưu khối dòng khí thải có thể tính theo công thức: . . . zG z Bm m m  (4) Với . . Bm là lưu khối dòng nhiên liệu vào động cơ. Hệ số dư không khí: . . . min. zL B m m L   (5) Với Lmin là lượng không khí lý thuyết để đốt cháy hết 1 kg nhiên liệu. Công suất hữu ích của động cơ được tính như sau: Ne= Ni-Nm (6) Trong đó: . . . .Bi i uN m H là công suất chỉ thị; ηi = ηi0. λ1/λ.λ01/λ là hiệu suất chỉ thị; 2 0 0 2 0 0 0 0 1 0,02. 0,03 .e m i em e e m i e N N N N               là tổn thất cơ giới xây dựng bằng thực nghiệm [4]. Nhiệt độ dòng khí cháy ra khỏi xy lanh được tính theo công thức cân bằng nhiệt: . . . w0 0 w 0 w 0 w . . . . . . . . zL pL zL B u B u i zG zG zG pG zG Q T m C T m H m H T T T Q T m C T T        (7) Trong đó: THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 199 . . . . . 0 0 00 0 00 0 . . . . .eB zGu zL pL zL pG zG m N Q m H m C T m C T           là dòng nhiệt truyền qua vách xy lanh ở chế độ danh nghĩa Tw là 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 và hành trình có ích của pis ton bơm. Trong mô hình này sử dụng công thức thực nghiệm để tính lưu khối dòng nhiên liệu vào động cơ: . min 3 min . . . . . .2 .10 b B b b n b ih h m l h K                 kg/s (8) Trong đó: b - là khối lượng riêng của nhiên liệu; fb - tiết diện piston bơm; h, hmin - hành trình và hành trình tối thiểu của tay thước điều khiển bơm cao áp; K - hệ số thực nghiệm, ib tỷ số truyền đến trục bơm. - Mô hình hệ thống thải Hệ thống thải được giả thiết là một bầu hở, không có tổn thất nhiệt qua vách. Trên cơ sở định luật bảo toàn năng lượng, khối lượng và phương trình trạng thái của chất khí có thể mô tả quá trình thay đổi nhiệt độ trong bầu theo công thức: . . . w w ( . . ) . . . . zG xzG v G x G v G p m G T C T m T R T C m m C     (9) Tại chế độ làm việc ổn định . 0GG dT T dt   do đó có thể xác định nhiệt độ khí thải theo công thức sau: . . . . . . . . zG xp zG x G zG v m C T m T R T m C   (10) Trong đó: Tx - nhiệt độ dòng khí ra khỏi ống xả; TzG - nhiệt độ dòng khí cháy ra khỏi xy lanh; mzG - lưu khối dòng khí xả trong và ngoài ống thải; Cp, Cv, R - nhiệt dung riêng và hằng số. 3. Xây dựng quan hệ giữa nhiệt độ khí thải và điểm làm việc của động cơ Để xây dựng quan hệ định lượng giữa nhiệt độ khí thải và điểm làm việc của động cơ Diesel, tác giả lựa chọn động cơ D12 làm ví dụ tính toán. Các số liệu về kết cấu và chế độ làm việc, các giá trị thông số tại điểm làm việc tham chiếu, được tham khảo trong tài liệu [5]. Ứng với mỗi chế độ tải trọng, tương ứng hành trình tay thước nhiên liệu theo phần trăm hành trình toàn tải, lần lượt tính toán công suất Ne và nhiệt độ khí thải G = TG - 273oC theo các công thức đã trình bày tại mục 2 đối với các chế độ tốc độ n = 1000, 1200, 2000 vòng/phút. Kết quả tính toán được trình bày trong bảng 1. THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 200 Trên cơ sở bảng số liệu (bảng 1) có thể xây dựng đặc tính tốc độ và đặc tính nhiệt độ khí thải của động cơ 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 giữa nhiệt độ khí thải với chế độ tải trọng tương ứng với mỗi chế độ. Hình 1 trình bày đồ thị biểu diễn quan hệ giữa nhiệt độ khí thải với chế độ tải trọng của động cơ D12. Bảng 1. Kết quả tính toán công suất và nhiệt độ khí thải 100% 95% 90% 85% 80% Ne,ml G, 0C Ne,ml G, 0C Ne,ml G, 0C Ne,ml G, 0C Ne,ml G, 0C 1000 6,5 530 6,1 525 6,5 520 5 515 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 1. Quan hệ giữa nhiệt độ với chế độ tải trọng Có thể đánh giá nhiệt độ khí thải có quan hệ gần như tuyến tính với chế độ tải trọng tương ứng với mỗi chế độ tốc độ quay của động cơ. Từ nhận xét này có thể đề xuất phương án giám sát tải trọng và trạng thái hoạt động của động cơ đơn giản, giảm thiểu chi phí đầu tư cho hệ thống đo, giám sát. Hệ thống giám sát chỉ cần bố trí 2 cảm biến dễ tìm và giá cả hợp lý trên thị trường là cảm biến số vòng quay trục khửu và cảm biến đô nhiệt độ khí thải. Cảm biến số vòng quay cho biết vận tốc góc tức thời của trục khửu, cảm biến nhiệt độ cho biết nhiệt độ khí thải tương ứng. Nếu kết hợp với 1 bộ xử lý và biểu thị đơn giản có thể nhận biết Tải trọng % Tốc độ v/phút THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 201 điểm làm việc tức thời AP(Mene) hoặc AP (Nene) hoặc phần trăm tải trọng cũng như vùng chế độ làm việc tương ứng. 4. Kết luận và đề nghị Trong nhiều trường hợp việc kiểm tra, điều chỉnh hoặc tự động điều khiển chế độ làm việc của động cơ cần được thực hiện ngay trong khi động cơ đang làm việc. Các thông tin về trạng thái kỹ thuật hoặc trạng thái tải trọng thường được xác định từ các cảm biến vận tốc góc và cảm biến mô men quay. Việc sử dụng cảm biến mô men quay trong các trường hợp thực tế rất phức tạp, chi phí đầu tư lớn, đặc biệt đối với liên hợp máy nông nghiệp đang hoạt động trên đồng hoặc tàu thuyền đang hoạt động trên sông biển. Do đó sử dụng cảm biến nhiệt độ để xác định gần đúng công suất tải, dự đoán vùng làm việc của động cơ là một phương án khả thi, giảm chi phí nghiên cứu và có độ tin cậy chấp nhận được trong thực tế sản xuất. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể là xây dựng quan hệ giữa nhiệt độ khí thải đối với công suất động cơ bằng thực nhiệm đối với các động cơ cụ thể, phát triển ứng dụng hệ thống giám sát tải trọng động cơ thông qua nhiệt độ khí thải, thí dụ trong chuẩn đoán kỹ thuật, quản lý máy, điều khiển tự động và tối ưu hóa vận hành khai thác các thiết bị lắp động cơ 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 một số vấn đề động lực học của liên hợp máy cỡ nhỏ trong điều kiện sản xuất tại Việt Nam. Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Nông nghiệp Hà Nội.