Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu chế tạo máy súc rửa kim phun bằng sóng siêu âm

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu chế tạo máy súc rửa kim phun bằng sóng siêu âm. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết, quy trình và kết quả thực nghiệm của đề tài.

• Tác giả: Lê Thanh Nhàn
• Người hướng dẫn: PGS. TS Đỗ Văn Dũng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Máy Súc Rửa Kim Phun Sử Dụng Sóng Siêu Âm Kết Hợp Dung Dịch
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Máy Súc Rửa Kim Phun Siêu Âm

Máy súc rửa kim phun bằng sóng siêu âm là giải pháp hiện đại trong bảo dưỡng động cơ ô tô. Công nghệ này kết hợp sóng siêu âm với dung dịch làm sạch để loại bỏ những cặn bẩn, tích tụ trên kim phun nhiên liệu một cách hiệu quả. Trong những năm gần đây, nhu cầu bảo trì động cơ ngày càng cao, nhưng các phương pháp làm sạch truyền thống như cọ rửa thủ công không đáp ứng được yêu cầu hiệu suất. Thiết bị nhập khẩu có giá thành cao và khó bảo dưỡng, do đó việc nghiên cứu chế tạo máy rửa kim phun sử dụng công nghệ siêu âm là một hướng phát triển đáng khích lệ. Mô hình này không chỉ nâng cao hiệu suất động cơ mà còn kéo dài tuổi thọ thiết bị, giảm chi phí bảo dưỡng và hướng đến nội địa hóa công nghệ.

1.1. Tình Hình Nghiên Cứu Hiện Nay

Trên thị trường hiện có nhiều thiết bị súc rửa siêu âm được sử dụng rộng rãi. Các sản phẩm này tạo ra sóng siêu âm từ các linh kiện thụ động, sau đó kết hợp với dung dịch làm sạch đặc biệt. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc tạo sóng siêu âm bằng IC có khả năng điều khiển tần số, giúp tăng hiệu quả làm sạch.

1.2. Mục Đích Nghiên Cứu

Đề tài nhằm chế tạo máy rửa kim phun sử dụng công nghệ sóng siêu âm kết hợp dung dịch để đạt hiệu quả làm sạch tối ưu. Mô hình này hướng tới sản xuất đại trà, giảm giá thành và nâng cao tính bảo dưỡng sản phẩm so với các thiết bị nhập khẩu.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Về Sóng Siêu Âm

Sóng siêu âm là sóng âm có tần số cao hơn 20 kHz, vượt quá giới hạn nghe của con người. Các đặc tính của sóng siêu âm bao gồm bước sóng ngắn, năng lượng cao và khả năng tập trung trong không gian nhỏ. Khi sóng siêu âm tiếp xúc với chất lỏng, nó tạo ra hiện tượng cavitation - sự hình thành và sụp đổ của các bọt khí nhỏ, tạo ra lực mạnh để loại bỏ bẩn. Nguyên lý làm sạch bằng sóng siêu âm dựa trên quá trình này, khi sóng siêu âm kết hợp với dung dịch làm sạch, nó có khả năng xâm nhập vào những khe hẹp trên kim phun và loại bỏ hoàn toàn các cấu trúc bẩn, oxy hóa và tích tụ.

2.1. Định Nghĩa Và Đặc Tính Sóng Siêu Âm

Sóng siêu âm là sóng mechanical có tần số trên 20 kHz. Với bước sóng ngắn, nó cho phép tạo ra áp suất cục bộ cao. Hiện tượng cavitation là chìa khóa trong quá trình làm sạch, tạo ra lực cơ học đủ mạnh để loại bỏ các lớp bẩn.

2.2. Ứng Dụng Trong Làm Sạch Kim Phun

Sóng siêu âm được ứng dụng để làm sạch kim phun bằng cách tạo ra cavitation trong dung dịch. Quá trình này loại bỏ cặn dầu, tích tụ và các chất oxy hóa mà phương pháp cọ rửa thủ công không thể xử lý được, nâng cao hiệu suất động cơ.

III. Thiết Kế Và Chế Tạo Hệ Thống

Máy súc rửa kim phun siêu âm được thiết kế gồm ba thành phần chính: hệ thống phát siêu âm, bộ điều khiển điện tử và bể chứa dung dịch. Hệ thống phát siêu âm sử dụng IC có khả năng điều khiển tần số để tạo ra sóng siêu âm ở tần số tối ưu (thường từ 40-100 kHz). Bộ điều khiển cho phép người dùng điều chỉnh tần số và công suất phát để phù hợp với loại kim phun và mức độ bẩn khác nhau. Bể chứa dung dịch được thiết kế với chiều sâu thích hợp để kim phun được ngập hoàn toàn trong dung dịch làm sạch chuyên dụng. Quá trình chế tạo kết hợp lý thuyết về kim phun động cơ với nguyên lý sóng siêu âm để tạo ra mô hình hoạt động hiệu quả.

3.1. Cấu Trúc Hệ Thống Phát Siêu Âm

Hệ thống phát siêu âm bao gồm IC điều khiển, bộ khuếch đại công suất và đầu phát piezo. IC điều khiển tạo ra tín hiệu điều khiển tần số, được khuếch đại để cung cấp điện áp cao cho đầu phát siêu âm tạo ra sóng siêu âm với tần số cần thiết.

3.2. Quy Trình Làm Việc Của Máy

Quy trình làm việc bắt đầu khi kim phun được đặt vào bể chứa dung dịch và hệ thống phát siêu âm được kích hoạt. Sóng siêu âm lan truyền trong dung dịch, tạo ra cavitation loại bỏ bẩn từ kim phun. Người dùng có thể điều chỉnh tần số và thời gian để đạt hiệu quả làm sạch tối ưu.

IV. Kết Quả Thực Nghiệm Và Hướng Phát Triển

Mô hình máy súc rửa kim phun siêu âm đã được chế tạo thành công và đạt được các chức năng cơ bản như các sản phẩm trên thị trường. Kết quả thực nghiệm cho thấy sóng siêu âm kết hợp dung dịch có khả năng làm sạch kim phun hiệu quả, loại bỏ hoàn toàn các cặn bẩn mà phương pháp truyền thống không thể xử lý. Tuy nhiên, mô hình hiện tại còn một số hạn chế như màn hình hiển thị nhỏ, dầu hồi về bình chậm và khó khăn trong điều chỉnh tần số siêu âm. Trong tương lai, đề tài sẽ tập trung vào hoàn thiện thiết kế đạt yêu cầu sản xuất, nâng cao chức năng bảng điều khiển và phát triển chế độ kiểm tra khách quan sau khi súc rửa. Hướng phát triển này sẽ giúp máy rửa kim phun trở thành sản phẩm công nghiệp với tính bảo dưỡng cao.

4.1. Kết Quả Đạt Được

Mô hình máy súc rửa đã thành công trong việc làm sạch kim phun bằng sóng siêu âm kết hợp dung dịch. Đồ thị điện áp đầu ra cho thấy hệ thống phát siêu âm hoạt động ổn định. Hiệu quả làm sạch vượt quá mong đợi, với khả năng loại bỏ các cấu trúc bẩn mà phương pháp cũ không thể xử lý.

4.2. Những Hạn Chế Và Hướng Cải Tiến

Các hạn chế hiện tại bao gồm màn hình hiển thị nhỏ, quá trình dầu hồi chậm và điều chỉnh tần số khó khăn. Hướng cải tiến tập trung vào hoàn thiện thiết kế sản xuất, nâng cấp bảng điều khiển và phát triển chế độ kiểm tra khách quan sau súc rửa để nội địa hóa công nghệ và giảm giá thành sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Động cơ đốt trong đã từ lâu là nguồn lực không thể thiếu cho nền công nghiệp. Vì vậy vấn đề bảo dƣỡng cũng hết sức quan trọng. Đặc biệt là bảo dƣỡng kim phun vì nó ảnh hƣởng rất nhiều đến độ bền tuổi thọ và công suất của động cơ. Nghiên cứu chế tạo máy súc rửa kim phun đã có từ rất lâu và hiện trên thị trƣờng cũng kinh doanh rất nhiều sản phẩm dùng để súc rửa kim phun sử dụng sóng siêu âm kết hợp dung dịch.

Tuy nhiên các sản phẩm súc rửa kim phun trên thi trƣờng chủ yếu là hàng nhập khẩu, và còn nhiều đặc tính máy chƣa phù hợp với thực tế mà chƣa khắc phục đƣợc, giá cả còn cao do phụ thuộc nhiều điều kiện nhập khẩu nhƣ thuế, vận chuyển. Nhận thấy nghiên cứu chế tạo máy súc rửa kim phun sử dụng sóng siêu âm kết hợp dung dịch là một đề tài mang tính thực tiễn cao mang tiềm năng cải tiến để thƣơng mại và nội địa hóa chúng em đã nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tính toán mô phỏng thông qua các phần mềm Arduino, Catia, Proteus để chế tạo mô hình máy súc rửa kim phun. Tình hình nghiên cứu và chế tạo máy súc rửa kim phun trong và ngoài nƣớc: 1. Việc nghiên cứu chế tạo máy súc rửa kim phun không còn là vấn đề bảo dƣỡng động cơ, mà còn là vấn đề bảo vệ môi trƣờng.

Kim phun đƣợc vệ sinh sẽ giúp việc đốt cháy nhiên liệu một cách hiệu quả, ít khí gây hại môi trƣờng. Vì vậy vấn đề nghiên cứu chế tạo máy súc rửa kim phun rất đƣợc xem trọng và thực hiện một cách nghiêm ngặt. 1 Hệ thống máy súc rửa kim phun của Fuelinjectorprecision. 2 Quy trình làm sạch kim phun 5 bước của công ty Fuelinjectorprecision.

Trong nước: Đối với tình hình trong nƣớc, nƣớc ta là một nƣớc đang phát triển vì vậy vấn đề nghiên cứu chế tạo máy súc rửa kim phun còn mang lại lợi ích rất lớn về kinh tế. Điển hình nhƣ “Bể rửa ứng dụng sóng siêu âm” của Thầy Lƣơng Vinh Quốc Danh trƣởng khoa Công nghệ Đại Học Cần Thơ. 3 Bể rửa ứng dụng sóng siêu âm Đại Học Cần Thơ. 2 Thiết bị vệ sinh kim phun- buồng đốt của công ty Minh Ngọc.

4 Thiết bị vệ sinh kim phun - buồng đốt của công ty MINH NGỌC. Mục đích nghiên cứu: Cũng cố kiến thức chuyên môn, vận dụng và phát triển các kiến thức về lập trình cơ bản (arduino) trong đề tài. Xây dựng mô hình về máy súc rửa từ đó làm phƣơng tiện cải tiến để sản xuất đại trà. Ứng dụng các phần mềm Proteus, Catia vào mô phỏng và thiết kế mô hình.

Đƣa ra một hƣớng mới cho các nghiên cứu sản xuất thiết bị bảo dƣỡng ô tô mang thƣơng hiệu nội địa. Đối tƣợng nghiên cứu: Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các máy súc rửa sử dụng sóng siêu âm kết hợp dung dịch. 3 Thiết kế mô hình máy súc rửa kim phun dựa trên nguyên lí làm sạch bằng sóng siêu âm và lý thuyết về điều khiển kim phun. Nghiên cứu các phần mềm nhƣ Catia, Proteus để áp dụng quá trình nghiên cứu mô hình súc rửa.

Nhiệm vụ nghiên cứu: Tìm hiều đầy đủ và chi tiết về nguyên lý điều khiển kim phun, sóng siêu âm, dung dịch tẩy rửa. Thiết kế mô hình súc rửa sử dụng sóng siêu âm kết hợp dung dịch. So sánh các thông số trên mô hình thực nghiệm và các thông số lý thuyết rút ra kết luận trực quan. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu trong phạm vi giảng dạy cho sinh viên.

Nghiên cứu từ tình hình thực tế các máy hiện có trong và ngòai nƣớc và các nghiên cứu đã có trƣớc đó. Nghiên cứu từ các công trình nghiên cứu khoa học đã đƣợc công bố trƣớc đó trên thế giới và trong nƣớc Nghiên cứu từ các tài liệu, giáo trình đang đƣợc dùng làm tài liệu tham khảo Quy mô nghiên cứu đề tài trên cơ sở khai thác các trang thiết bị hiện có trong nhà trƣờng và khai thác bên ngoài để hoàn thành đề tài. Không gian nghiên cứu: Trong trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Thời gian nghiên cứu: 3 tháng.

Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, chế tạo mô hình máy súc rửa kim phun. Giả thuyết khoa học Giả thiết ta đƣa ra các giải pháp thiết kế chế tạo mô hình máy súc rửa. Nhận định sơ bộ các phƣơng án dựa trên cơ sở quan sát, lựa chọn phƣơng pháp tạo ra sóng siêu âm hợp lí phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất, sau đó kiểm chứng lại bằng thực nghiệm. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu từ các nguồn tài liệu nhƣ sách, giáo trình, các bài giảng, các bản vẽ, sách, tạp chí, nguồn tài liệu từ Internet.

Nghiên cứu từ thực tiễn. Nghiên cứu từ thực nghiệm. Tham khảo ý kiến chuyên gia. ==> Áp dụng các phƣơng pháp nghiên cứu: Quan sát, tƣ duy, kiểm tra, thực nghiệm … 5 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

Nghiên cứu lý thuyết về kim phun nhiên liệu. Kim phun nhiên liệu. 1 Cấu tạo kim phun nhiên liệu. 1-Lọc xăng: đảm bảo nhiên liệu đi vào kim phải thật sạch.

2- Giắc cắm: kết nối với ECU 3-Cuộn dây kích từ: Tạo ra từ trƣờng khi có dòng điện đi vào. 4-Ti kim: Tác động đến sự đống mở của van kim. 5-Van kim: Đóng kín vòi phun, khi có xung điện vào sẽ đƣợc nâng lên cho nhiên liệu phun ra. 6-Vòi phun: Định góc phun và xé tơi nhiên liệu.

7-Ống phân phối: truyền nhiên liệu đến các kim. 6 8-Chụp bảo vệ: bảo vệ kim 9-10 Vòng đệm trên dƣới: cách nhiệt cũng nhƣ giảm xóc cho kim khi động cơ hoạt động. Nguyên lý hoạt động. Trong quá trình hoạt động của động cơ, ECU liên tục nhận những tín hiệu đầu vào từ các cảm biến.

Qua đó ECU sẽ kiểm tra so sanh dữ liệu này với các dữ liệu chứa trong bộ nhớ của ECU. Sau đó ECU quyết định phải mở kim trong thời gian bao lâu. Độ mở của kim phun trong bao lâu phụ thuộc vào độ rộng xung mà ECU gửi tới. Điều này có ý nghĩa là ti kim sẽ giữ trong thời gian bao lâu trong mỗi lần nhất kim.

Khi có xung điện vào cuộn dây từ thì sẽ tạo ra một lực từ, khi lực từ này đủ mạnh để thắng sức căng lò xo, thắng trọng lực trọng trƣờng của ti kim và thắng áp lực của nhiên liệu đè lên ti kim thì sẽ làm kim nhất khỏi bệ khoảng 0.1mm nên nhiên liệu đƣợc phun ra khỏi kim phun.[4] Nếu ta gọi: Q: là lƣợng nhiên liệu phun ra khỏi kim. T: là chu kì xung. T1: là độ dài xung Thì Q sẽ đƣợc tính bởi công thức: ∫ ( ) 2. Quá trình hoạt động.

Quá trình hoạt động của kim chia thành 3 giai đoạn: Giai đoạn 1 (t1) : Từ lúc ti kim đƣợc nâng lên đến hết cỡ. Giai đoạn 1a: mặc dù có hiệu điện thế đặt vào nhƣng kim chƣa nhấc lên đƣợc. Cho đến khi dòng đạt giá trị Im thì lúc đó Flực > Fcản kim bắt đầu di chuyển. Kết thúc giai đoạn 1a.

Giai đoạn 1b: độ dịch chuyển kim đạt giá cực đại. Giai đoạn 2 (t2): Độ mở kim vẫn giữ nguyên 7 Giai đoạn 3(t3): điện áp đã ngắt, nhƣng do ngắt đột ngột tạo thành mạch dao động, do vậy trong thời gian t3 ti kim vẫn giữ ở mức nào đó do sức điện động tự cảm đến khi lực lò xo thắng đẩy ti kim xuống. Từ quá trình hoạt động cho thấy thời gian t1 và t3 là khoảng thời gian không thể điều chỉnh đƣợc bằng xung điện, do đó để đảm bảo tính chính xác về thời điểm và thời gian phun ta phải giảm tối thiểu thời gian t1 và t3 bằng cách giảm khối lƣợng riêng của ti kim,. Điều khiển kim phun nhiên liệu.

Thời gian phun nhiên liệu thực tế đƣợc xác định bởi hai đại lƣợng: tb: Thời gian phun cơ bản: dựa chủ yếu vào lƣợng khí vào và số vòng quay của động cơ. tc: Thời gian phun hiệu chỉnh: dựa và các cảm biến còn lại. tthực tế = tb + tc  Các chế độ điều khiển kim phun:  Chế độ khởi động.  Chế độ cầm chừng.

 Chế độ tăng tốc.  Chế độ trung bình. Nghiên cứu lý thuyết về sóng siêu âm. Định nghĩa về sóng âm.

Dao động là sự chuyển động đƣợc lặp đi lặp lại trong theo thời gian. Sóng là sự lan truyền của tín hiệu (mang năng lƣợng), từ điểm này đến điểm kia trong một môi trƣờng mà không có sự di chuyển thành dòng của các phần tử môi trƣờng. Âm do các vật dao động phát ra và đƣợc lan truyền ra môi trƣờng dƣới dạng sóng: sóng âm. Nhƣ vậy bản chất của sóng âm là sóng cơ học và mang đầy đủ các tính chất và thông số của nó: tần số, bƣớc sóng,.

8 Sóng âm là dao động của các phần tử chất rắn, chất lỏng, chất khí, .đó là chất đàn hồi. Nói cách khác sóng âm là sóng đàn hồi lan truyền trong môi trƣờng đàn hồi hay mỗi vật thể đàn hồi đều lan truyền đƣợc sóng âm. Tùy theo dải tần số mà ngƣời ta chia sóng âm thành các vùng sau: - Vùng hạ âm có tần số từ 1Hz đến 20Hz. -Vùng âm tần có tần số từ 20Hz đến 20kHz.

-Vùng siêu âm có tần số từ 20kHz đến 100MHz. -Vùng cực siêu âm có tần số lớn hơn 100MHz. 2 Phân loại sóng âm theo tần số. Nhƣ vậy sóng siêu âm là sóng âm có tần số từ 20kHz đến 100MHz.

Các đại lượng đặc trưng của sóng siêu âm. Đặc trƣng của sóng siêu âm là tập hợp của các lần nén và dãn thay đổi tuần tự theo dạng hình sin.  Các đại lƣợng đặc trƣng của sóng bao gồm:  Chu kì T=(s) là khoảng thời gian mà sóng thực hiện một lần nén và một lần dãn. 3 Đặc trưng của sóng siêu âm.

9  Tần số f=(Hz) là số chu kỳ thực hiện đƣợc trong 1 giây. Tần số của sóng cũng chính là tần số dao động của các phần tử trong môi trƣờng mà sóng truyền đến. Đơn vị tần số là Hert (Hz).  Vận tốc truyền của sóng là tốc độ năng lƣợng đƣợc truyền giữa hai điểm trong môi trƣờng bởi sự chuyển động của sóng.Vận tốc của sóng phụ thuộc vào kết cấu của vật liệu đặc trƣng bởi độ nén và mật độ, không phụ thuộc vào tần số của sóng và kích thƣớc của vật liệu.

 Độ nén: vận tốc sóng siêu âm tỉ lệ thuận với độ nén của vật liệu. Vật liệu càng khó nén vận tốc sóng lan truyền càng nhanh.