Nghiên cứu chế tạo máy súc rửa kim phun sử dụng sóng siêu âm kết hợp dung dịch

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp, do đó việc bảo dưỡng, đặc biệt là bảo dưỡng kim phun, là rất cần thiết để đảm bảo độ bền và công suất của động cơ Mặc dù đã có nghiên cứu và chế tạo máy súc rửa kim phun từ lâu, nhưng hiện tại, thị trường chủ yếu cung cấp sản phẩm nhập khẩu, với nhiều đặc tính chưa phù hợp với thực tế sử dụng Hơn nữa, giá thành cao do phụ thuộc vào các yếu tố như thuế và vận chuyển cũng là một vấn đề cần được giải quyết.

Chúng tôi nhận thấy nghiên cứu chế tạo máy súc rửa kim phun sử dụng sóng siêu âm kết hợp dung dịch có tiềm năng thực tiễn cao, đồng thời có khả năng cải tiến để thương mại và nội địa hóa Để thực hiện điều này, nhóm chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thực hiện tính toán mô phỏng thông qua các phần mềm Arduino, Catia và Proteus nhằm chế tạo mô hình máy súc rửa kim phun hiệu quả.

Tình hình nghiên cứu và chế tạo máy súc rửa kim phun trong và ngoài nước

Nghiên cứu và chế tạo máy súc rửa kim phun không chỉ liên quan đến việc bảo dưỡng động cơ mà còn góp phần bảo vệ môi trường Việc làm sạch kim phun giúp tối ưu hóa quá trình đốt cháy nhiên liệu, giảm thiểu khí thải gây hại cho môi trường Do đó, việc phát triển máy súc rửa kim phun được coi trọng và thực hiện một cách nghiêm ngặt.

Hình 1 1 Hệ thống máy súc rửa kim phun của Fuelinjectorprecision

Hình 1 2 Quy trình làm sạch kim phun 5 bước của công ty Fuelinjectorprecision

1.2.2 Trong nước: Đối với tình hình trong nước, nước ta là một nước 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 như “Bể rửa ứng dụng sóng siêu âm” của Thầy Lương Vinh Quốc Danh trưởng khoa Công nghệ Đại Học Cần Thơ

Hình 1 3 Bể rửa ứng dụng sóng siêu âm Đại Học Cần Thơ

Thiết bị vệ sinh kim phun- buồng đốt của công ty Minh Ngọc

Hình 1 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 máy súc rửa nhằm cải tiến quy trình sản xuất đại trà Ứng dụng phần mềm Proteus và Catia để mô phỏng và thiết kế mô hình Đề xuất hướng đi mới cho nghiên cứu sản xuất thiết bị bảo dưỡng ô tô mang thương 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

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 nước và các nghiên cứu đã có trước đó

Nghiên cứu từ các công trình nghiên cứu khoa học đã được công bố trước đó trên thế giới và trong nước

Nghiên cứu từ các tài liệu, giáo trình đang đƣợc dùng làm tài liệu tham khảo

Nghiên cứu này tập trung vào việc khai thác tối đa các trang thiết bị hiện có trong nhà trường cũng như tìm kiếm nguồn lực bên ngoài để hoàn thành đề tài một cách hiệu quả.

Không gian nghiên cứu: Trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM 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

Chúng tôi đề xuất các giải pháp thiết kế và chế tạo mô hình máy súc rửa, dựa trên việc nhận định sơ bộ các phương án qua quan sát Việc lựa chọn phương pháp tạo ra sóng siêu âm sẽ được thực hiện một cách hợp lý, phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất hiện có, và sẽ được kiểm chứng qua thực nghiệm.

Phương 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 phương pháp nghiên cứu: Quan sát, tư duy, kiểm tra, thực nghiệm …

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nghiên cứu lý thuyết về kim phun nhiên liệu

Hình 2 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 trường 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

8-Chụp bảo vệ: bảo vệ kim

9-10 Vòng đệm trên dưới: cách nhiệt cũng như giảm xóc cho kim khi động cơ hoạt động

Trong quá trình hoạt động của động cơ, ECU liên tục nhận tín hiệu từ các cảm biến và so sánh với dữ liệu trong bộ nhớ Dựa trên kết quả so sánh, ECU quyết định thời gian mở kim phun Thời gian mở của kim phun phụ thuộc vào độ rộng xung mà ECU gửi, ảnh hưởng đến thời gian giữ kim trong mỗi lần hoạt động.

Khi cuộn dây từ nhận xung điện, nó tạo ra lực từ đủ mạnh để vượt qua sức căng lò xo, trọng lực của ti kim và áp lực từ nhiên liệu Khi lực này đạt ngưỡng cần thiết, ti kim sẽ nhấc lên khoảng 0.1mm, từ đó phun nhiên liệu ra khỏi kim phun.

Nếu ta gọi: Q: là lƣợng nhiên liệu phun ra khỏi kim

T1: là độ dài xung Thì Q sẽ đƣợc tính bởi công thức:

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

Trong giai đoạn 1a, mặc dù có điện thế được đặt vào, nhưng kim vẫn chưa nhấc lên Khi dòng điện đạt giá trị Im, lực điện bắt đầu vượt qua lực cản, khiến kim di chuyển Giai đoạn 1a kết thúc tại thời điểm này.

Giai đoạn 1b: độ dịch chuyển kim đạt giá cực đại

Giai đoạn 2 (t2): Độ mở kim vẫn giữ nguyên

Trong giai đoạn 3 (t3), mặc dù điện áp đã ngắt, nhưng do sự ngắt đột ngột, mạch dao động vẫn được hình thành Kết quả là, trong khoảng thời gian này, ti kim vẫn duy trì ở một mức nhất định nhờ vào sức điện động tự cảm, cho đến khi lực lò xo đủ mạnh để đẩy ti kim xuống.

Quá trình hoạt động cho thấy thời gian t1 và t3 không thể điều chỉnh bằng xung điện, vì vậy để đảm bảo tính chính xác về thời điểm và thời gian phun, cần giảm tối thiểu thời gian t1 và t3 bằng cách giảm khối lượng riêng của ti kim.

2.1.2 Điều khiển kim phun nhiên liệu

Thời gian phun nhiên liệu thực tế được xác định bởi hai yếu tố chính: thời gian phun cơ bản (tb), chủ yếu phụ thuộc vào lượng khí vào và số vòng quay của động cơ, và thời gian phun hiệu chỉnh (tc), dựa vào các cảm biến còn lại Công thức tính thời gian phun thực tế là tthực tế = tb + tc.

 Các chế độ điều khiển kim phun:

Nghiên cứu lý thuyết về sóng siêu âm

2.2.1 Định nghĩa về sóng âm

Dao động là chuyển động lặp đi lặp lại theo thời gian, trong khi sóng là sự lan truyền tín hiệu mang năng lượng từ điểm này đến điểm khác mà không làm di chuyển các phần tử của môi trường Âm thanh được tạo ra từ các vật dao động và được truyền đi dưới dạng sóng âm Do đó, sóng âm là sóng cơ học, sở hữu đầy đủ các tính chất và thông số như tần số và bước sóng.

Sóng âm là sự dao động của các phần tử trong các chất như rắn, lỏng và khí, tất cả đều có tính đàn hồi Nói cách khác, sóng âm là loại sóng đàn hồi được truyền đi trong môi trường đàn hồi, cho phép mọi vật thể đàn hồi có khả năng lan truyền sóng âm.

Tùy theo dải tần số mà người 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

Hình 2 2 Phân loại sóng âm theo tần số

Nhƣ vậy sóng siêu âm là sóng âm có tần số từ 20kHz đến 100MHz

2.2.2 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

Hình 2 3 Đặc trưng của sóng siêu âm

Tần số (f) được đo bằng Hertz (Hz) và thể hiện số chu kỳ xảy ra trong một giây Tần số của sóng tương ứng với tần số dao động của các phần tử trong môi trường mà sóng truyền qua.

Vận tốc truyền sóng là tốc độ mà năng lượng di chuyển giữa hai điểm trong môi trường thông qua sự chuyển động của sóng Tốc độ này phụ thuộc vào cấu trúc của vật liệu, cụ thể là độ nén và mật độ, mà không bị ảnh hưởng bởi tần số sóng hay kích thước của vật liệu.

Vận tốc sóng siêu âm tỉ lệ thuận với độ nén của vật liệu; vật liệu càng khó nén thì vận tốc sóng lan truyền càng nhanh Trong môi trường khí, các phân tử cách xa nhau, dẫn đến sự liên kết yếu và vận tốc sóng thấp do mỗi hạt phải di chuyển một khoảng cách lớn trước khi tác động vào hạt bên cạnh Ngược lại, trong môi trường lỏng và đặc biệt là chất rắn, các phân tử gần nhau hơn với sự liên kết mạnh, cho phép mỗi hạt chỉ cần di chuyển một khoảng cách ngắn để tương tác với phân tử bên cạnh, từ đó tăng vận tốc sóng lan truyền.

Mật độ của vật liệu ảnh hưởng đến khả năng di chuyển của các phần tử bên trong; những vật liệu có mật độ dày thường được cấu tạo từ các phần tử lớn, với quán tính cao, khiến cho việc di chuyển và dừng lại trở nên khó khăn.

Mật độ vật liệu ảnh hưởng đến vận tốc truyền sóng; vật liệu có mật độ lớn thường làm giảm vận tốc sóng Trong môi trường lỏng, mật độ và độ nén thường tỉ lệ nghịch, dẫn đến vận tốc truyền sóng tương đối đồng nhất Ngược lại, trong chất rắn, độ nén thường lớn hơn mật độ, vì vậy vận tốc truyền sóng thường cao hơn.

Độ dài bước sóng là khoảng cách mà sóng di chuyển trong một chu kỳ Bước sóng được xác định bằng khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy liền kề Các phần tử cách nhau một bước sóng sẽ có cùng trạng thái động, tức là dao động đồng pha.

 Trở kháng của môi trường còn gọi là độ vang hay độ dội của sóng âm trong môi trường, được xác định theo biểu thức:

Với: V: là vận tốc truyền sóng trong môi trường (m/s)

11 đ: là mật độ khối lượng của môi trường (Kg/m³)

Z: là trở kháng âm của môi trường( Rayls)

 Như vậy tổng trở âm học là một thông số phụ thuộc môi trường truyền sóng

2.2.3 Ứng dụng sóng siêu âm

Sóng siêu âm đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế, công nghiệp máy móc, nghiên cứu khoa học và thám hiểm địa hình.

Sóng siêu âm đã trở thành một phần thiết yếu trong y học hiện đại, đóng góp quan trọng trong chẩn đoán, điều trị và phòng ngừa bệnh Chúng cho phép phát hiện sớm các khối u trong cơ thể bằng cách phân tích sự thay đổi kích thước tế bào và vận tốc sóng âm khi truyền qua các tổ chức Bằng cách chiếu chùm siêu âm hẹp vào cơ thể và ghi nhận tín hiệu phản xạ, bác sĩ có thể xác định vị trí và mức độ phát triển của khối u Ngoài ra, các thiết bị siêu âm, đặc biệt là máy siêu âm màu Doppler, đã cải thiện khả năng chẩn đoán, giúp phát hiện nhanh chóng và chính xác các bất thường trong cơ thể.

Hình 2 4 Ứng dụng sóng siêu âm trong lĩnh vực y tế

Sóng siêu âm trong công nghiệp: Đƣợc ứng dụng để phát hiện lỗi sản phẩm, chất lƣợng mối hàn, độ dày sản phẩm …

Sóng siêu âm được sử dụng để khảo sát và vẽ bản đồ các địa hình hiểm trở, bao gồm đáy đại dương sâu và khu vực rừng núi.

Hàn bằng siêu âm là một phương pháp hàn tương tự như hàn ma sát, sử dụng dao động siêu âm với tần số khoảng 20 kHz được kích thích từ máy phát công suất lớn Các dao động này tác động vào một vùng nhỏ của bề mặt, làm cho vùng cần hàn trở nên dẻo Sau đó, lực ép (cơ học hoặc khí nén) được áp dụng để đẩy các chi tiết cần nối lại gần nhau, tạo ra khoảng cách tương tác giữa các nguyên tử, từ đó hình thành mối liên kết chặt chẽ và tạo thành mối hàn với cấu trúc kim loại ít thay đổi.

Ngoài ra thì sóng siêu âm còn đƣợc ứng dụng vào khoa học công nghệ trong các ngành nông nghiệp, công nghiệp, hóa học phân tích…

Ngày nay, siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp tẩy rửa, với bể tẩy rửa siêu âm trở thành lựa chọn phổ biến cho cả công nghiệp và hộ gia đình Thiết bị này có khả năng tẩy rửa các vật dụng có thể gây độc hại hoặc tổn thương cho người dùng, đồng thời cũng an toàn khi sử dụng để tẩy rửa thực phẩm mà không lo về vấn đề độc hại.

Hình 2 5 Bể rửa dùng sóng siêu âm

Bể tẩy rửa siêu âm với độ chính xác cao là giải pháp hiệu quả cho việc làm sạch các dụng cụ, thiết bị và linh kiện phức tạp, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như khai thác khoáng sản, viện nghiên cứu, phòng thí nghiệm, bệnh viện và xưởng lắp ráp điện tử Thiết bị này có khả năng tẩy rửa các vật dụng thí nghiệm khó làm sạch, đồng thời giúp loại bỏ hóa chất độc hại mà không gây nguy hiểm cho người sử dụng Nhờ vào bể tẩy rửa siêu âm, người dùng có thể tránh được những rủi ro liên quan đến việc tiếp xúc với chất độc hại.

Nghiên cứu lý thuyết dung dịch tẩy rửa kim phun

Để xe hoạt động, động cơ cần đốt cháy xăng và không khí Hệ thống nạp khí hút không khí qua bộ lọc và van phân phối vào buồng đốt Bơm xăng đưa nhiên liệu qua lọc xăng vào ống dẫn nối với kim phun Dưới tín hiệu của ECU, kim phun phun nhiên liệu dưới dạng sương vào buồng đốt qua van nạp.

Sau một thời gian sử dụng, kim phun nhiên liệu có thể bị bám muội than từ buồng đốt hoặc cặn bẩn trong xăng như nhựa, lưu huỳnh và các kim loại nặng Điều này dẫn đến tình trạng nghẹt kim phun, làm tiêu hao nhiên liệu và ảnh hưởng xấu đến hiệu suất vận hành của xe.

Nhóm nghiên cứu của Đại học Công Nghệ TPHCM đã phát hiện hai loại hóa chất là Toluene và Acetone Sau nhiều thử nghiệm, họ đã tìm ra giải pháp tối ưu bằng cách pha trộn chúng với xăng ở tỷ lệ thích hợp, mang lại hiệu quả cao trong việc rửa sạch kim phun.

Aceton là một chất lỏng trong suốt, không màu, có mùi ngọt và bay hơi nhanh chóng Với nhiệt độ sôi thấp và tốc độ bay hơi cao, aceton có khả năng hòa tan tốt, làm cho nó trở thành một dung môi hiệu quả trong nhiều ứng dụng.

Aceton tan hoàn toàn trong nước và các dung môi hydrocacbon, bao gồm cả mạch thẳng và mạch vòng Nó cũng hòa tan hiệu quả trong dầu mỡ động vật và thực vật, cùng với hầu hết các loại nhựa tổng hợp và tự nhiên.

Phản ứng cộng với H2/Ni, to tạo ancol bậc II:

Phản ứng thế ở gốc hidrocacbon vị trí bên cạnh nhóm CO:

CH3COCH3 + Br2 → CH3COCH2Br + HBr (có CH3COOH)

Axeton là một dung môi hiệu quả, có khả năng hòa tan nhiều chất hữu cơ và dễ dàng loại bỏ chúng khỏi các dung dịch Chính vì vậy, axeton thường được sử dụng trong ngành sản xuất hóa chất và tẩy rửa.

Toluen là một loại hyđrocacbon thơm, có dạng lỏng trong suốt và không màu với độ nhớt thấp Chất này ít hòa tan trong nước, với độ hòa tan là 0.047g/100ml ở 160°C và 0.04g/100ml ở 150°C Toluen là một dung môi hiệu quả trong việc hòa tan các chất béo.

15 dầu, nhựa thông, photpho, lưu huỳnh và iot, ngoài ra nó có thể tan lẫn hoàn toàn với một số dung môi hữu cơ nhƣ rƣợu, ete, xeton

 Toluen tham gia phản ứng với brom khan cho ra bromtoluen và axit HBr

Hình 2 6 Toluen phản ứng với Brom

 Phản ứng với khí clo tạo ra diclometan và axit HCL

Hình 2 7 Toluen phản ứng với Clo

 Phản ứng với nitro hóa tạo ra nitrotoluen và nước

Hình 2 8 Toluen phản ứng nitro hóa

Phản ứng cộng với H2 tạo ra metylxiclohexan

Hình 2 9 Toluen phản ứng cộng H2

Phản ứng oxy hóa với nhóm metyl

Hình 2 10 Toluen phản ứng oxy hóa

 Sản xuất nhựa tổng hợp

 Dùng trong sơn xe hơi, xe máy, sơn đồ đạc trong nhà

 Dung môi toluen làm chất pha loãng

 Dùng làm chất tẩy rữa

 Sản xuất keo dán và các sản phẩm cùng loại, dùng trong keo dán cao su, ximăng cao su vì có khả năng hòa tan tốt

 Đƣợc dùng làm chất cải thiện chỉ số octane của xăng dầu, và làm chất mang phụ gia cho nhiên liệu

 Dùng để sản xuất thuốc nhuộm

2.3.3 Pha chế dung dịch tẩy rửa kim phun

Sau nhiều thử nghiệm trên động cơ 4 xi-lanh, nhóm nghiên cứu từ Đại Học Công Nghệ TPHCM đã tìm ra tỷ lệ hợp lý để trộn xăng với Acetone và Toluene nhằm làm sạch kim phun Kết quả cho thấy, sau 25 phút rửa, kim phun được làm sạch hoàn toàn và sẵn sàng cung cấp nhiên liệu cho động cơ.

Hình 2 11 Tỉ lệ pha chế dung dịch tẩy rửa kim phun.

Nghiên cứu lý thuyết làm sạch bằng sóng siêu âm kết hợp dung dịch

Làm sạch bằng sóng siêu âm dựa trên hiện tượng xâm thực sóng siêu âm, nơi sóng cơ học được tạo ra trong không khí hoặc chất lỏng Dưới tác dụng của áp suất, vật chất bị dồn nén tạo thành các con sóng, di chuyển về phía có áp suất thấp hơn và lan truyền theo nhiều hướng, nhưng chủ yếu theo hướng thẳng của lực đẩy Chùm sóng này chứa nhiều sóng tần số cao, tạo ra hàng triệu bọt khí nhỏ, thường được gọi là bong bóng Kích thước của những bong bóng này rất đa dạng và thường phụ thuộc vào tần số của sóng siêu âm; sóng siêu âm có tần số cao sẽ tạo ra bong bóng nhỏ hơn.

Bong bóng trong môi trường chất lỏng di chuyển và va chạm vào bề mặt vật cản, gây ra các vụ nổ khi chịu lực nén từ sóng, bắn các hạt chất lỏng vào bề mặt vật Những vụ nổ này giúp loại bỏ bụi bẩn và cặn bám trên bề mặt khi áp suất âm xuất hiện Để nâng cao hiệu suất của công nghệ rửa siêu âm, cần sử dụng dung môi tẩy rửa phù hợp với từng loại chất bẩn, đảm bảo chúng dễ hòa tan và tách ra khỏi bề mặt vật Trong quá trình rửa, dung môi gần bề mặt sẽ bị bão hòa do chất bẩn tăng lên, làm giảm khả năng kích hoạt Để cải thiện hiệu suất tẩy rửa, có thể lắc vật hoặc điều chỉnh cường độ sóng siêu âm xuống tần số thấp hơn tần số làm việc thực tế, đặc biệt đối với bề mặt có nhiều hốc và hình dáng phức tạp.

Để đạt hiệu quả cao trong việc rửa siêu âm, chúng ta cần đặt vật cần rửa trong bể ở vị trí thích hợp để chất bẩn dễ dàng tách ra và di chuyển khỏi các lỗ, hốc Trong một số trường hợp, việc tạo dòng chất lỏng tuần hoàn trong dung dịch tẩy rửa là cần thiết Do đó, cần có quy trình rửa cụ thể cho từng loại vật và dạng bụi bẩn bám trên chúng.

2.4.2 Quá trình làm sạch một vật Để cho dung dịch tẩy rửa hòa tan đƣợc các hạt bụi bẩn điều cần thiết là dung dịch cần phải được tiếp xúc trực tiếp với hạt bụi Trong trường hợp này quá trình tẩy rửa đóng vai trò tạo sự tiếp xúc giữa hóa chất hoặc bụi bẩn

Hình 2 12 Quá trình làm sạch 1

Khi hóa chất hòa tan bụi bẩn, lớp hóa chất gần bề mặt vật thể sẽ dần bị bão hòa, dẫn đến hiệu quả tẩy rửa giảm sút hoặc ngừng hẳn Để tăng tốc quá trình làm sạch, cần bổ sung thường xuyên hóa chất tẩy rửa mới.

Hình 2 13 Quá trình làm sạch 2

Sóng siêu âm tạo ra bọt sóng và bắn phá bề mặt, giúp tăng cường hiệu suất tẩy rửa bằng cách giảm thiểu sự hình thành lớp hóa chất bão hòa Điều này cho phép lớp hóa chất tích cực tiếp xúc trực tiếp với bề mặt cần được làm sạch.

Hình 2 14 Quá trình làm sạch 3

Một số bụi bẩn không tan trong nước mà chỉ bám lỏng lẻo trên bề mặt vật thể nhờ lực liên kết ion Những bụi bẩn này có thể dễ dàng được loại bỏ bằng cách áp dụng một lực cưỡng bức.

20 lớn hơn lực bám dính của nó với bề mặt là bụi bẩn đã đƣợc tách ra khỏi bề mặt một cách dễ dàng

Để đạt hiệu quả cao trong quá trình tẩy rửa siêu âm, dung dịch tẩy rửa cần phải có khả năng bám dính và làm sạch các hạt bụi bẩn.

Hình 2 16 Quá trình làm sạch 5

 Những yếu tố cần lưu ý khi sử dụng phương pháp làm sạch bằng sóng siêu âm kết hợp dung dịch

Khi lựa chọn tần số siêu âm cho bể rửa, tần số phổ biến từ 38-45 kHz thường đáp ứng nhu cầu làm sạch thông thường Tần số thấp hơn tạo ra các bóng chân không lớn hơn, mang lại hiệu quả làm sạch mạnh mẽ hơn, đặc biệt là với các tần số dưới 25 kHz trong các quy trình làm sạch thô Tuy nhiên, tần số thấp cũng đi kèm với độ ồn cao hơn Đối với việc làm sạch các vật liệu giá trị cao như trang sức, thiết bị điện tử và kim loại nhẹ có bề mặt bóng nhẵn, tần số rất cao khoảng 130 kHz là cần thiết.

Khi lựa chọn công suất siêu âm, cần lưu ý rằng dung tích dung dịch càng lớn thì công suất siêu âm cũng cần cao hơn Mặc dù công suất cao thường mang lại hiệu quả làm sạch tốt hơn và thời gian xử lý nhanh hơn, nhưng nếu công suất quá lớn có thể gây hại cho các bộ phận điện tử và bề mặt vật liệu như kim loại nhôm Do đó, việc tìm ra công suất tối ưu cho quá trình là rất quan trọng.

Để đạt hiệu quả tối ưu trong công nghệ rửa siêu âm, việc lựa chọn dung dịch tẩy rửa phù hợp là rất quan trọng Có nhiều loại bụi bẩn khác nhau, một số có thể tan trong dung dịch, trong khi một số khác thì không Do đó, việc xác định chất tẩy rửa thích hợp sẽ giúp nâng cao hiệu quả làm sạch.

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, THI CÔNG

Thiết kế mô hình

3.1.1 Các bộ phận chính của mô hình

 Bể rửa và đầu phát siêu âm:

Nhiệm vụ: chứa dung dịch để tẩy rửa kim phun

Thiết kế đầu phát và bể được hàn cố định nhằm tối ưu hóa sự truyền dao động Sau đó, tiến hành đo các kích thước cần thiết để thiết kế khung vỏ và bố trí hợp lý.

Hình 3 1 Bể rửa và đầu phát siêu âm mô phỏng trên phần mềm Catia.

Nhiệm vụ: chứa dung dịch súc rửa kim phun, và chƣa dung dịch hồi về sau súc rửa

Thiết kế: vật liệu: nhựa PVC, dễ gia công, giá thành rẻ

Bố trí bình chứa tiết kiệm không gian và dễ thêm dung dịch

23 Đo các kích thước cần thiết để thiết kế khung vỏ

Hình 3 2Bình chứa thiết kế trên phần mềm Catia.

 Bộ gá, ống nghiệm chứa và đo lưu lượng:

Nhiệm vụ: gá ống phân phối dung dịch, gá kim phun, chứa dung dịch phun ra là đo lưu lượng

Bộ gá và ống nghiệm đã được sản xuất với kích thước tiêu chuẩn có bán trên thi trường Đo kích thước cần thiết để thiết kế khung vỏ

Hình 3 3Bộ gá và ống nghiệm mô phỏng trên phần mềm Catia

Sau khi có kích thước của các bộ phận tiến hành thiết kế khung, vỏ để bố trí các bộ phận

Vật liệu sử dụng là sắt vuông rỗng với cạnh 1cm và độ dày 1.5mm, mang lại nhiều ưu điểm như độ bền cao, chắc chắn, dễ gia công hàn và cắt, cùng với giá thành rẻ Quy trình thực hiện bao gồm việc cắt sắt theo kích thước thiết kế, hàn các thanh sắt lại với nhau bằng máy hàn điện theo hình dạng đã định, sau đó chờ nguội và mài nhẵn các mối hàn để đảm bảo tính thẩm mỹ và độ an toàn cho sản phẩm.

Hình 3 4Khung máy mô phỏng trên Catia.

Vật liệu: mika tấm dày 3mm Ƣu điểm: thẩm mỹ cao, dễ khoan, cắt

Thực hiện: đo kích thước thực tế của khung đã gia công, sau đó dùng phần mềm Autocad để máy cắt lazer gia công

Hình 3 5Bản vẻ vỏ mô hình trên phần mềm Cad.

3.1.3 Thiết kế bố trí và phương pháp cố định trên mô hình

Yêu cầu về cách bố trí mô hình cần đảm bảo an toàn cho việc rò rỉ, an toàn điện, và thuận tiện cho việc sử dụng, sửa chữa, bảo dưỡng Các bộ phận phải được sắp xếp hợp lý dựa trên kích thước thực tế, nhằm tiết kiệm tối đa không gian.

Hình 3 6Bố trí các bộ phận mô hình mô phỏng trên phần mềm Catia

Các chi tiết đƣợc lắp với khung bằng bulông và đai ốc để đảm bảo độ chắc chắn

Hình 3 7 Mô hình lắp ghép thực tế 1

Hình 3 8 Mô hình lắp ghép thực tế 2.

Tổng quan hệ thống

Hoạt động của hệ thống đƣợc tóm tắt nhƣ hình (3.4) Hệ thống đƣợc chia ra hai phần độc lập: khối siêu âm và khối điều khiển

Khối siêu âm được điều khiển bởi IC SG3525, có chức năng tạo ra xung kích cho mosfet với tần số cao và có thể điều chỉnh Qua khối công suất, điện áp xoay chiều được sinh ra với tần số theo điều khiển của IC SG3525, nhằm điều khiển loa siêu âm tạo ra rung động tác động vào bể rửa.

Khối điều khiển được điều khiển bởi Module Arduino Nano, có chức năng nhận lệnh từ các nút điều khiển của người dùng, điều khiển bơm và kim theo các chế độ đã được lập trình, đồng thời hiển thị thông tin trên màn hình LCD 2x16.

Hình 3 9Tổng quan hệ thống.

Khối siêu âm

Hiệu ứng áp điện, được phát hiện lần đầu bởi nhà khoáng vật học Pháp vào năm 1817 và được nghiên cứu sâu hơn bởi anh em nhà Curie vào năm 1880, là hiện tượng mà một chất có tính chất hóa học tương tự như gốm có khả năng biến đổi hình dạng khi chịu tác động của điện trường Ngược lại, khi áp dụng lực cơ học, chất này sẽ tạo ra dòng điện Hiệu ứng này cho phép chuyển đổi trực tiếp giữa năng lượng điện và năng lượng cơ học Theo chiều thuận, khi tác động lực lên vật, điện sẽ được sinh ra, trong khi hiệu ứng nghịch cho phép áp dụng điện áp để tạo ra biến dạng và lực Các vật liệu như PZT, bao gồm chì, zircon và titan, sở hữu tính chất áp điện, ví dụ như thạch anh.

3.3.1.2 Hiện tượng áp điện thuận

Một tấm thạch anh dày 10 mm được phủ lớp bạc ở cả hai bề mặt để tạo thành các điện cực Hai bản cực này được kết nối với một điện kế như hình.

Hình 3 10Hiện tượng áp điện thuận.

Khi tác động lực kéo lên tấm mỏng, bề dày của nó thay đổi theo công thức ll = l o + l, và kim của điện kế lệch sang trái Điều này chứng tỏ rằng hai bên bản cực của tấm mỏng xuất hiện các điện tích trái dấu.

Khi tác dụng một lực nén lên bề mặt của tấm mỏng, dẫn đến sự biến đổi từ ll l o - l, kim của điện kế sẽ lệch sang bên phải Điều này cho thấy rằng các điện tích trên hai bản cực của tấm mỏng đã thay đổi chiều.

Quan hệ giữa điện tích Q và lực F đƣợc xác định bởi công thức: Q = K x F

Trong đó: Q: điện tích (Coulomb)

K: hằng số áp điện (K = 6.9x10 -8 ) F: giá trị của lực kéo hoặc nén (kg)

Khi lực tác động lên bề mặt tấm mỏng, các dao động cơ học sẽ thay đổi, dẫn đến sự xuất hiện tín hiệu điện xoay chiều trên hai điện cực của tấm mỏng Tín hiệu này có tần số tương ứng với dao động cơ học đã tác động.

Các vật mang tính chất nhƣ trên gọi là vật liệu áp điện

3.3.1.3 Hiện tượng áp điện nghịch

Hình 3 11Hiện tượng áp điện nghịch.

Khi nối hai bản cực của tấm thạch anh mỏng với nguồn điện có chiều lần lượt, bề dày của tấm áp điện sẽ biến đổi theo công thức ll = lo + l Khi đổi chiều nguồn cấp điện, bề dày cũng sẽ biến đổi theo cùng một công thức ll = lo + l.

Quan hệ giữa l và điện áp V đƣợc xác định: l = K x V

Trong đó: l: là độ biến thiên kích thước hình học của tấm áo điện

V: giá trị của nguồn điện (V)

Khi một tín hiệu điện xoay chiều với tần số f được đặt lên hai điện cực của tấm áp điện, bề dày của tấm sẽ liên tục biến đổi theo cùng tần số, dẫn đến việc dao động cơ học được phát ra ra môi trường.

Hình 3 12 Hiện tượng của biến tử áp điện khi cấp điện áp xoay chiều

30 Đây chính là nguyên tắc chế tạo biến tử phát sóng siêu âm

Thực nghiệm cho thấy biên độ dao động đạt giá trị tối đa khi tần số của nguồn V bằng với tần số dao động riêng của tấm áp điện Tần số dao động riêng này phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo và độ dày của tấm, được tính theo công thức: f o = k/ l.

Trong đó: k: hệ số dao động riêng (kHz.mm) f o : tần số dao động riêng của tấm áp điện l : bề dài của tấm áp điện (mm)

3.3.1.4 Cấu tạo đầu rung siêu âm

Hình 3 13Cấu tạo đầu rung siêu âm.

3.3.2 Module điều khiển siêu âm

IC SG3525 do các hãng ST Mircroelectronis, Fairchild sản xuất SG3525 đƣợc sử dụng nhiều trong các thiết kế DC-DC converter, DC-AC inverter, hệ thống UPS

Hình 3 14Sơ đồ nguyên lí IC SG3525.

3.3.2.2 Cách sử dụng IC SG3525

Hình 3 15Sơ đồ chân kết nối IC SG3525.

Chân 1 (đầu vào đảo) và chân 2 (đầu vào không đảo) là các đầu vào của bộ khuếch đại vi sai đƣợc tích hợp trên IC Chúng ta có thể hiểu nó là bộ so sánh 2 tín hiệu lối vào của bộ so sánh, đầu ra của bộ so sánh này đƣợc sử dụng để tăng hoặc giảm độ rộng xung Khi điện áp chân 1 cao hơn so với chân 2 thì độ rộng xung sẽ giảm và ngƣợc lại

Chân 16 là đầu ra của khối tạo điện áp chuẩn SG3525 có một module ổn áp bên trong, có điện áp ổn đầu ra là đƣợc lấy trên chân 16 là + 5.1V với độ chính xác +/- 1% Điện áp tham chiếu này thường được sử dụng để làm tham chiếu chuẩn cho bộ khuếch đại vi sai (có 2 đầu vào là chân 1 và 2) Điện áp tham chiếu có thể đƣợc kết nối trực tiếp hoặc thông qua bộ chia áp đến một chân cuả bộ khêch đại vi sai

Chân 15 là chân VCC, tức nguồn nguồn cấp cho IC nằm trong khoảng từ 8 đến 35V SG3525 có một mạch khóa toàn bộ hoạt động khi điện áp nguồn cấp thấp hơn 8V Chân 13,Vc, điện áp cấp đến tầng ra của SG3525 Chân này đƣợc kết nối đến các colector của các transistor NPN ở tầng ra Điện áp cấp cho chân này có giá trị từ 4.5 đến 35V Điện áp đầu ra bộ điều khiển sẽ thấp hơn điện áp Vc một chút, đúng bằng độ thông bão hòa của transistor khi điều khiển Mosfet, giá trị Vc phải nằm trong khoảng từ 8 đến 18V (Khoảng điện áp để MOSFET dẫn hoàn toàn mà không đánh thủng cực G ) Chân 12 nối mass

Chân 11 và chân 14 là các đầu ra Các đầu ra của SG3525 có thể trực tiếp điều khiển MOSFET và IGBT Các đầu ra này có thể chịu đƣợc dòng 100 mA liên tục và 500 mA dòng đỉnh Khi yêu cầu dòng điều khiển lớn hơn, các đầu ra này có thể đƣợc kết hợp cùng với các transistor rời rạc hoặc các mạch điều khiển chuyên dụng Khi sử dụng mạch cầu hoặc bán cầu, muốn sử dụng SG3525 để điều khiển thì cần phải có biến áp để điều khiển Mosfet bên trên của cầu phần Mosfet bên dưới có thể điều khiển trực tiếp

Chân 10 là chân Shutdow Khi chân này ở mức thấp, PWM sẽ đƣợc cho phép sử dụng Khi ở mức cao, mạch PWM sẽ bị cấm ngay lập tức Chân này có thể đƣợc sử dụng để cắt lập tức tín hiệu ra PWM Ngoài ra có thể shutdow bằng cách đƣa điện áp chân 9 và

Mặc dù mức thấp của chân 8, tốc độ đáp ứng của nó không thể so sánh với chân 10 Khi thiết kế mạch, cần đảm bảo chân này không để hở, vì nhiễu có thể ảnh hưởng đến hoạt động của PWM.

Chân 9 là chân bù, kết hợp với chân 1 để hình thành nên mạch bù phản hồi

Chân 3, 4 là hai chân dùng để đo kiểm thông qua máy oscilloscope

3.3.2.3 Tính toán tần số IC SG3525

Tần số PWM sẽ phụ thuộc vào 3 linh kiện chính đó là RD (chân 7),RT( chân 6) và CT(chân 5) Tần số đƣợc tính theo công thức:

RT và RD được tính theo ôm, trong khi CT được tính theo Fara và f theo Hz Giá trị của RD thường nằm trong khoảng từ 10 đến 47 ôm, với dải giá trị điện trở do nhà sản xuất quy định từ 0 đến 500 ôm.

Khối điều khiển

3.4.1 Module điều khiển trung tâm

Hình 3 14 Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển trung tâm

Mạch điều khiển sử dụng module Arduino Nano để tiếp nhận thao tác từ người dùng qua các nút nhấn, cho phép lựa chọn chế độ và thời gian kiểm tra Biến trở được sử dụng để điều chỉnh tốc độ bơm, với các nút được đọc qua chân port Digital và biến trở qua chân port Analog.

Mạch điều khiển các chế độ tẩy rửa thực hiện việc kiểm tra bằng cách điều chỉnh tốc độ bơm, điều khiển quá trình mở và đóng kim phun, cũng như thiết lập thời gian cho từng chế độ dựa trên thao tác của người dùng.

Cuối cùng hiển thị lên màn hình LCD 16x2 kết hợp với module giao tiếp I2C để tiết kiệm chân PORT

Điện trở kéo lên được sử dụng để ngăn chặn hiện tượng trôi của điện áp ngõ vào, giúp xác lập các trạng thái HIGH hoặc LOW cho nút nhấn Nó cũng đảm bảo rằng dòng điện chạy qua đủ nhỏ để bảo vệ vi điều khiển khỏi hư hại Thông thường, điện trở kéo lên được kết nối với Vcc của mạch, thường là 3.3V hoặc 5V.

Thường chọn dòng tiêu thụ với nút nhấn là 0.5mA

Lựa chọn mosfet: chọn mosfet IRF640

Bảng 3.4 Thống số mosfet IRF640

Việc kích mosfet trực tiếp từ vi điều khiển có thể dẫn đến thiếu cách ly mạch, gây nguy cơ hư hỏng cho vi điều khiển khi xảy ra sự cố Do đó, việc sử dụng opto cách ly là cần thiết Opto PC817 thường được sử dụng để cách ly giữa mạch điều khiển và mạch công suất.

Dựa trên thông số của Opto, chúng ta chọn điện áp cấp cho MOSFET là 12V, vì Opto có thể chịu Vce tối đa là 20V Điện áp chân VAK là VF = 1.4V, trong khi điện áp từ vi điều khiển cấp Vcc là 5V Chúng ta cũng chọn dòng qua AK là IAK = 16mA Từ các thông số này, ta có thể tính toán giá trị điện trở R2.

Bảng 3.5 Thông số OPTO PC817

 Tính toán điện trở kích Mosfet

Ta tính giá trị của điện trở kích mosfet theo dòng điện tối đa của Zener 1N4739A ( 9.1V , 28mA)

Hình 3 15Sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển bơm.

3.4.3 Mạch điều khiển kim phun

Mạch điều khiển kim phun hoạt động tương tự như mạch điều khiển bơm, nhưng khác nhau ở chân điều khiển Cụ thể, mạch điều khiển kim phun sử dụng chân PORT ON/OFF, trong khi mạch điều khiển bơm sử dụng chân điều khiển PWM.

Hình 3 16 Sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển kim phun.

3.4.4 Thiết kế thi công mạch điều khiển

Sau khi tính toán và chọn các linh kiện, tiến hành thiết kế mạch in trên phần mềm Proteus

Hình 3 17Mạch in mạch điều khiển trung tâm.

Sau khi rửa mạch tiến hành khoan lỗ và hàn các linh kiện

Hình 3 18Khoan mạch điều khiển trung tâm.

Hình 3 19Hàn các linh kiện mạch điều khiển trung tâm.

Hình 3 20Mạch điều khiển trung tâm thực tế.

Cách vận hành máy

Hình 3 21 Tổng quan mô hình thực tế

Hình 3 22 Tổng quan các bộ phận trên mô hình thực tế

3.5.1 Thao tác lắp ráp các bộ phận Đặt kim phun lên gá trong bể rửa, lưu ý không để kim chạm đáy bể sẽ làm giảm hiệu suất rửa và tuổi thọ máy

Hình 3 23Chế độ rửa siêu âm.

Chọn đầu nối phù hợp với kim phun sau đó lắp cố định lên máy

Hình 3 24Lựa chọn đầu nối cho kim phun.

Hình 3 25Lắp kim phun lên máy.

Sau đó lắp ống cấp nhiên liệu vào ống phân phối nhiên liệu, và vận hành các chế độ

Hình 3 26Lắp ống cấp nhiên liệu.

 Máy sau khi lắp đặt xong và mở nguồn gồm hai quá trình hoạt động :

 Súc rửa trong bể rửa siêu âm: điều khiển thông qua công tắt ON/OFF bất hoặc tắt chế độ

Kiểm tra và súc rửa ống nghiệm được thực hiện thông qua các công tắc điều khiển, bao gồm công tắc tăng giảm chế độ, công tắc thiết lập thời gian, cùng với công tắc để bắt đầu, tạm dừng và kết thúc quá trình.

 Các chế độ của máy:

 Chế độ tốc độ trung bình

 Chế độ tốc độ cao

 Chế đổ kiểm tra rò rỉ

 Lưu ý an toàn sử dụng:

 Không để máy hoạt động khi không có dung dịch trong bình dẫn đến hƣ bơm

 Không để máy hoạt động khi chƣa lắp ống dẫn dung dịch vào ông phân phối vì áp suất tăng gây hƣ bơm

 Khuyến cáo chế độ rửa siêu âm không quá 45 phút

 Kiểm tra các van, dầu hồi về, van xả trước khi vận hành máy

 Chỉnh áp suất hợp lí so với thực tế hoạt động của xe

KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ

Kết quả

Tiến hành đo đầu ra của mô hình tại hai chân của đầu phát siêu âm

Hình 4 1 Kiểm tra đầu ra bộ phát siêu âm

Hình 4 2 Dùng máy Oscilloscope kiểm tra đầu ra

55 Điện áp, cường độ cũng như tần số điều khiển đầu ra hoàn toàn phù hợp với yêu cầu hoạt động của đầu rung siêu âm

Kết quả: Điện áp: U = 131.6 V, dòng điện I = 821.7mA, tần số trung bình f 27,23kHz

Hình 4 3Đồ thị điện áp và tần số đầu ra.

Hình 4 4Đồ thị cường độ dòng điện đầu ra.

4.1.2 Kết quả mô hình và súc rửa

Kết quả mô hình: mô hình nhỏ gọn, kết cấu chắc chắn có nắp linh hoạt dễ bảo dƣỡng

Hình 4 5Mô hình thực tế.

Kết quả súc rửa: kim phun đạt yêu cầu, sau 20 phút súc rửa, kim phun sáng, sạch sẽ hơn, qua kiểm tra thực nghiệm kim phun tơi hơn

Hình 4 6Kim phun trước khi súc rửa.

Hình 4 7Kim phun sau khi súc rửa.

Hình 4 8Kim phun trước và sau súc rửa.

Đánh giá

4.2.1 So sánh với sản phẩm cùng loại

Hình 4 9Máy súc rửa kim phun công ty Thiên Phong.

 Đáp ứng nhƣ cầu súc rửa kim phun

 Máy có kết cấu nhỏ gọn

 Đồng thời có thể súc rửa 4 kim phun

 Ƣu điểm giữa mô hình so với máy khảo sát của công ty Thiên Phong:

 Mạch điện ít nóng hơn

 Mô hình có van dầu hồi thích hợp cho việc kiểm tra kim phun

 Mô hình có thể điều chình tần số siêu âm

 Mô hình có thiết kế cửa để bảo trì tiện lợi hơn

 Nhƣợc điểm mô hình so với máy khảo sát của công ty Thiên Phong

 Thiết kế cơ khi chƣa hoàn chỉnh

 Các chi tiết đa số làm thủ công còn sai số nhiều