Nghiên cứu thiết lập mô hình chẩn đoán để đánh giá trạng thái kỹ thuật động cơ diesel máy chính tàu cá việt nam

LỜI CAM ĐOANTôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu của đề tài: “Nghiên cứu thiết lập môhình chẩn đoán để đánh giá trạng thái kỹ thuật của động cơ diesel máy chính tàu cá Việt Nam” là cô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Nha Trang

Người hướng dẫn khoa học:

LỜI CAM ĐOANTôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu của đề tài: “Nghiên cứu thiết lập mô

hình chẩn đoán để đánh giá trạng thái kỹ thuật của động cơ diesel máy chính tàu

cá Việt Nam” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi và chưa từng được công bố

trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này

Khành Hòa, ngày tháng 01 năm 2021

Tác giả luận án

Hồ Đức Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận án, tôi luôn nhận được sự tạo điều kiện của BanGiám hiệu, quý Phòng, Khoa của Trường Đại học Nha Trang Đặc biệt là sự hướngdẫn tận tình của PGS TS Trần Thanh Hải Tùng – Đại học Đà Nẵng và TS QuáchHoài Nam – Trường Đại học Nha Trang, đã truyền thụ kiến thức và động viên để tôihoàn thành công trình nghiên cứu Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến sự giúp

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đơn vị và các đồng nghiệp đã giúp đỡ, độngviên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án

Xin trân trọng cảm ơn!

Khành Hòa, ngày tháng 01 năm 2021

Tác giả luận án

Hồ Đức Tuấn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC……… ii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC KÝ HIỆU xi

TÓM TẮT NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN xiii

MỞ ĐẦU 1

I LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 1

II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 3

III ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3

III.1 Đối tượng nghiên cứu 3

III.2 Phạm vi nghiên cứu 3

III.2.1 Về lý thuyết và mô phỏng 3

III.2.2 Về thực nghiệm 4

IV NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4

V PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4

VI Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN 4

VI.1 Ý nghĩa khoa học 4

VI.2 Tính thực tiễn của đề tài 4

VII KẾT CẤU LUẬN ÁN 5

Chương 1 TỔNG QUAN 6

1.1 Xu hướng sử dụng và phát triển động cơ diesel 6

1.2 Đặc điểm cấu tạo và sử dụng động cơ diesel dùng cho tàu cá Việt Nam 8

1.2.1 Đặc điểm cấu tạo 8

1.2.2 Đặc điểm sử dụng 11

1.3 Khái quát về công tác đăng kiểm của máy chính tàu cá 12

1.4 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về chẩn đoán động cơ diesel 13

1.4.1 Nghiên cứu trên thế giới 13

1.4.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam 17

Kết luận Chương 1: 20

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHẨN ĐOÁN TRẠNG THÁI KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU CÁ CÔNG SUẤT NHỎ 21

2.1 Lý thuyết về chẩn đoán trạng thái kỹ thuật của động cơ diesel 21

2.1.1 Trạng thái kỹ thuật và chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cơ diesel 21

2.1.2 Các thông số đánh giá và chẩn đoán trạng thái kỹ thuật 22

2.1.3 Yêu cầu đối với các thông số chẩn đoán 23

2.1.4 Bộ thông số chẩn đoán 24

2.1.5 Phương pháp xác định bộ thông số chẩn đoán 33

2.2 Quan hệ thông số đánh giá trạng thái kỹ thuật với thông số chẩn đoán 34

2.2.1 Quan hệ của công suất và suất tiêu hao nhiên liệu với thông số chẩn đoán 34

2.2.2 Quan hệ phát thải bồ hóng và NOx với thông số chẩn đoán 38

2.3 Phương pháp chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cơ diesel hiện nay 41

2.3.1 Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật bằng mô phỏng quá trình phun nhiên liệu 42

2.3.2 Phương pháp thực nghiệm 46

2.4 Đề xuất mô hình chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cơ diesel máy chính tàu cá47 Kết luận Chương 2: 52

Chương 3 ĐÁNH GIÁ ÁNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT PHUN, ÁP SUẤT CUỐI KỲ NÉN ĐẾN QUY LUẬT CUNG CẤP NHIÊN LIỆU, CÔNG SUẤT VÀ MỨC PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ YANMAR 4CHE BẰNG MÔ PHỎNG 54

3.1 Mô phỏng hệ thống phun nhiên liệu động cơ diesel máy chính tàu cá (Yanmar 4CHE) trên phần mềm AVL Boost/Hydsim 54

3.1.1 Cơ sở của mô phỏng 54

3.1.2 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phun nhiên liệu 58

3.1.3 Kết quả nghiên cứu mô phỏng trên phần mềm AVL Boost/Hydsim 63

3.2 Tính toán công suất và phát thải bằng phần mềm Matlab 86

Kết luận Chương 3: 89

Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 90

4.1 Bố trí thiết bị thực nghiệm 90

4.2 Quy hoạch thực nghiệm 92

4.2.1 Điều kiện và môi trường thực nghiệm 92

4.2.2 Quy trình đo và xử lý số liệu thực nghiệm 93

4.3 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm 93

4.3.1 Trường hợp thực nghiệm với áp suất phun ở tình trạng ban đầu 93

4.3.2 Trường hợp thử nghiệm với áp suất phun giảm (điều chỉnh lò xo vòi phun) 97

4.4 Xây dựng công thức cho mô hình chẩn đoán 103

Kết luận Chương 4: 109

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 111

KẾT LUẬN 111

KHUYẾN NGHỊ 112

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN LUẬN ÁN 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

PHỤ LỤC……… 119

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Thành phần bồ hóng từ khí thải động cơ diesel 6

Hình 1.2 Sự kết hợp các công nghệ mới trong chế tạo động cơ diesel 7

Hình 1.3 Chủng loại động cơ sử dụng cho máy chính tàu cá tại Duyên Hải Nam Trung Bộ (a) và tại các tỉnh có biển ở khu vực phía nam (b) 11

Hình 1.4 Sự thay đổi nồng độ khói theo tình trạng vòi phun 14

Hình 1.5 Các mức độ hư hỏng nhóm bao kín buồng cháy động cơ diesel 16

Hình 2.1 Thống kê hư hỏng thường gặp của ĐC diesel 24

Hình 2.2 Sơ đồ mô tả chu trình công tác của ĐC diesel 25

Hình 2.3 Mối quan hệ giữa đặc tính phun và các đặc tính khác của ĐC diesel 28

Hình 2.4 Mặt cắt ngang một vòi phun tiêu chuẩn với kim phun 29

Hình 2.5 Các đặc tính phun 30

Hình 2.6 Các pha của tiến trình phun 31

Hình 2.7 Thống kê hư hỏng của các bộ phận HTPNL ĐC thủy 32

Hình 2.8 Tần xuất hư hỏng các bộ phận của BCA 32

Hình 2.9 Vị trí lắp đặt các cảm biến 34

Hình 2.10 Biến thiên áp suất cháy p, tốc độ phun nhiên liệu mf, tốc độ tỏa nhiệt Qn 37

Hình 2.11 Quá trình nghiên cứu mô phỏng 42

Hình 2.12 Các trạng thái hình thành tia phun nhiên liệu lỏng 43

Hình 2.13 Sự phân bố hạt nhiên liệu trong chùm tia 45

Hình 2.14 Mô hình vật lý tia phun nhiên liệu 45

Hình 2.15 Mô đun hóa các bộ phận để chẩn đoán hư hỏng động cơ 46

Hình 2.16 Sơ đồ mô hình chẩn đoán TTKT động cơ diesel máy chính tàu cá 48

Hình 3.1 Sơ đồ quá trình mô phỏng 58

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun nhiên liệu động cơ Yanmar 4CHE 59

Hình 3.3 Mô hình biên dạng cam - bơm cao áp đến đường ống cao áp 61

Hình 3.4 Mô hình ống cao áp đến vòi phun 61

Hình 3.5 Mô hình kết nối chung hệ thống nhiên liệu động cơ Yanmar 4CHE 62

Hình 3.6 Độ nâng biên dạng cam theo tình trạng ban đầu 63

Hình 3.7 Độ dịch chuyển piston theo phương ngang 64

Hình 3.8 Vận tốc của piston theo phương ngang 64

Hình 3.9 Đồ thị so sánh tốc độ phun khi thay đổi tốc độ động cơ ở trường hợp không

có hư hỏng (trạng thái ban đầu) 64

Hình 3.10 Đồ thị so sánh diễn biến áp suất trong ống cao áp khi thay đổi tốc độ động cơ ở trường hợp không có hư hỏng (trạng thái ban đầu) 65

Hình 3.11 Đồ thị so sánh áp suất phun khi thay đổi tốc độ động cơ ở trường hợp không có hư hỏng (trạng thái ban đầu) 65

Hình 3.12 Đồ thị so sánh hành trình nâng kim phun khi thay đổi tốc độ động cơ ở trường hợp không có hư hỏng (trạng thái ban đầu) 65

Hình 3.13 Đồ thị so sánh cấu trúc tia phun khi thay đổi tốc độ động cơ ở trường hợp không có hư hỏng (trạng thái ban đầu) 66

Hình 3.14 Các thông số phun khi hệ thống phun nhiên liệu ở tình trạng ban đầu 66

Hình 3.15 Hành trình nâng kim và thông số tia phun của hệ thống nhiên liệu 67

Hình 3.16 So sánh thông số áp suất khi A giảm 4% so với tình trạng ban đầu 68

Hình 3.17 Diễn biến áp suất trong ống cao áp và áp suất phun tương ứng với các trường hợp A hư hỏng 6%, 8%, 10% 69

Hình 3.18 Hành trình nâng kim tương ứng với các trường hợp A hư hỏng 6 ÷ 10% 71

Hình 3.19 Góc nón tia phun với các trường hợp A hư hỏng 6%, 8%, 10% (a) và độ xuyên sâu tương ứng (b) 72

Hình 3.20 Diễn biến áp suất trong ống cao áp và áp suất phun tương ứng với các trường hợp A hư hỏng 12%, 14%, 16% 72

Hình 3.21 Hành trình nâng kim tương ứng với các trường hợp A hư hỏng 12 ÷ 16% 75 Hình 3.22 Góc nón tia phun với các trường hợp A hư hỏng 12%, 14%, 16% (a) và độ xuyên sâu tương ứng (b) 75

Hình 3.23 Diễn biến áp suất trong ống cao áp và áp suất phun tương ứng với các trường hợp A hư hỏng 18 ÷ 20% 77

Hình 3.24 Góc nón tia phun với các trường hợp A hư hỏng 18%, 20% (a) và độ xuyên sâu tương ứng (b) 78

Hình 3.25 Diễn biến áp suất trong ống cao áp và áp suất phun tương ứng với các trường hợp B hư hỏng 6 ÷ 10% 79

Hình 3.26 Góc nón tia phun với các trường hợp B hư hỏng 6%, 8%, 10% (a) và độ xuyên sâu tương ứng (b) 80

Hình 3.27 Diễn biến áp suất trong ống cao áp và áp suất phun tương ứng với các

trường hợp B hư hỏng 12 ÷ 16% 81

Hình 3.28 Hành trình nâng kim tương ứng với các trường hợp B hư hỏng 12 ÷ 16% 82 Hình 3.29 Góc nón tia phun với các trường hợp B hư hỏng 18%, 20% (a) và độ xuyên sâu tương ứng (b) 84

Hình 3.30 So sánh ảnh hưởng của A và B khi giảm 10% so với tình trạng ban đầu đến thông số áp suất trong ống cao áp (a) và áp suất phun (b) 85

Hình 3.31 So sánh ảnh hưởng của A và B khi giảm 16% so với tình trạng ban đầu đến thông số góc nón tia phun (a) và độ xuyên sâu tia phun (b) 85

Hình 3.32 Quy luật thay đổi của công suất và phát thải bồ hóng theo áp suất cuối kỳ nén ứng với áp suất trong ống cao áp giảm 14% 87

Hình 3.33 Quy luật thay đổi của công suất và phát thải bồ hóng theo áp suất cuối kỳ nén ứng với áp suất trong ống cao áp giảm 16% 87

Hình 3.34 Quy luật thay đổi của công suất và phát thải NOx theo áp suất cuối kỳ nén ứng với áp suất trong ống cao áp giảm 16% 88

Hình 3.35 Quy luật thay đổi của bồ hóng và phát thải NOx theo áp suất cuối kỳ nén ứng với áp suất trong ống cao áp giảm 16% 88

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí chung các thiết bị trong phòng thử nghiệm 90

Hình 4.2 Động cơ và các thiết bị trong phòng thử nghiệm (a), cảm biến đo áp suất trong ống cao áp (b) 91

Hình 4.3 Diễn biến áp suất trong ống cao áp trường hợp áp suất ở TTBĐ 94

Hình 4.4 Công suất động cơ với áp suất phun ở tình trạng ban đầu 95

Hình 4.5 Phát thải NOx của ĐC với áp suất phun ở tình trạng ban đầu 96

Hình 4.6 Phát thải bồ hóng của động cơ với áp suất phun ở tình trạng ban đầu 96

Hình 4.7 Diễn biến áp suất trong ống cao áp giảm khi điều chỉnh lò xo vòi phun 97

Hình 4.8 So sánh áp suất trong ống cao áp với các trường hợp khác nhau 98

Hình 4.9 So sánh công suất ĐC ở tốc độ 1400 v/p 99

Hình 4 10 So sánh phát thải NOx ở tốc độ 1400 v/p 99

Hình 4.11 So sánh phát thải bồ hóng ở tốc độ 1400 v/p 100

Hình 4.12 So sánh công suất ĐC ở tốc độ 1800 v/p 101

Hình 4.13 So sánh phát thải NOx ở tốc độ 1800 v/p 101

Hình 4.14 So sánh phát thải bồ hóng ở tốc độ 1800 v/p 102

Hình 4.15 Phổ quy luật công suất theo độ giảm áp suất trong ống cao áp và áp suấtcuối kỳ nén 106

Hình 4.16 Phổ quy luật phát thải bồ hóng theo độ giảm áp suất trong ống cao áp và ápsuất cuối kỳ nén 107

Hình 4.17 Phổ quy luật phát thải NOx theo độ giảm áp suất trong ống cao áp và ápsuất cuối kỳ nén 107

Hình 4.18 Đồ thị tổng hợp các hàm nội suy thể hiện ảnh hưởng của áp suất trong ống

cao áp, áp suất cuối kỳ nén đến công suất, phát thải bồ hóng và NO x 108

Bảng 3.2 Giá trị áp suất cuối kỳ nén và mức độ sụt giảm so với tình trạng ban đầu 57

Bảng 3.3 Các phần tử cơ bản trong mô hình mô phỏng 59Bảng 3.4 Thông số diễn biến áp suất trong ống cao áp và áp suất phun ở các trườnghợp A giảm 6 ÷ 10% 68Bảng 3.5 Thông số hành trình nâng kim tương ứng với các trường hợp A

hư hỏng 6%, 8%, 10% 70Bảng 3.6 Thông số tia phun tương ứng với các trường hợp A hư hỏng 6 ÷ 10% 71Bảng 3.7 Thông số diễn biến áp suất trong ống cao áp và áp suất phun ở các trườnghợp A giảm 12 ÷ 16% 73

Bảng 3 8 Hành trình nâng kim tương ứng với các trường hợp A hư hỏng 12 ÷ 16% 74Bảng 3.9 Diễn biến áp suất trong ống cao áp và áp suất phun khi A giảm 18 ÷ 20% 76

Bảng 3.10 Cấu trúc tia phun khi A giảm 18 20% 76Bảng 3.11 Thông số diễn biến áp suất trong ống cao áp và áp suất phun ở các trường

hợp B giảm 6 ÷ 10% 78Bảng 3.12 Thông số diễn biến áp suất trong ống cao áp và áp suất phun

ở các trường hợp B giảm12 - 16% 80Bảng 3.13 Thông số diễn biến áp suất trong ống cao áp và áp suất phun

ở các trường hợp B giảm18 ÷ 20% 82Bảng 3.14 Thông số tia phun tương ứng với các trường hợp B hư hỏng 18 ÷ 20% 83Bảng 3.15 So sánh ảnh hưởng của A và B đến mức độ sụt giảm áp suấttrong ống cao áp và áp suất phun 84Bảng 4.1 Thông số cơ bản động cơ diesel Yanmar 4CHE 91Bảng 4.2 Chế độ thực nghiệm 92Bảng 4.3 So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm về công suất và phát thải của ĐCkhi áp suất phun giảm so với TTBĐ

Động cơ đốt trongĐộng cơ

Điểm chết trênĐiểm chết dướiHydrocacbon

Hệ thống phun nhiên liệuInjection (Phun nhiên liệu)Inlet valve closure (Xupáp nạp đóng)Nhà xuất bản

Áp suất cuối kỳ nén

Áp suất phun

Áp suất trong ống cao ápParticulate metter (Phát thải hạt)Sau điểm chết trên

Sauter Mean Diameter (Đường kính trung bình hạt nhiên liệu)

Start Oil Combustion (Bắt đầu cháy)Start Oil Injection (Bắt đầu phun)Trước điểm chết trên

Tiêu chuẩn Việt NamTình trạng ban đầuTrạng thái kỹ thuậtVòng /phút

DANH MỤC KÝ HIỆU CHỮ LA TINH

-b : Khoảng cách giữa các hạt trong mô hình của Williams,

D0 : Đường kính ban đầu của hạt nhiên liệu, mm

m

-pc : Áp suất trong xy lanh tại thời điểm phun nhiên liệu, bar

TKH : Thời gian phân rã hạt nhiên liệu, s

vl : Vận tốc ban đầu của tia phun nhiên liệu, m/s

vrel : Vận tốc tương đối của hạt nhiên liệu và khí bao quanh, m/s

xi : Các tọa độ,

-θ : Vùng không gian chiếm chỗ của các hạt nhiên liệu,

TÓM TẮT NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

Đề tài luận án: “Nghiên cứu thiết lập mô hình chẩn đoán để đánh giá trạng thái kỹ thuật của động cơ diesel má chính tàu cá Việt Nam”

Ngành/Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số:

9520116 Nghiên cứu sinh: Hồ Đức Tuấn Khóa tuyển sinh

NOX (công thức 2.28) của động cơ diesel công suất nhỏ

- Tính toán mô phỏng hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) của động cơ dieselkiểu cơ khí truyền thống (Yanmar 4CHE) bằng phần mềm AVL Boost/Hydsim; tínhtoán công suất và mức phát thải của động cơ diesel Yanmar 4CHE dựa theo các côngthức thực nghiệm trên cơ sở ứng dụng phần mềm Matlab

- Thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của áp suất phun (thông qua việc điều chỉnhsức căng của lò xo kim phun) đến một số thông số vận hành cơ bản (công suất, mức phát thải bồ hóng và NOX) của động cơ diesel Yanmar 4CHE

- Xây dựng được mô hình chẩn đoán TTKT động cơ diesel máy chính tàu cá công suất nhỏ

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng Hồ Đức Tuấn

SUMMARY OF NEW CONTRIBUTIONS OF THE THESIS

Thesis title: “Establishing a diagnostic model to evaluate the technical status of

main diesel engines of vietnamese fishing vessels”.

Mayor: Power Mechanical Engineering

Major code: 9520116

PhD Student: Ho Duc Tuan

Supervisor: Assoc Prof Tran Thanh Hai Tung

Ph.D Quach Hoai Nam

Education Institution: Nha Trang University

Key Findings:

- Experimental formulas have been synthesized to form a simple model thatallows a quick assessment of the effects of injection pressure (pinj) and end-of-compression pressures (pc) on power (formula 2.19), and soot emitting levels (formula2.23), NOx emissions (formula 2.28) of the diesel engine

- Computed and simulated a traditional mechanical fuel injection system of thediesel engine (Yanmar 4CHE) by AVL Boost/ Hydsim software; Calculated the powerand emissions of the diesel engine Yanmar 4CHE based on the experimental formulas

on the application of the Matlab software

- Experimented investigation of the effect of the injection pressure (by adjustingspring tension of the injector) on the basic operating parameters (power, soot

emissions, and NOX ) of the Yanmar 4CHE diesel engine

- Built a diagnostic model for the technical states of the small-power main diesel engine for the fishing vessels

Trần Thanh Hải Tùng, Assoc Prof PhD Hồ Đức Tuấn

Do nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, cộng với sự biến đổi khí hậu nên hàngnăm vùng biển Việt Nam xảy ra 10 ÷ 20 cơn bão và “siêu” bão, chưa kể đến các cơnlốc xoáy bất ngờ Việc bảo đảm an toàn cho người và tàu cá hoạt động sản xuất ởngoài khơi luôn là mối quan tâm của người dân và là sự trăn trở của các ngành, các cấpnói chung và của hệ thống đăng kiểm tàu cá nói riêng.

Tính đến năm 2018, cả nước có 96.000 tàu cá trong đó có 46.491 tàu có chiều dài

từ 6 ÷ 12m, 8.914 tàu có chiều dài từ 12 ÷ 15m, 27.484 tàu có chiều dài từ 15 ÷ 24m,2.958 tàu có chiều dài từ 24m trở lên Tàu làm bằng gỗ chiếm 98,6%, còn lại là tàu làmbằng thép hoặc các vật liệu mới Số tàu này ngoài việc tham gia phát triển kinh tế biểncòn góp phần quan trọng bảo vệ an ninh chủ quyền biển, đảo quốc gia [5]

Tàu đánh cá có thể hoạt động ở vùng biển cách bờ đến 200 hải lý và hầu nhưkhông có cảng trú, các ĐC diesel dùng làm máy chính trên tàu đa số là máy cũ, chấtlượng máy xuống cấp, thiếu các thiết bị đo lường, kiểm tra; không có hồ sơ kỹ thuậtphục vụ cho công tác vận hành và bảo dưỡng sửa chữa Điều đó dẫn đến giảm độ antoàn, tin cậy trong quá trình khai thác; hiệu quả sử dụng thấp làm tăng giá thành sảnphẩm và đặc biệt là có thể hư hỏng đột ngột trên biển gây nguy hiểm cho người và tàu[13] Theo số liệu thống kê tại Công ty bảo hiểm phi nhân thọ - Bảo Việt Khánh Hòa,trong 86 tàu bị tai nạn do hệ động lực tàu cá gây ra từ năm 2011 đến năm 2016, có 46

trường hợp do máy chính, 14 trường hợp do hộp số, 06 trường hợp do hệ trục chân vịt,

25 trường hợp do chân vịt Thống kê này cho thấy, phần lớn các tai nạn của đội tàunày là do sự cố máy chính

Các nhà quản lý kỹ thuật tàu cá gặp không ít khó khăn đối với việc ngư dân trang

bị ĐC đã qua sử dụng, bởi khó tìm được thông tin kỹ thuật của máy chính tàu, do tính

đa dạng cả về chủng loại và nơi sản xuất và đặc biệt là có trường hợp thiếu trung thực

vì nhiều lý do: “đánh tráo” mã hiệu chủng máy Việc xác định mã hiệu và thông số kỹthuật của loại máy tàu thường được thực hiện theo cách gán cho một mã hiệu (theokinh nghiệm) căn cứ vào đặc điểm hình dáng máy đã biết Do đó, tính chính xác khôngđảm bảo, minh chứng là có những trường hợp phải điều chỉnh lại mã hiệu máy (họmáy), điều chỉnh lại công suất khi kiểm tra tàu…

Để góp phần bảo đảm sự an toàn cho tàu (và người), về nguyên tắc, cần phải tăngcường hoạt động chăm sóc, bảo dưỡng và đặc biệt là kiểm tra, giám sát, cảnh báo trongvận hành, nhằm sớm phát hiện nguy cơ hư hỏng, ngăn ngừa sự cố ở nguồn động lựcchính của con tàu, là ĐC diesel máy chính Vì vậy, việc chẩn đoán trạng thái kỹ thuật(TTKT) của máy chính tàu cá trở nên cấp thiết

Công tác đăng kiểm tàu cá ở nước ta luôn gặp khó khăn khi phải xác định TTKTcủa máy chính, để có thể quyết định cho tàu tiếp tục hoạt động hay buộc phải dừngphương tiện để sửa chữa Yêu cầu của công tác này là phải nhanh, thiết bị đo kiểm nhỏgọn và phải có tính thuyết phục để đưa vào tiêu chuẩn quy phạm của Đăng kiểm, phục

vụ đắc lực cho việc quản lý kỹ thuật và hành chính

Hiện nay, vấn đề tổ chức, xây dựng lực lượng, đầu tư cơ sở vật chất phục vụcông tác đăng kiểm tàu cá nói chung và máy chính nói riêng trong hệ thống cơ quanđăng kiểm tàu cá chưa được quan tâm thỏa đáng Công tác kiểm tra an toàn kỹ thuậtmáy chính không có thiết bị kiểm tra đánh giá tình trạng kỹ thuật, diễn biến về an toàn

kỹ thuật và tuổi thọ của máy Việc quản lý kỹ thuật, chưa xây dựng các tiêu chuẩn, quyphạm, quy trình kiểm tra an toàn kỹ thuật máy chính tàu

Muốn kiểm định nhanh phải dựa vào chẩn đoán TTKT ĐC Chẩn đoán kỹ thuật

là tổng hợp tất cả các biện pháp để xác định trạng thái của một hệ thống kỹ thuật vànhận biết hư hỏng mà không cần phải tháo rời các chi tiết bên trong ĐC Chẩn đoán kỹthuật là một trong những biện pháp quan trọng nhất nhằm tăng tuổi thọ, độ tin cậy ,giảm chi phí đại tu bảo dưỡng, sửa chữa Đối với động cơ đốt trong (ĐCĐT), chẩnđoán kỹ thuật cho khả năng đánh giá tình trạng tức thời của ĐC, nhằm đưa ra quyếtđịnh hợp lý về sự cần thiết của các biện pháp bảo trì và xác định đúng nguyên nhân hư

hỏng nhờ quan hệ giữa các thông số làm việc khác nhau, cũng như các mô hình chẩnđoán phù hợp.

Việc ứng dụng rộng rãi công tác chẩn đoán TTKT của ĐC, nhằm góp phần tănghiệu quả kinh tế, tăng tính thân thiện với môi trường, tăng độ tin cậy cũng như tuổi thọcủa ĐC do những tiêu chí sau:

- Nâng cao độ an toàn khi hoạt động, độ tin cậy và khả năng sử dụng cao;

- Giảm chi phí bảo trì và tăng tính tiết kiệm chi phí về phụ tùng thay thế, do giảmđược các hao mòn không đáng có khi tháo rời các chi tiết;

- Giảm tiêu hao nhiên liệu, dầu bôi trơn nhờ phát hiện và điều chỉnh kịp thời các

bộ phận của ĐC và đưa về tình trạng làm việc tối ưu;

- Giảm giờ công lao động cho công tác đăng kiểm, giám sát, bảo dưỡng kỹ thuật

và sửa chữa;

- Giảm thiểu các tác động xấu đến môi trường nhờ làm giảm chất thải độc hại, tiếng ồn và dao động

II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết lập được mô hình chẩn đoán, để đánh giá TTKT của ĐC diesel máy chính tàu cá

III ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

III.1 Đối tượng nghiên cứu

Chẩn đoán TTKT và mô hình chẩn đoán để đánh giá TTKT ĐC diesel phunnhiên liệu trực tiếp dùng HTPNL cơ khí truyền thống kiểu Bosch, không tăng áp,không sử dụng tuần hoàn khí thải, chưa có hệ thống kiểm soát và xử lý ô nhiễm.Khách thể nghiên cứu: ĐC diesel công suất nhỏ dùng làm máy chính tàu cá ởViệt Nam

Đối tượng khảo sát: Khảo sát TTKT ĐC diesel Yanmar 4CHE

III.2 Phạm vi nghiên cứu

III.2.1 Về lý thuyết và mô phỏng

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc phân tích, lựa chọn bộ thông sốchẩn đoán (áp suất trong ống cao áp, áp suất phun, áp suất cuối kỳ nén) và thông sốđánh giá TTKT ĐC diesel máy chính tàu cá thường gặp (công suất, phát thải bồ hóng,

NOx), xây dựng các quan hệ toán học thể hiện ảnh hưởng giữa các thông số trên và

thiết lập, đề xuất mô hình chẩn đoán để đánh giá TTKT Trên cơ sở đó, sử dụng phầnmềm AVL Boost/Hydsim và Matlab mô phỏng đối với ĐC diesel máy chính trang bịtrên tàu cá (động cơ diesel Yanmar 4CHE, được trang bị tại phòng thực nghiệm ĐC,Trường Đại học Nha Trang).

III.2.2 Về thực nghiệm

Đánh giá ảnh hưởng của thông số chẩn đoán đến TTKT của ĐC diesel Yanmar4CHE trên bệ thử

IV NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Phân tích lý thuyết xác định bộ thông số chẩn đoán;

- Phân tích lý thuyết xác định bộ thông số đánh giá TTKT ĐC diesel;

- Xây dựng các quan hệ toán học thể hiện ảnh hưởng của thông số chẩn đoán với thông số đánh giá TTKT ĐC;

- Thiết lập mô hình chẩn đoán TTKT cho động cơ nghiên cứu;

- Đánh giá ảnh hưởng của thông số chẩn đoán đến trạng thái kỹ thuật của động

cơ nghiên cứu bằng mô phỏng;

- Đánh giá ảnh hưởng của thông số chẩn đoán đến trạng thái kỹ thuật của động

cơ nghiên cứu bằng thực nghiệm

V PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng

VI Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN VI.1 Ý nghĩa khoa học

Đề tài đã nghiên cứu, xác định được bộ thông số dùng để chẩn đoán TTKT của

ĐC diesel công suất nhỏ Thông qua bộ thông số chẩn đoán, thiết lập mô hình chẩnđoán TTKT ĐC Ứng dụng chương trình mô phỏng và tổ chức thực nghiệm để đánhgiá mô hình chẩn đoán đã đề xuất Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học có thể ápdụng đối với công tác chẩn đoán TTKT cho ĐC diesel tàu cá khi có đặc điểm côngnghệ, chế độ khai thác tương tự với động cơ nghiên cứu

VI.2 Tính thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần chẩn đoán TTKT của ĐC diesel máychính tàu cá và là học liệu có thể tham khảo đối với cơ quan quản lý kiểm tra an toàn

kỹ thuật cho ĐC, trước khi cấp giấy phép cho tàu khai thác có đặc điểm công nghệ,chế độ khai thác tương tự với động cơ nghiên cứu.

VII KẾT CẤU LUẬN ÁN

Luận án được kết cấu gồm 4 chương và phần kết luận, khuyến nghị:

Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm;

Kết luận và khuyến nghị

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Xu hướng sử dụng và phát triển động cơ diesel

Động cơ diesel được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực với các mục đíchkhác nhau, do có ưu điểm về chi phí nhiên liệu thấp, hiệu suất cao hơn so với ĐC xăng[69], đạt 45% về hiệu suất chuyển đổi nhiệt năng sang công cơ học, trong khi ĐC xăngchỉ đạt khoảng 30% [24] Tuy nhiên, còn một số tồn tại ở ĐC diesel mà chủ yếu là độ

ồn, khí thải có nhiều chất độc hại Nhiều hãng sản xuất ĐC như: Yanmar, Cummins,Mitsubishi, Deutz, Isuzu đã áp dụng kỹ thuật hiện đại trong việc chế tạo ĐC để cảithiện những hạn chế trên, cụ thể: Phun nhiên liệu điện tử (Common Rail), sử dụng hồilưu khí xả (EGR), lọc bồ hóng Do đó, ĐC diesel ngày càng được sử dụng nhiều tronglĩnh vực giao thông vận tải và một số lĩnh vực khác phục vụ kinh tế xã hội [45] Điểmđáng chú ý của động cơ diesel là sự phù hợp với phương tiện giao thông thủy hơn sovới động cơ xăng, bởi có hiệu suất nhiệt lớn, độ tin cậy cao khi hoạt động trong môitrường mặt nước và đặc biệt là sử dụng đa nhiên liệu có tính bay hơi thấp nên an toàn[36, 42]

Một trong các lý do chủ yếu mà ngày nay động cơ diesel vẫn đang được sử dụnglàm máy chính cho tàu thủy nói chung và tàu cá nói riêng, chính là do chúng có hiệusuất cao và việc giảm ô nhiễm cho khí thải đã được khắc phục Trong đó, hai dạngphát thải độc hại là bồ hóng (Soot) và NOx được quan tâm nghiên cứu Trên hình 1.1thể hiện các thành phần bồ hóng trong khí thải ĐC diesel [45]

Hình 1.1 Thành phần bồ hóng từ khí thải động cơ diesel

Tính chất nhiên liệu là yếu tố chính sản sinh ra thành phần hạt bồ hóng, ngoài ra, bồhóng còn chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố khác như đặc điểm của quá trình cháy, dạng ĐCcũng như thời hạn sử dụng của ĐC Thành phần bồ hóng trong sản phẩm cháy của nhiênliệu có hàm lượng lưu huỳnh cao khác với nhiên liệu có hàm lượng lưu

huỳnh thấp [36] NOx là họ các oxit nitơ, trong đó monoxit nitơ (NO) chiếm đại bộphận, là sự kết hợp giữa ôxy và nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao và áp suất lớn trongbuồng cháy Nhiệt độ cần thiết để hình thành NOx là trên 1.1000C [17], xuất hiện trong

kỳ nổ của ĐC NOx có thành phần cấu tạo gồm 97% đến 98% NO và khoảng 2% NO2.Bản thân NO là chất khí không màu, khi kết hợp với ôxy để hình thành NO2 và vớihydrocarbon dưới tác động của ánh sáng sẽ gây nên hiện tượng quang hoá

Hiện nay, các tiến bộ về công nghệ trong lĩnh vực ĐC đã được áp dụng như:phun nhiên liệu áp suất cao (Commonrail system), tăng áp (Turbocharger), sử dụng vòiphun điện tử, các hệ thống lọc khí thải, …như trình bày trên hình 1.2 Tính đến năm

2005, ĐC diesel đã gia tăng công suất 135%, momen 160%, bên cạnh đó là giảmlượng nhiên liệu tiêu thụ đến 20%, giảm đến 99% hàm lượng phát thải bồ hóng so vớinăm 1983 [32, 45]

Hình 1.2 Sự kết hợp các công nghệ mới trong chế tạo động cơ diesel [32]

Với những tiến bộ công nghệ và kỹ thuật trong việc hạn chế phát thải bồ hóng

và NOx, đã tạo cho ĐC diesel phát triển một cách rộng rãi trên khắp thế giới Bảng 1.1trình bày số lượng ĐC diesel được sản xuất và phân chia ở các lĩnh vực, khu vực sửdụng khác nhau

Bảng 1.1 Số lượng động cơ diesel sản xuất và phạm vi ứng dụng (Đơn vị: x100) [45]

1.2 Đặc điểm cấu tạo và sử dụng động cơ diesel dùng cho tàu cá Việt Nam

1.2.1 Đặc điểm cấu tạo

Các động cơ Diesel được dùng làm máy chính tàu cá, cơ bản là loại bốn kỳ, tăng

áp hoặc không tăng áp, có tốc độ quay cao, công suất nhỏ, số xy lanh từ (1 ÷ 6) vàcông suất của mỗi xy lanh khoảng (8 ÷ 20) CV, các hộp số động cơ sử dụng chủ yếu làloại cơ khí, điều khiển bằng tay, hai hay nhiều cấp tỷ số truyền (một hoặc vài cấp tiến

và một cấp lùi) Trên thân của động cơ còn có các cửa để quan sát, kiểm tra và tháolắp, sửa chữa cho các chi tiết ở bên trong, ngoài ra còn có các lỗ để lắp ống dẫn nướclàm mát và ống dẫn dầu bôi trơn Nắp xy lanh của các động cơ thường được chế tạoriêng cho mỗi xy lanh hoặc chế tạo liền thành cụm cho các xy lanh Kết cấu này chophép giảm khoảng cách giữa hai xy lanh, giảm chiều dài nắp xy lanh và trọng lượngriêng toàn khối xy lanh

Để đảm bảo khai thác tàu có hiệu quả và an toàn cho thuyền viên, ngoài việctrang bị đầy đủ các trang thiết bị, thì các điều kiện khai thác trên biển, sóng, gió…cũngcần đặc biệt chú ý, bởi đây là những yếu tố gây nên mất an toàn cho tàu, từ đó ảnhhưởng đến động cơ Vì vậy, để nâng cao khả năng khai thác của con tàu trên biển, cầnphải đảm bảo từ khâu đóng mới, đến khâu kiểm tra, bảo dưỡng trong suốt quá trình sửdụng và trình độ nghiệp vụ của thuyền viên trên tàu phải có năng lực nhận biết cácthông tin trong quá trình khai thác

Nhưng trong thực tế khai thác của tàu cá, thường gặp những vướng mắc sau:

+ Tàu đóng mới không theo thiết kế, nên hồ sơ phần máy của tàu không đượcthiết lập, dụng cụ kiểm tra không đầy đủ, do đó việc xác định các chỉ tiêu, thông số củađộng cơ gặp nhiều khó khăn.

+ Hầu hết máy chính sử dụng trên tàu là máy cũ đã qua sử dụng, vì chi phí muacác loại máy này chỉ vào khoảng 30% so với máy mới, dẫn đến làm tăng chi phí nhiênliệu cho các chuyến khai thác, gây ra hàng loại các sự cố xảy ra đối với tàu cá hoạtđộng trên biển, kéo theo nhiều rủi ro cho ngư dân đặc biệt là vào các mùa mưa bãohàng năm [1] Hầu hết các loại máy này đều không có tài liệu hướng dẫn sử dụng,đồng thời trình độ của người vận hành còn hạn chế, nên máy chính dễ rơi vào tìnhtrạng làm việc trong điều kiện quá tải, do đó sẽ làm giảm độ tin cậy, độ bền và tuổi thọcủa động cơ Dẫn đến không tránh khỏi việc động cơ chính bị hư hỏng trong quá trìnhkhai thác trên biển Việc máy chính gặp sự cố trên biển sẽ rất nguy hiểm cho con tàu,

vì trên biển luôn có sóng gió, bão tố Đây là vấn đề mà chúng ta cần có những biệnpháp giải quyết nhằm hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại về người và tài sản

Việc sử dụng máy cũ trang bị làm máy chính cho tàu cá là một trong nhữngnguyên nhân chính yếu dẫn đến một loại các sự cố của tàu cá trong những năm gầnđây, theo trang thông tin điện tử của Tổng cục Thủy sản thống kê cho thấy trong 5 nămtrở lại đây cả nước xảy ra 870 vụ tai nạn tàu cá, trong đó tàu cá do hỏng máy chiếmđến 72% các vụ tai nạn, nghĩa là các tai nạn của tàu cá trên biển chủ yếu liên quan đếnmáy chính trên tàu

Trong thực tế, khi xảy ra sự cố ở máy chính, ngư dân thường nhờ tàu bạn kéo vềcảng để sửa chữa Nhưng do trang bị hệ thống thông tin liên lạc trên tàu cá còn nhiềuhạn chế, dẫn đến khó liên lạc được trong điều kiện thời tiết không tốt Do đó, việc đưa

ra những biện pháp khắc phục cần phải được chủ động, như kiểm tra, bảo dưỡngTTKT của máy chính trước khi tàu xuất bến

Theo số liệu tại các trung tâm đóng mới, sửa chữa và cung cấp ĐC cho phươngtiện thủy (Viện chế tạo Tàu thủy Đại học Nha Trang, Công ty đóng Tàu Vinashin NhaTrang, Công ty thiết bị động lực Tân Thành và Công ty cơ khí Thủy sản III TPHCM),thông số kỹ thuật ĐC diesel máy chính tàu cá của các hãng phổ biến được trình bày tạibảng 1.2 Trên cơ sở đó cho thấy, các động cơ có đặc điểm tương đồng như: Hình dạngbuồng cháy, tỷ số nén, đường kính xy lanh, hành trình piston, kết cấu hệ thống nhiênliệu, các thông số về áp suất phun, góc phun sớm

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật của một số động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp

dùng làm má chính tàu cá ở Việt Nam [77-81, 84, 85]

HP trở lên đạt 385 tàu [82] Thống kê năm 2015 [12, 77], các loại ĐC sử dụng chophương tiện thủy ở đồng bằng sông Mê Kông và tại các tỉnh Duyên hải Miền Trung - ViệtNam chủ yếu tập trung vào ĐC diesel được sản xuất bởi một số hãng

như: Cummins, Isuzu, Mitsubishi, Yanmar, Komastsu và Daewoo

a) b)

Hình 1.3 Chủng loại động cơ sử dụng cho máy chính tàu cá tại Duyên Hải Nam

Trung Bộ (a) và tại các tỉnh có biển ở khu vực phía nam (b) [12]

Động cơ diesel dùng làm máy chính rất phong phú nhưng có số lượng lớn tậptrung vào một số hãng có thương hiệu và được kiểm nghiệm qua thực tế mà ngư dânlựa chọn như các hãng nói trên Tại khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ, gồm 8 tỉnh: ĐàNẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa, Bình Thuận, NinhThuận Đặc điểm tự nhiên của các tỉnh là có được đường bờ biển dài, có ngư trườngđánh bắt thủy hải sản rộng lớn của Biển Đông, nên ngành đánh bắt thủy hải sản

ở đây rất phát triển Số liệu điều tra về chủng loại ĐC diesel làm máy chính lắp trêncác tàu cá khu vực trình bày như trên hình 1.3a Đối với các tỉnh có biển ở khu vựcphía Nam bao gồm Bến Tre, Sóc Trăng, Tiền Giang, Trà Vinh có chủng loại ĐC diesellàm máy chính lắp trên các tàu cá như trình bày trên hình 1.3b

Hình 1.3 cho thấy, ĐC hãng Yanmar đang sử dụng trong các phương tiện thủynói chung và tàu cá nói riêng chiếm số lượng lớn Đây cũng là lý do luận án lựa chọn

ĐC 4CHE của hãng Yanmar dùng HTPNL cơ khí truyền thống kiểu Bosch, khôngtăng áp, không sử dụng tuần hoàn khí thải, chưa có hệ thống kiểm soát và xử lý ônhiễm làm ĐC nghiên cứu Thông số cơ bản ĐC diesel Yanmar 4CHE trình bày trongbảng 4.1

1.2.2 Đặc điểm sử dụng

Trên tàu thủy nói chung và tàu cá nói riêng, hệ động lực (chủ yếu là động cơchính) được ví như “trái tim” của con tàu Nếu có sự hỏng hóc ở hệ động lực thì contàu không thể hoạt động được, nghĩa là không thực hiện được nhiệm vụ đặt ra, đồngthời nguy cơ mất an toàn cho tàu và người rất cao Thông thường, lỗi kỹ thuật do chếtạo rất hiếm gặp, máy móc không đảm bảo an toàn chủ yếu do sử dụng Trước tiên là

việc lựa chọn động cơ chính (máy chính) và chân vịt trang bị cho tàu không đảm bảo

sự phù hợp với tàu, tiếp theo là khâu vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa

Thực tế sử dụng tàu thuyền nghề cá Việt Nam còn nhiều vấn đề bất cập Hầu hếtviệc đóng tàu và lựa chọn máy chính được thực hiện theo kinh nghiệm dân gian, đại đa

số các ĐC đã qua sử dụng, người vận hành không được đào tạo chuyên môn thợ máy,

do vậy kiến thức liên quan đến vận hành và bảo dưỡng ĐC diesel là rất thấp; người láitàu (thông thường là thuyền trưởng) là người trực tiếp điều khiển máy chính thông qua

hệ thống điều khiển “từ xa” nhưng kiến thức về sử dụng ĐC lại rất hạn chế Do đó,máy móc dễ bị hư hỏng do sử dụng không đúng, không theo qui chuẩn và đặc biệt lànguy cơ tàu bị chìm bởi sóng gió Tàu ở trạng thái “thả trôi” là rất cao, dẫn đến hiệuquả sử dụng thấp, khó tránh khỏi những rủi ro cho tàu và người

Một trong những đặc điểm nổi bật khác của ĐC diesel máy chính tàu cá là hoạtđộng trong điều kiện không ổn định của môi trường như sóng gió, độ ẩm cao, thànhphần không khí chứa muối do bay hơi từ nước biển Chế độ sử dụng của ĐC thườngkhông ổn định, luôn thay đổi theo đặc điểm đánh bắt của từng nghề (lưới kéo, lướivây, lưới rê, …) Vì thế, yêu cầu về độ tin cậy của ĐC trang bị trên tàu cá đòi hỏi khắtkhe hơn so với các ĐC trang bị trên các phương tiện giao thông khác

1.3 Khái quát về công tác đăng kiểm của máy chính tàu cá

Hoạt động giám sát kỹ thuật được tiến hành trên cơ sở các qui định của Qui phạmphân cấp và đóng tàu cá biển và các qui phạm khác có liên quan, nhằm mục đích xácđịnh TTKT của tàu, vật liệu, sản phẩm (máy móc, trang thiết bị v.v ) dùng để đóng,sửa chữa tàu có thỏa mãn những yêu cầu của Qui phạm này và các yêu cầu bổ sunghay không

Theo Qui phạm phân cấp và đóng tàu cá biển (tàu có chiều dài trên 20m) –TCVN 6718 : 2000 [16] Trong quá trình thiết kế, đóng mới, sửa chữa và khai thác,các tàu cá phải được giám sát và phân cấp phù hợp với các yêu cầu được qui định.Công tác đăng kiểm tàu cá ở Việt Nam luôn gặp khó khăn khi phải xác địnhTTKT của máy chính để có thể quyết định cho tàu tiếp tục hoạt động hay buộc phảidừng phương tiện để sửa chữa Bởi hiện nay, việc trang bị phần lớn ĐC đã qua sửdụng làm cho công tác quản lý kỹ thuật gặp trở ngại vì thiếu thông tin cả về chủng loại

và xuất xứ, đặc biệt là có nhiều trường hợp thiếu trung thực “đánh tráo” mã hiệu máy

Việc áp dụng và thực hiện các yêu cầu của qui phạm này và các yêu cầu bổ sungcủa qui phạm này là bắt buộc đối với các cơ quan thiết kế, chủ tàu cá, xưởng đóng tàu,nhà máy chế tạo vật liệu và sản phẩm (máy móc và trang thiết bị) dùng cho tàu cáđược Đăng kiểm, kiểm tra, đăng kí kỹ thuật và phân cấp (bảng 1.3).

Bảng 1.3 Khối lượng kiểm tra đăng kiểm Thiết bị động lực [15]

Thiết bị động lực Tháo máy Không tháo máy

Với: K - kiểm tra khi cần đến gần, mở tháo rời kiểm tra; N - xem xét bên ngoài;

Đ - đo đạc xác định độ hao mòn, khe hở, điện trở; A - thử áp lực; T - thử hoạt động; H

- kiểm tra hồ sơ (tính hiệu lực, tính hợp pháp)

Qua các yêu cầu của quy phạm liên quan đến đăng kiểm tàu cá được liệt kê ởtrên, thấy rằng công tác đăng kiểm hệ thống động lực tàu cá nói chung và ĐC diesellàm máy chính nói riêng là lĩnh vực vẫn đang bỏ ngỏ, chưa có các bộ tiêu chuẩn cụ thể

để giám sát kiểm tra do những khó khăn trong việc tìm ra bộ tiêu chuẩn phù hợp chođặc thù của máy chính tàu cá

1.4 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về chẩn đoán động cơ diesel 1.4.1 Nghiên cứu trên thế giới

1.4.1.1 Thông số dùng để chẩn đoán

Hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) là hệ thống đặc biệt quan trọng của ĐCdiesel Khi TTKT của HTPNL không đảm bảo, ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình phunnhiên liệu vào xy lanh ĐC, làm cho quá trình cháy xấu đi, công suất giảm, mức tiêuhao nhiên liệu tăng lên, hoặc làm cho việc khởi động khó khăn, thậm chí không khởiđộng được

Trong HTPNL ĐC diesel tàu thủy, cụm bơm cao áp – vòi phun (BCA - VP) đượccoi là một trong các cụm chi tiết quan trọng nhất BCA - VP của hệ thống nhiên liệu

ĐC diesel tàu thủy là cụm chi tiết chiếm tỷ lệ hư hỏng lớn của ĐC Theo thống kê,trong các hư hỏng thường gặp của máy chính thì hư hỏng của bơm cao áp chiếm 14,920%, còn vòi phun chiếm 20 46,3 % [35].

Hiện nay nhiều nước trên thế giới, việc áp dụng chẩn đoán TTKT cụm BCA - VPđối với các tàu đóng mới, hiện đại là khá phổ biến Các hệ thống chẩn đoán kỹ thuật choBCA - VP có thể được thiết kế, chế tạo riêng hoặc tích hợp chung với hệ thống chẩn đoánTTKT của hệ thiết bị năng lượng tàu thủy Trong đó có thể kể đến là hệ thốngDATATREND của hãng NORCONTROL Na Uy, hệ thống kiểm tra chẩn đoán

SS 10 của hãng STL Đan Mạch, hệ thống SETS của hãng ZULTZER và CHILDET

-CM của hãng ASEA Thụy Điển,…Nhìn chung các hệ thống này có chức năng chẩnđoán BCA - VP thông qua việc đo áp suất phun theo góc quay trục khuỷu: Hệ thốngDATATREND, hệ thống SETS, hệ thống CHILDET - CM; hoặc đo áp suất lớn nhất(pmax…) như hệ thống kiểm tra chẩn đoán SS - 10 Sau đó so sánh với các thông sốchuẩn (xử lý trên máy tính) rút ra kết luận Ngoài ra, các hệ thống này có thể kết hợpthêm một số thông số như pc, pz, Gnl…[88] để tăng độ tin cậy của kết quả chẩn đoán

Hình 1.4 Sự tha đổi nồng độ khói theo tình trạng vòi phun

1 Trạng thái bình thường; 2 Phun nhỏ giọt; 3 Vòi phun bị cốc hóa, kẹt

Trạng thái kỹ thuật của ĐC diesel chịu ảnh hưởng lớn bởi quá trình phun và quátrình cháy và được nhận biết nhờ đo gia tốc dao động tại nắp xy lanh và bệ đỡ chính.Sai lệch hoạt động của các cụm chi tiết phát sinh dao động được nhận biết nhờ phântích các đặc trưng thống kê như hàm tương quan, giá trị trung bình, mật độ phổ [71]

Phương pháp này đòi hỏi thiết bị đo chính xác, có độ nhạy cao và thích hợp với việcgiám sát quá trình.

Lee J.H và công sự (2001) [58] đã dùng kỹ thuật HSVR (High-speed videorecording) để nghiên cứu sự hình thành của hỗn hợp cháy khi có xét đến sự thay đổicủa áp suất khí trong xy lanh tại thời điểm phun nhiên liệu, kết quả cho thấy sự hìnhthành hỗn hợp cháy bị thay đổi bởi sự sụt giảm áp suất trong xy lanh, do đó tính năng

kỹ thuật của ĐC cũng bị thay đổi

Mitchell Lebold và cộng sự [62] thảo luận các phương pháp để phát hiện các sự

cố phun sai thời điểm trong HTPNL trên ĐC diesel một xy lanh Có rất nhiều cách đểthực hiện việc này nhưng bốn kỹ thuật chính được trình bày trong báo cáo này là phântích dựa trên tín hiệu phun, tín hiệu rung, tốc độ miền thời gian và miền thứ tự (orderdomain) Kết quả cho thấy, phương pháp phân tích tín hiệu phun và rung là thành côngnhất Do đó, báo cáo này là một chỉ dẫn tốt về chẩn đoán kỹ thuật HTPNL

V.T Lamaris, D T Hountalas (2009) [74], Trường Đại học Kỹ thuật Quốc gia

Hy Lạp, nghiên cứu các điều kiện ảnh hưởng đến áp suất khí trong xy lanh ĐC dieselphun nhiên liệu trực tiếp, làm cơ sở để chẩn đoán tình trạng kỹ thuật ĐC Mục tiêunghiên cứu nhằm xác định các thông số ảnh hưởng đến áp suất nén trong xy lanh của

ĐC diesel phun trực tiếp, kết quả cho thấy nguyên nhân của việc giảm chất lượng nénchủ yếu là do hao mòn và hư hỏng gioăng nắp xy lanh

Antonis K Antonopoulos và Dimitrios T Hountalas [20], phòng thí nghiệm ĐCđốt trong, Khoa Cơ khí, Đại học Kỹ thuật Heroon Polytechniou Zografou, Hy Lạp,nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ đến áp suất trong xy lanh ĐC diesel Công trìnhnghiên cứu nhằm xác định mức độ ảnh hưởng của việc thay đổi tốc độ đột ngột đến ápsuất xy lanh trong ĐC Từ đó đưa ra khuyến cáo về quá trình vận hành ĐC khi làmviệc ở điều kiện tải lớn

Nhìn chung, chẩn đoán TTKT ĐC diesel hay nghiên cứu xác định ảnh hưởng củacác yếu tố liên quan đến nhóm các chi tiết làm kín buồng cháy để đánh giá tính năng

kỹ thuật ĐC đã được nhiều công trình nghiên cứu [20, 28, 32, 66] Trong đó, FathiHassen Elamin (2013) đã chỉ ra tỷ lệ hư hỏng tại các bộ phận theo phần trăm như trênhình 1.5 [32]

Hình 1.5 Các mức độ hư hỏng nhóm bao kín buồng cháy động cơ diesel

Phương pháp phân tích nhiệt độ khí thải để giám sát và ghi nhận TTKT của ĐCdiesel được giới thiệu trong các công trình nghiên cứu của Thorsten Schulz (1991)[72] Thông số này dùng để giám sát quá trình cháy, đánh giá tải trọng nhiệt của nhómpiston - xéc măng - xy lanh, nhận biết sai lệch trong quá trình biến đổi năng lượng giữacác xy lanh riêng lẻ và xác định độ không kín của xupáp xả ĐC diesel Theo đó, có thểxác định hư hỏng tại vị trí ổ đặt xupáp do nứt, gỉ sét hoặc mòn và hiện tượng phunmuộn, cháy trễ trong xy lanh Phương pháp này đòi hỏi phải giám sát trong một quátrình làm việc nhất định, vì vậy không thích hợp cho chẩn đoán được đề xuất

1.4.1.2 Mô hình chẩn đoán

VT Lamaris và cộng sự [73] đã nghiên cứu dò tìm hư hỏng trong ĐC diesel tàuthủy bằng cách sử dụng mô hình nhiệt động lực học, hoạt động như một thiết bị môphỏng để dự đoán các điều kiện vận hành hiện tại của ĐC chính và ĐC diesel-máyphát điện Tác giả nhấn mạnh rằng, khi ĐC hoạt động, rất khó để xác định nguyênnhân gốc rễ của hư hỏng, ví dụ như áp suất cực đại trong xy lanh bị giảm có thể là dotính chất nhiên liệu hoặc cũng có thể do áp suất phun thấp hơn so với tiêu chuẩn Vìvậy, mô hình này nhằm mục đích tìm nguyên nhân gốc của hư hỏng trước khi nó ảnhhưởng đến các thành phần khác trong ĐC Tác giả thu thập dữ liệu từ các phần tử khácnhau trong ĐC theo tốc độ Những dữ liệu này bao gồm tiêu hao nhiên liệu, tình trạngnén, quá trình cháy và công suất phát ra và có được từ thực nghiệm trên tàu thươngmại khi vận hành trên biển, từ đó có thể chẩn đoán được tình trạng kỹ thuật của ĐC

Có thể kết luận rằng, mô hình được mô tả trong nghiên cứu này giúp phát hiện sớmnhưng biểu hiện bất thường trước khi nó có thể gây ra hư hỏng ĐC

Oihane C Basurko và cộng sự [63] cũng đã xem xét tình trạng kỹ thuật trong các

ĐC diesel cỡ trung trên các tàu thương mại, đặc biệt là tàu đánh cá ĐC được chẩn

đoán bằng cách sử dụng cặp nhiệt điện và cảm biến đo mô men trục chân vịt và áp suấttrong các xy lanh khác nhau của ĐC Mô hình gồm bốn bước chính: Thu thập dữ liệu,lựa chọn và điều chỉnh dữ liệu, phát triển mô hình và phát hiện hư hỏng Tình trạng kỹthuật được xem xét trong quá trình chẩn đoán thông qua phát thải của tua bin khí, sự

hư hỏng của bộ phận làm mát không khí, bộ lọc bẩn và vòi phun nhiên liệu bị hư hỏng

Từ phân tích dữ liệu thu được từ các thí nghiệm ĐC, các giá trị ngưỡng hư hỏng đượctính toán và mô hình được hiệu chuẩn

Jianyuan Zhu [44] đã sử dụng mô hình mạng nơ ron nhân tạo (ANNs) Tác giả đãthu thập dữ liệu từ các bộ cảm biến đo độ rung động của ĐC và sau đó phân tích cáctín hiệu bằng cách sử dụng kỹ thuật chuỗi thời gian Các đặc tính này được dùng đểxây dựng mạng nơ ron bằng cách sử dụng một thuật toán được gọi là "Thuật toán lantruyền ngược" ("Back Propagating Algorithm") Hư hỏng được chẩn đoán bởi sự thayđổi khe hở xupáp với các mức tải ĐC khác nhau Các thí nghiệm được thực hiện trên

ĐC diesel 6 xy lanh cỡ trung Báo cáo cho rằng ANNs có độ chính xác cao khi chẩnđoán, mặc dù đầu vào của mạng thường không rõ ràng

Jian-Da Wu và cộng sự [43] sử dụng các tín hiệu rung động cơ học và tín hiệuphát xạ âm thanh để chẩn đoán hư hỏng trong ĐC diesel, mô hình này được sử dụngngày càng nhiều do sự tiến bộ của thuật toán xử lý tín hiệu số Các tín hiệu rung độngđược sử dụng bởi nó mang thông tin động về các thành phần cơ học bên trong ĐC vàcác trạng thái hoạt động của chúng Kỹ thuật truyền thống của việc sử dụng các tínhiệu rung động là tồn tại dưới dạng miền thời gian, miền tần số và được phân tích sựkhác nhau cơ bản giữa các yếu tố trong mỗi miền Tuy nhiên, trong nghiên cứu củaJian-Da Wu đã đề xuất một phương pháp thay thế là phát triển một chùm sóng liên tụcbiến đổi trên thiết bị hiệu quả hơn để phát hiện hư hỏng Chùm sóng liên tục biến đổiđược sử dụng để tách các tín hiệu thành những tín hiệu tốt và tín hiệu lỗi Hơn nữa,việc so sánh thí nghiệm giữa dữ liệu rung và phát xạ âm thanh cũng được đề cập

1.4.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam

Đối với lĩnh vực chẩn đoán ĐC đốt trong, đã có một số công trình nghiên cứutrong nước với những cách tiếp cận khác nhau:

Phương pháp chẩn đoán công suất được các tác giả Lại Văn Định, Phạm ĐứcMinh giới thiệu trong [6], để chẩn đoán ĐC ở điều kiện dã ngoại, theo đó công suất

từng xy lanh được xác định bằng cách ngắt các xy lanh khác chỉ để một xy lanh làmviệc Việc xác định công suất của từng xy lanh cho biết sự hư hỏng của các cụm chitiết thuộc xy lanh nào.

Việc tạo lập các dấu hiệu chẩn đoán được thực hiện theo phương pháp có môhình trợ giúp đã được đề cập trong [2, 4] Các công trình này đã sử dụng phần mềmBOOST để xây dựng mô hình của một ĐC cụ thể và thực hiện các thí nghiệm trên môhình cũng như trên ĐC thật để xác định các dấu hiệu chẩn đoán Nhờ phương pháp môhình trợ giúp (phương pháp đánh giá tham số và phương pháp so sánh đồng đẳng) cáctác giả đã xây dựng được các mối quan hệ giữa đường đặc tính mô men với tình trạng

sở quản lý và khai thác phương tiện làm tốt công tác vật tư dự phòng, nâng cao nănglực khai thác của phương tiện, bảo đảm độ tin cậy, khả năng hoạt động và hiệu quảkhai thác là cao nhất Nghiên cứu cũng khuyến nghị, để xây dựng các tiêu chí đánh giámột cách đầy đủ và toàn diện, cần tham khảo ý kiến của nhiều chuyên gia trong lĩnhvực này, đồng thời tiến hành thực nghiệm trên một số chủng loại ĐC khác nhau

Sử dụng logic mờ để xây dựng hệ trợ giúp chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của cácphương tiện giao thông đã được tác giả Phạm Thị Thu Hương, Học viện Nông nghiệp

Hà Nội công bố trong đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ, mã số B99-35-94 Đề tài đãgiải quyết được một phần khó khăn đối với công tác chẩn đoán, đó là chẩn đoán ở cácđiểm ngưỡng

Tương tự như trên, Nguyễn Văn Tuấn, Đại học Hàng hải Việt Nam (2006) đãnghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống trao đổi khí đến các chỉ tiêu kỹ thuật của ĐC

diesel tàu thủy đang khai thác ở Việt Nam Đề tài đã đưa ra các cơ sở khoa học nhằmđánh giá ảnh hưởng của các yếu tố làm suy giảm các chỉ tiêu kỹ thuật của ĐC dieseltàu thủy, trong đó tập trung nghiên cứu các yếu tố phát sinh từ các chi tiết, thiết bịthuộc hệ thống trao đổi khí và đánh giá mức độ ảnh hưởng của nó đến suy giảm cácchỉ tiêu kỹ thuật của ĐC.

Đào Chí Cường, (2011), đã nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu cho hệ thống chẩnđoán ĐC diesel dùng trong nông nghiệp Đề tài đã xây dựng được mô hình toán chocác quá trình chuyển tiếp khi tăng tốc tự do để xác định qui luật biến thiên của mô menxoắn có ích Me và độ khói N% của khí thải ĐC theo tốc độ quay, làm cơ sở cho việc

so sánh mô hình tham chiếu, để xác định tình trạng kỹ thuật của ĐC trong điều kiệngiã ngoại Công trình nghiên cứu đã đề cập đến các phương pháp chẩn đoán, trong đótập trung vào các yếu tố của nhóm bao kín buồng cháy để làm cơ sở khoa học chẩnđoán ĐC diesel

Qua quá trình tìm hiểu các thông số và mô hình chẩn đoán tình trạng kỹ thuật đãđược công bố trên thế giới và trong nước những năm gần đây, cho thấy rằng:

- Thông số dùng để chẩn đoán khá nhiều, nhưng tần suất lặp lại thường là: Ápsuất phun nhiên liệu, áp suất cháy, áp suất nén và tín hiệu rung Hầu hết các công trìnhnghiên cứu tập trung chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của ĐC diesel thông qua các cụmchi tiết và hệ thống đơn lẻ Các nghiên cứu này chỉ mới phân tích các dấu hiệu nhậndạng và đưa ra các phương pháp nhận biết lỗi cho ĐC diesel khi làm việc ở trạng tháibình ổn và chủ yếu thực hiện ở phòng thí nghiệm với điều kiện tương đối tốt

- Mô hình chẩn đoán khá đa dạng, từ so sánh ngưỡng hư hỏng dựa trên một thông

số đến tích hợp logic mờ, trí tuệ nhân tạo… để suy đoán TTKT của ĐC từ nhiều thông

số chẩn đoán Việc chẩn đoán hư hỏng của ĐC diesel tàu thủy đã và đang được nghiêncứu, áp dụng cho hầu hết các tàu thương mại và chỉ một số ít cho tàu cá hiện đại, với

hệ thống chẩn đoán được tích hợp khi chế tạo ĐC Hơn nữa, tất cả những mô hình vàthiết bị dùng trong các hệ thống chẩn đoán này có chi phí rất lớn, điều này không phùhợp để áp dụng cho tàu cá Việt Nam

Hiện tại, các ngiên cứu về chẩn đoán TTKT đối với động cơ diesel là tương đối

cụ thể, tuy nhiên trong lĩnh vực tàu cá Viêt Nam, đặc biệt là những động cơ dùng làmmáy chính có công suất nhỏ (đa phần là động cơ đã qua sử dụng, phun nhiên liệu trực

tiếp dùng HTPNL cơ khí truyền thống kiểu Bosch, không tăng áp, không sử dụng tuầnhoàn khí thải, chưa có hệ thống kiểm soát và xử lý ô nhiễm) vẫn cần những giải phápchẩn đoán phù hợp với điều kiện sử dụng của ngư dân Do đó, việc nghiên cứu thiếtlập mô hình chẩn đoán TTKT cho ĐC diesel dùng làm máy chính tàu cá Việt Nam làhết sức cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn nhất định đối với công tác khai thác,vận hành động cơ tàu cá, đồng thời là cơ sở tham khảo, đề xuất với cơ quan quản lýNhà nước về kiểm tra an toàn kỹ thuật cho ĐC, khi cấp giấy phép cho tàu hoạt động.

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHẨN ĐOÁN TRẠNG THÁI KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU CÁ CÔNG

SUẤT NHỎ

2.1 Lý thuyết về chẩn đoán trạng thái kỹ thuật của động cơ diesel

2.1.1 Trạng thái kỹ thuật và chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cơ diesel

Trạng thái kỹ thuật của ĐC diesel được hiểu là tình trạng kỹ thuật của các chitiết, cụm chi tiết và hệ thống của ĐC Nó được thể hiện thông qua một tập hợp cácthông số trạng thái, gồm thông số kết cấu và thông số công tác (đặc tính làm việc các

bộ phận và hệ thống của ĐC) Đánh giá TTKT của ĐC diesel tức là đánh giá tình trạngcủa các hệ thống, cụm chi tiết và chi tiết của ĐC TTKT của ĐC diesel thay đổi thườngxuyên theo hướng xấu đi trong quá trình sử dụng do mòn, mỏi, lão hóa của các chi tiết,cụm chi tiết và hệ thống [8]

Chẩn đoán TTKT là hoạt động đánh giá tình trạng kỹ thuật của các chi tiết, cụmchi tiết và hệ thống của ĐC nhằm mục đích: Dự báo khả năng làm việc, khẳng địnhkhả năng làm việc tốt, an toàn của ĐC; phát hiện các chi tiết hay hệ thống ở tình trạng

kỹ thuật kém, cần phải bảo dưỡng; phát hiện sự cố, hỏng hóc để khắc phục sửa chữa.Kết quả của chẩn đoán là tình trạng kỹ thuật và các khuyến cáo kèm theo để bảo đảmtình trạng kỹ thuật tốt cho ĐC Đánh giá tình trạng kỹ thuật của ĐC diesel là phân tíchcác thông tin về sự hoạt động của ĐC và các bộ phận của nó, sử dụng các suy luậnlogic để đưa ra các kết luận về tình trạng kỹ thuật [9, 18]

Vậy, chẩn đoán kỹ thuật là việc xác định trạng thái của một hệ thống kỹ thuật vànhận biết các hư hỏng bằng các phương pháp mà không cần tháo rời máy Đó là mộtquá trình lôgíc nhận và phân tích thông tin truyền đến người tiến hành chẩn đoán từcác thiết bị chẩn đoán để tìm ra các hư hỏng của ĐC Do đó, để tăng tuổi thọ, giảm chiphí cho bảo dưỡng sửa chữa thì chẩn đoán kỹ thuật là một trong những biện pháp quantrọng nhất [6, 8]

Đối với ĐC diesel, chẩn đoán kỹ thuật nhằm đưa ra quyết định hợp lý về tìnhtrạng tức thời của ĐC, về sự cần thiết của các biện pháp bảo trì và xác định đúngnguyên nhân hư hỏng nhờ các mô hình chẩn đoán phù hợp hay nhờ quan hệ giữa cácthông số khác nhau