Thiết kế và cải tiến bộ điều tốc cho động cơ diesel

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 389 THIẾT KẾ VÀ CẢI TIẾN BỘ ĐIỀU TỐC CHO ĐỘNG CƠ DIESEL DESIGNING AND IMPROVING THE GOVERNOR FOR DIESEL ENGINE SVTH: LÊ QUANG THẮNG Lớp 06C2, Khoa Cơ Khí, Trường Cao Đẳng Công Nghệ, Đại Học Đà Nẵng GVHD: TS NGUYỄN XUÂN HÙNG Hiệu Phó Trường Cao Đẳng Công Nghệ, Đại Học Đà Nẵng TÓM TẮT Trên cơ sở sử dụng bộ truyền vít đai ốc, đề tài ứng dụng nguyên tắc sai số tốc độ quay tương đối của trục vít và đai ốc để thiết kế nguyên lý hoạt động bộ điều tốc mới. ABSTRACT Based on using screw-bolt transmission screw-nut, the topic applies rotating speed error principle relativistic of screw and nut to design new governor action principle. 1. Mở đầu Bộ điều tốc có vai trò rất quan trọng đối với động cơ diesel, hệ thống các máy phát điện và trong điều khiển đồng tốc cho nhiều động cơ, tự động điều chỉnh tốc độ quay theo thông số được đặt trước. Dựa theo nguyên tắc hoạt động của phần tử cảm biến có điều tốc: cơ khí, thuỷ lực, chân không, điện và điện tử. Nguyên lý cảm biến cơ khí là cân bằng lực ly tâm của quả văng khi động cơ quay với lực đàn hồi của lò xo điều tốc, nguyên lý cảm biến chân không là cân bằng lực do dòng khí đi qua van hút chân không tác động lên màng ép lò xo điều tốc, nguyên lý cảm biến thuỷ lực là cân bằng lực do áp suất dầu sinh ra khi hoạt động với lực đàn hồi của lò xo điều tốc, nguyên lý cảm biến điện là cân bằng lực từ do máy phát điện một chiều cấp cho cuộn cảm khi động cơ hoạt động với lực đàn hồi của lò xo điều tốc. Cảm biến điện tử thì hiện đại hơn các tín hiệu điện của các phần tử cảm biến tạo ra chuyển tới bộ điện tử trung tâm ECU để phân tích theo chương trình có sẵn, kết quả tính được tạo thành các xung điều khiển chuyển tới bộ phận chấp hành. Ta nhận thấy để thay đổi tốc độ đặt cho bốn loại điều tốc trên cần thay đổi lực đàn hồi của lò xo điều tốc. Tốc độ đặt của các bộ điều tốc trên là tốc độ ảo, đối với bộ điều tốc này tốc độ đặt là tốc độ thực vòng/s. Đó là điểm khác biệt của bộ điều tốc đang nghiên cứu với các bộ điều tốc hiện có. Đây là bộ điều tốc kiểu cơ điện nguyên tắc cảm ứng là so sánh tốc độ đặt và tốc độ thực. 2. Nội dung 2.1.Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động 2.1.1. Sơ đồ cấu tạo Bộ phận chính của bộ điều tốc là phần tử cảm ứng gồm trục vít 4 và đai ốc 13, đai ốc 13 gia công riêng và lắp chặt trong trục ống 14 nhờ chốt chống xoay 12, trục 14 nối đồng trục với trục ống 16, trục 16 nối đồng trục với trục 21 để nhận mômen từ trục khuỷu của động cơ, trục 16 phay xuyên thủng dọc trục. Trục vít 4 tiện ren ở giữa hai đầu tiện trơn một đầu phay rãnh then, được bạc 15 đỡ quay đầu bên phải, bạc 15 lắp chặt trong trục ống 16, bạc 6 đỡ trục vít quay đầu bên trái, bạc 6 có lỗ để lắp then bằng 7 truyền mômen cho trục vít 4, bạc 6 được lắp chặt trên trục ống 8, trục ống 8 nối đồng trục với trục ống 3, trục 3 nối đồng trục với trục 1 để nhận mômen từ trục động cơ điện. Trục định tâm 17 lắp trơn với trục vít 4, trên trục 17 khoan lỗ để lắp càng gạt 18, càng 18 có khoan lỗ hai đầu để lắp chốt thẻ giữ khỏi văng ra khi quay Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 390 sau khi đã lồng vòng đỡ 19, vòng đỡ 19 sau khi nhận chuyển động tịnh tiến từ trục vít 4 sẽ truyền cho vòng trượt 20, vòng trượt 20 sẽ tác động vào phần tử chấp hành điều khiển cơ cấu cấp nhiên liệu, lò xo 2 lắp lồng tự do ở trong trục ống 3 và 20, để tạo lực đàn hồi giúp vít tự động ăn khớp với đai ốc khi khởi động bộ điều tốc hoặc quá tải (Hình 2.1). Hành trình tịnh tiến của vít bằng chiều dài của ren trên vít cộng chiều dài của ren trên đai ốc. Vị trí max và min của vít tương đương với vị trí max và min của bộ phận cấp nhiên liệu. Ren có hướng xoắn phải chiều quay của hai trục trùng với hướng xoắn này, chiều từ trái qua phải là chiều tăng nhiên liệu cấp cho động cơ, chiều từ phải sang trái là chiều giảm nhiên liệu cấp cho động cơ. 2.1.2. Nguyên tắc hoạt động Khi máy hoạt động trục 21 quay theo trục khuỷu thông qua trục ống 14 và 16 đai ốc 13 sẽ được kéo quay theo, vòng đỡ 19, trục định tâm 17, càng gạt 18 cũng sẽ quay cùng với trục ống 16. Cấp nguồn cho động cơ điện sẽ kéo trục 1 quay thông trục ống 8, trục ống 3, bạc 6 và mối ghép then bằng 7 trục vít 4 sẽ được kéo quay theo. Khi tốc độ quay của đai ốc và trục vít đồng bộ thì trục vít sẽ không chuyển động tương đối đối với đai ốc nên cơ cấp chấp hành không điều chỉnh tốc độ thực cân bằng với tốc độ đặt. Nếu giảm tải động cơ tăng tốc tốc độ trục khuỷu tăng sẽ kéo tốc độ đai ốc tăng trong khi tốc độ trục vít không đổi, tốc độ đai ốc nhanh hơn, ren của vít và đai ốc là ren phải chiều quay cũng theo chiều xoắn này đai ốc cố định theo phương dọc trục buộc trục vít phải tịnh tiến sang trái lò xo đàn hồi lắp trên bộ phận chấp hành sẽ tự đẩy vòng trượt 19 trục định tâm 17 luôi lại theo chiều giảm nhiên liệu (đai ốc quay vít tịnh tiến). Nếu động cơ tăng tải diễn biến sẽ ngược với trên, nghĩa là tốc độ động cơ giảm dẫn đến tốc độ đai ốc giảm trong khi tốc độ trục vít không đổi, tốc độ vít nhanh hơn vít sẽ dịch chuyển sang phải tác động vào trục định tâm 17 đẩy vòng trượt 20 dịch chuyển tác động vào cơ cấu chấp hành tăng nhiên liệu (vít vừa quay vừa tịnh tiến). Như vậy khi tốc độ trục kéo vít nhanh hơn tốc độ trục kéo đai ốc thì vít sẽ vừa quay vừa tịnh tiến theo chiều từ trái sang phải. Còn nếu tốc độ trục kéo đai ốc nhanh hơn tốc độ trục vít thì vít sẽ tịnh tiến theo chiều từ phải sang trái. 2.1.3. Đặc điểm điều khiển Ta nhận thấy rằng khi điều chỉnh vị trí max và min của vít trùng với vị trí max và min của van nhiên liệu, quãng đường di chuyển không đổi, điều ta mong muốn là giảm thời gian điều chỉnh để nhanh chóng cân bằng tốc độ t=s/v, s=const nên phải tăng v, v lớn hay nhỏ phụ thuộc vào sai số tốc độ Δn giữa hai động cơ và bước ren p. Khi ta tăng tỷ số truyền thì Δn tăng và v tăng. Khi xảy ra sai số tốc độ thì giữa hai trục có sai số vận tốc góc ω rad/s tương đương với số bước/s. Chiều dài đoạn tiện ren cố định ta muốn vận tốc tăng lên thì giảm số ren lại trong quãng đường đó tức là phải tăng giá trị bưóc ren p. Khi ta tăng tốc độ và tăng giá trị bước ren p lên thì thời gian điều chỉnh nhanh, điều này phụ thuộc vào đặc tính kỷ thuật của động cơ. Giả sử tốc độ đặt 50 vòng/s số ren là 10 bước ren pr1, chiều dài đoạn tiện ren là (l), tốc độ thực 49 vòng/s vít sẽ có vận tốc 1 vòng/s tương đương với 1 bước/s, nghĩa là trong 1 giây cơ cấu chấp hành di chuyển một đoạn s = pr1(mm). Nếu tăng tốc độ lên gấp đôi và giảm số ren xuống một nữa, tốc độ đặt là 100/vòng/s tốc độ thực 98 vòng/s số ren là 5, bước ren pr2 (pr2 =2pr1) chiều dài đoạn tiện ren vẫn là (l) vậy vít có tốc độ 2 vòng/s tương đương 2 bước/s nghĩa là trong 1 giây cơ cấu chấp hành di chuyển một đoạn bằng 2pr2 hay 4pr1. So sánh ta thấy tăng tỷ lệ truyền và tăng giá trị bước ren p lên thì thời gian điều chỉnh sẽ ngắn lại. Trong bộ điều tốc trên ta nhận thấy để vít dịch chuyển được thì phải có sai số tốc độ Δn giữa hai trục, khi đó vít sẽ có vận tốc (v), và đi được đoạn đường (s), s là một hàm theo thời gian s=s(t). Nên bộ điều tốc này có vùng không nhậy bằng 0. Giả sử tốc độ đặt là 50 vòng/s tốc độ thực là 49,9 vòng/s sai số tốc độ là 0,1 vòng/s. Đối với các bộ điều tốc khác tốc độ 49,9 vòng/s nằm trong vùng không nhậy nên không cảm ứng được và không điều chỉnh. Nhưng đối với bộ điều tốc Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 391 này nó sẽ cảm ứng được, sai số tốc độ 0,1 vòng/s tương đương với 0,1 bước/s vít sẽ tịnh tiến với vận tốc 0,1 bước/s và theo thời gian (t) vít sẽ đi được một quãng đường s=v*t điều đó đồng nghĩa với cơ cấu cấp nhiên liệu thay đổi và tốc độ tăng lên đúng 50 vòng/s. Chỉ khi nào vít và đai ốc có tốc độ tuyệt đối bằng nhau vận tốc tịnh tiến v=0 thì cơ cấu cấp nhiên liệu mới bất động và không điều chỉnh, chính vì vậy vùng không nhậy của bộ điều tốc này bằng 0. Hay bộ điều tốc này không tồn tại vùng không nhậy. 2.2. Bộ điều tốc cho các loại động cơ 2.2.1. So sánh ưu nhược điểm của bộ điều tốc đang nghiên cứu với các bộ điều tốc hiện có Các bộ điều tốc trên tốc độ đặt là gián tiếp qua lực đàn hồi của lò xo điều tốc nên có nhược điểm là tồn tại vùng không nhậy. Ngoài lực duy trì và lực phục hồi luôn luôn tồn tại lực ma sát f cùng chiều với lực yếu trong hai lực kể trên. Do tồn tại vùng không nhậy nên ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển khi điều tốc hoà đồng bộ các máy phát điện và trong điều khiển đồng tốc. Với bộ điều tố này theo phân tích ở trên không tồn tại vùng không nhậy. Tốc độ đặt là lực đàn hồi của lò xo điều tốc nên khó xác định chính xác tốc độ đặt là bao nhiêu, khi điều khiển đồng tốc hoặc hoà đồng bộ máy phát, mỗi động cơ gắn một bộ điều tốc, mỗi bộ điều tốc có một lò xo điều tốc hai lò xo này khó có thể giống nhau khi chế tạo đó là chưa kể bị hỏng theo thời gian, dẫn đến hai tốc độ đặt không bằng nhau được. Với bộ điều tốc này đồng bộ hai máy phát hay hai động cơ tốc độ đặt là một, một động cơ điện sẽ kéo trục vít của hai bộ điều tốc quay, do động cơ điện có hai đầu trục. Thậm chí hoàn toàn có thể đồng bộ tất cả các tốc độ đặt trong một nhà máy điện gồm nhiều máy phát bằng cách sử dụng một nguồn điện xoay chiều cấp điện toàn bộ cho các động cơ đồng bộ kéo trục vít quay (động cơ đồng bộ có tốc độ quay bằng tần số nguồn điện xoay chiều). 2.2.2. Điều tốc cho động cơ diesel Đối với động cơ diesel bộ điều tốc có vai trò rất quan trọng kiểm soát và ổn định tốc độ động cơ khi tải thay đổi. Hiện tại đa số lắp đặt bộ điều tốc cơ khí, thuỷ lực, chân không. Dùng bộ điều tốc trên sẽ kiểm soát được tốc độ động cơ một cách tối ưu, tự động hóa, tốc độ điều khiển nhanh, tiết kiệm nhiên liệu. Ta sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập có điều chỉnh tốc độ bằng điện áp quay với tốc độ đặt để kéo trục vít quay, nguồn nuôi là bộ acquy của xe hoặc máy phát điện trên xe. Đai ốc sẽ liên kết với trục khuỷu của động cơ. Điều chỉnh khoảng cách từ vị trí max và min của bộ điều tốc bằng vị trí max và min của van cấp nhiên liệu (thông qua cánh tay đòn). Vị trí max tương đương với tải tối đa, vị trí min van nhiên liệu mở và lượng nhiêu liệu vừa đủ cấp cho động cơ khởi động (van nhiên liệu ở đây là bơm cao áp). Điều chỉnh vít về vị trí min lò xo bên trái bị nén (vít và đai ốc bị ép vào nhau). Khởi động lưu lượng nhiên liệu vừa đủ cấp cho động cơ khởi động, đai ốc sẽ được kéo quay theo, vít đang nằm ở ví trí min bên trái nên đai ốc quay tự do (vít và đai ốc không ăn khớp), điều chỉnh điện áp tăng dần tốc độ động cơ điện, khi tốc độ vít nhanh hơn vựơt tốc độ đai ốc nhờ có lực đàn hồi của lò xo ép vít vào đai ốc nên vít sẽ tự động ăn khớp với đai ốc vít tịnh tiến sang phải tăng nhiên liệu cấp cho động cơ tăng tốc, khi tốc độ động cơ bằng tốc độ đặt thì khi đó tốc độ ổn định. Trong quá trình chạy tùy theo tình huống mà tăng hay giảm tốc độ xe người lái chỉ cần thay đổi điện áp cấp cho động cơ điện (bàn đạp ga). Dải điều chỉnh tốc độ trơn (vô cấp tốc độ), cung cấp đúng một lượng nhiên liệu đúng với tải yêu cầu. tiết kiệm tối đa nhiên liệu. 2.2.3. Điều tốc hoà đồng bộ các máy phát điện Trên cơ sở nghiên cứu bộ điều tốc cho động cơ diesel tôi đưa ra phương pháp hòa đồng bộ các máy phát điện với nhau về phương diện tần số. Bộ điều tốc có vai trò rất quan trọng đối với hệ thống các nhà máy điện, ổn định tốc độ tuabin để phát ra tần số không đổi 50Hz hòa vào lưới điện, nhiệm vụ của bộ điều tốc là cảm ứng nhanh sự thay đổi tốc độ khi phụ tải thay đổi để ra lệnh cho phần tử chấp hành điều khiển tăng giảm nhiên liệu cho tua bin. Hiện tại sử dụng bộ Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 392 điều tốc điện tử kết hợp với máy tính chất lượng điều khiển tốt hơn. Tôi không nắm rõ toàn bộ lộ trình hòa một tổ máy điện lên lưới, ở đây tôi trình bày phương pháp hòa đồng bộ tần số trên cơ sở sử dụng bộ điều tốc trên. Sử dụng động cơ điện đồng bộ để kéo trục vít quay với tốc độ đặt, nguồn nuôi được nghịch lưu từ dòng điện 1 chiều. Đai ốc nếu có thể thì bắt đồng trục với tuabin máy phát, còn không thì đai ốc sẽ do một động cơ điện đồng bộ kéo quay, nguồn nuôi là dòng điện xoay chiều do một máy phát nhỏ bắt đồng trục với tuabin máy phát lớn máy phát nhỏ có số đôi cặp cực bằng máy phát lớn tần số máy phát nhỏ phát ra cũng chính là tần số máy phát lớn. Tần số đặt sẽ cố định không đổi, khi phụ tải thay đổi làm tốc độ tuabin của mỗi máy phát (tần số) thay đổi, bộ điều tốc sẽ nhanh chóng cảm ứng và điều chỉnh nhiêu liệu cấp cho tuabin. Trong một nhà máy thường có nhiều máy ta sẽ nghịch lưu dòng điện một chiều lên và cấp cho toàn bộ các động cơ kéo trục vít tại nhà máy, một động cơ điện đồng bộ sẽ kéo trục vít của hai bộ điều tốc quay. Tiêu chuẩn hóa tốc độ đặt và các chi tiết của bộ điều tốc mang lắp cho tất cả các máy phát trong các nhà máy. Khi phụ tải thay đổi bộ điều tốc tại mỗi máy có nhiệm vụ điều chỉnh độc lập tần số máy phát đó phát ra đúng bằng một tần số đặt. Mỗi bộ điều tốc phải độc lập nhau về điện, mục đích là để điều chỉnh độc lập nhau. Bởi vì công suất giữa các máy khác nhau khi phụ tải thay đổi tốc độ tuabin các máy sẽ tăng giảm khác nhau. So với điều tốc điện tử thì chất lượng điều khiển tương đương nhau, đơn giản hơn trong vận hành. 2.2.4. Điều tốc điều khiển đồng tốc cho nhiều động cơ Trong sản xuất nhiều lúc cần phải phối hợp nhiều động cơ để cùng kéo một tải. Yêu cầu đặt ra là tốc độ các động cơ phải tuyệt đối bằng nhau. Bộ điều tốc trên theo phân tích vùng không nhậy bằng 0 nên có thể đáp ứng đựơc yêu cầu này. Về cấu tạo sử dụng một động cơ điện kéo trục vít của hai bộ điều tốc quay, hai đai ốc sẽ liên kết với hai trục của động cơ điện nguôn nuôi do máy phát được động cơ kéo cấp. Hai bộ điều tốc sẽ điều chỉnh độc lập tốc độ mỗi động cơ bằng một tốc độ đặt, khi tốc độ hai động cơ bằng nhau thì liên kết trục lại kéo tải quay. 3. Kết luận Bộ điều tốc hoạt động theo nguyên lý này hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu trong điều khiển. So với các bộ điều tốc hoạt động theo kiểu cơ khí, chân không, thuỷ lực, thì chất lượng điều khiển tốt hơn, so với các bộ điều tốc điện, điện tử thì chất lượng điều khiển tương đương nhau, đơn giản hơn trong vận hành. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Đình Huấn, Tôn Thất Tài (2002), Xây dựng mô hình ba chiều và bản vẽ kỷ thuật bằng Inventor, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [2] Nguyễn Tất Tiến (2002), Kĩ thuật cơ khí 11, Nxb Giáo dục, Hà Nội. [3] An Hiệp, Trần Vĩnh Hưng, Nguyễn Văn Thiệp (2004), Autodesk Inventor phần mềm thiết kế công nghiệp, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [4] An Hiệp, Trần Vĩnh Hưng, Nguyễn Văn Thiệp (2006), Thiết kế Chi Tiết Máy Trên Máy T ính, Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội. [5] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển (2000), Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, Nxb [6] Giáo dục, Hà Nội. [7] Nguyễn Văn Yến (2005), Giáo trình Chi Tiết Máy, Nxb Giao thông vận tải, Đà Nẵng.