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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG HỒ ĐỨC TUẤN 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... MỤC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

HỒ ĐỨC TUẤN

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

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Nha Trang Người hướng dẫn khoa học:

Vì vậy, việc chẩn đoán trạng thái kỹ thuật của máy chính tàu cá trở nên cấp thiết

II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết lập được mô hình chẩn đoán, để đánh giá trạng thái kỹ thuật của động cơ diesel máy chính tàu cá

III ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

III.1 Đối tƣợng nghiên cứu

Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật và mô hình chẩn đoán để đánh giá trạng thái kỹ thuật động cơ diesel

Khách thể nghiên cứu: Động cơ diesel trang bị trên tàu cá Việt Nam

Đối tượng khảo sát: Khảo sát trạng thái kỹ thuật động cơ diesel Yanmar 4 CHE 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 số chẩn đoán (áp suất phun, áp suất cuối kỳ nén) và thông số đánh giá trạng thái kỹ thuật động cơ diesel máy chính tàu cá thường gặp (công suất, phát thải), 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 trạng thái kỹ thuật Trên cơ sở đó, sử dụng phần mềm AVL Boost/Hydsim và Matlab mô phỏng đối với động cơ diesel Yanmar 4CHE , được trang

bị tại phòng thực nghiệm động cơ, Trường Đại học Nha Trang

III.2.2 Về thực nghiệm

Đánh giá mô hình chẩn đoán bằng thực nghiệm trên bệ thử đối với động cơ diesel Yanmar 4CHE

IV NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

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

- Phân tích lý thuyết xác định thông số đánh giá trạng thái kỹ thuật động cơ diesel;

- Xây dựng các quan hệ toán học thể hiện ảnh hưởng của thông số chẩn đoán với thông số đánh giá trạng thái kỹ thuật động cơ và thiết lập mô hình chẩn đoán;

- 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 trạng thái

kỹ thuật của động cơ (TTKT) Thông qua bộ thông số chẩn đoán, thiết lập mô hình chẩn đoán TTKT động cơ Ứng dụng chương trình mô phỏng và tổ chức thực nghiệm

để đánh giá mô hình chẩn đoán đã đề xuất Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học có thể áp dụng đối với công tác chẩn đoán TTKT cho ĐC diesel tàu cá khi có đặc điểm công nghệ, 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 máy chính 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

KẾT CẤU LUẬN ÁN

Luận án được kết cấu gồm: Chương 1 Tổng quan; 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 ở Việt Nam; Chương 3 Đánh giá ảnh 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; 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

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 và sử dụng

Thông số kỹ thuật động cơ diesel máy chính tàu cá của các hãng phổ biến có nhiều đặc điểm tương đồng như: Hình dạng buồng cháy, tỷ số nén, đường kính xy lanh, hành trình piston, kết cấu hệ thống nhiên liệu, các thông số về áp suất phun, góc phun sớm

Số liệu điều tra về chủng loại động cơ diesel làm máy chính lắp trên các tàu cá các khu vực trình bày như trên hình 1.1a và 1.1b

a) b)

Hình 1 1 Chủng loại động cơ sử dụng cho máy chính tàu cá tại DHNTB (a) và tại

các tỉnh có biển ở khu vực phía nam (b)

Hình 1.3 cho thấy, động cơ hãng Yanmar đang sử dụng trong các phương tiện thủy nói chung và tàu cá nói riêng chiếm số lượng lớn Đây cũng là lý do luận án lựa chọn động cơ 4CHE của hãng Yanmar làm động cơ nghiên cứu

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

số các động cơ đã qua sử dụng, người vận hành không được đào tạo chuyên môn thợ máy Do đó, máy móc dễ bị hư hỏng do sử dụng không đúng, không theo qui chuẩn và đặc biệt là nguy cơ tàu bị chìm bởi sóng gió

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

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

Qua các yêu cầu của qui phạm liên quan đến đăng kiểm tàu cá cho thấy, công tác đăng kiểm hệ thống động lực tàu cá nói chung và động cơ diesel làm 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 cho đặc thù của máy chính tàu cá

1.2 Tình hình nghiên cứu trên Thế giới và Việt Nam về chẩn đoán động cơ diesel

- Thông số dùng để chẩn đoán khá nhiều, nhưng tần xuất lặp lại thường là: Áp suất phun nhiên liệu, áp suất cháy, áp suất nén và tín hiệu rung Hầu hết các công trình nghiên cứu chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của động cơ diesel tập trung vào các cụm chi tiết và hệ thống đơn lẻ

- 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 trạng thái kỹ thuật của động

cơ từ nhiều thông số chẩn đoán Việc chẩn đoán hư hỏng của động cơ diesel tàu thủy

đã và đang được nghiên cứu, 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 động cơ Hơn nữa, tất cả những mô hình và thiết bị dùng trong các hệ thống chẩn đoán này có chi phí rất lớn, điều này không phù hợp để áp dụng cho tàu cá Việt Nam

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 (TTKT) của động cơ đốt trong (ĐCĐT) được hiểu là tình trạng kỹ thuật của các chi tiết, cụm chi tiết và hệ thống của động cơ Nó được thể hiện thông qua một tập hợp các thông số trạng thái, gồm: Thông số cấu trúc và thông số công tác (đặc tính làm việc các bộ phận và hệ thống của động cơ)

Chẩn đoán kỹ thuật nhằm đưa ra quyết định hợp lý về tình trạng tức thời của động cơ, về sự cần thiết của các biện pháp bảo trì và xác định đúng nguyên nhân hư hỏng nhờ các mô hình chẩn đoán phù hợp hay nhờ quan hệ giữa các thông số khác nhau

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

Khi không tháo máy để xác định các thông số cấu trúc, thì việc đánh giá trạng thái kỹ thuật phải thông qua các thông số công tác của động cơ so với tiêu chuẩn Cụ thể gồm: Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải và các thông số trạng thái cơ, nhiệt…

Trong đó, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải được quan tâm hơn cả (trong luận án quy ước là các hàm số), các hàm số này thay đổi theo thông số chẩn đoán (trong luận án quy ước là biến số)

2.1.2 Yêu cầu đối với thông số chẩn đoán

Các thông số chẩn đoán được chọn từ các thông số đầu ra phải thỏa mãn và đảm bảo các yêu cầu sau:

áp và áp suất phun là tuyến tính với nhau Các thông số trên đều là thông số chẩn đoán

2.1.5 Phương pháp xác định bộ thông số chẩn đoán

Để chẩn đoán được trạng thái kỹ thuật của động cơ diesel thì phải lượng hóa được mối quan hệ giữa thông số chẩn đoán (x, y) và thông số phản ánh tình trạng kỹ thuật của động cơ (z), tức là giải hàm số z = f(x, y) Kết quả chẩn đoán là căn cứ vào

sự thay đổi cho phép của z (theo quy định) để xác định ngưỡng của x, y (tiêu chuẩn

giới hạn cần phải bảo dưỡng, sửa chữa động cơ)

2.2 Quan hệ giữa thông số đánh giá trạng thái kỹ thuật với thông số chẩn đoán 2.2.1 Quan hệ của công suất và phát thải với thông số chẩn đoán

Thông số chẩn đoán liên quan đến thông số đánh giá trạng thái kỹ thuật của động

cơ thông qua các quan hệ toán học sau:

e e e

GgN

Trong đó, Ne: Công suất có ích của động cơ, ge: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

Từ công thức 2.2 cho thấy, áp suất phun và giá trị áp suất nén ảnh hưởng trực tiếp đến công suất và suất tiêu hao nhiên liệu riêng có ích của động cơ

Đối với phát thải bồ hóng:

inj

.p 6.n 1

cycle

EOC i n

i 1 SOC

C A t i V NO 2(P P )NO

2.2.2 Các phương pháp đánh giá trạng thái kỹ thuật động cơ diesel

- Đối với phương pháp chẩn đoán bằng mô phỏng để đánh giá trạng thái kỹ thuật động cơ diesel, chủ yếu tập trung vào mô phỏng quá trình phun, hình thành hỗn hợp, cháy và hình thành phát thải

Chiều dài phân rã lb của tia phun nhiên liệu là một đặc tính quan trọng và quyết định độ xuyên sâu tia phun (S), góc nón chum tia ( s) để xác định khả năng hòa trộn (hình thành hỗn hợp) khi phun nhiên liệu vào trong buồng cháy:

Với t: Thời gian tính từ khi bắt đầu phun nhiên liệu, ppinj pc: Độ chênh lệch

áp suất phun với áp suất nén trong buồng cháy

7 , 0 l 45 , 0 l 3 , 0 h

35 , 0 1 , 0 g h s

l

p d 03824 ,

2.2.4 Đề xuất mô hình chẩn đoán TTKT động cơ diesel máy chính tàu cá

NCS đề xuất mô hình chẩn đoán TTKT động cơ diesel máy chính tàu cá như trên hình 2.1

Các sai lệch A, B, C được làm rõ trong bảng 2.1 Từ mô hình chẩn đoán và bảng 2.1, giả thiết các công thức sau:

z1 = f(x, y) (2.5)

z2 = f(x, y) (2.6)

z3 = f(x, y) (2.7) Trong đó: z1 - độ sụt giảm công suất, z2 - độ gia tăng bồ hóng, z3 - độ giảm NOx

x - độ giảm của áp suất trên đường ống cao áp (%), x phụ thuộc vào sai lệch hư hỏng theo A (a%), B (b%); y - độ giảm áp suất cuối kỳ nén (%); Tình trạng ban đầu (TTBĐ)

là tình trạng động cơ mới hoặc động cơ được đại tu bảo dưỡng được đăng kiểm chấp nhận

Bằng phương pháp tính toán mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng, các hàm đa biến đề xuất ở trên được xây dựng sẽ là cơ sở cho việc xác định trạng thái kỹ thuật động cơ thông qua độ giảm áp suất trên đường ống cao áp và áp suất cuối kỳ nén

Hình 2 1 Sơ đồ mô hình chẩn đoán TTKT động cơ diesel máy chính tàu cá Bảng 2 1 Các thông số đầu vào của hệ thống nhiên liệu và áp suất nén ảnh hưởng đến diễn biến áp suất và quá trình hình thành hỗn hợp cháy

TT Ký

hiệu

Thông số gây ảnh hưởng đến áp suất phun và áp suất nén

Độ giảm so với tình trạng ban

Độ cứng của lò xo

Độ kín khít của đai ốc, vòng đệm, độ mòn cửa vào-ra của van cao áp

2 B Độ mòn cam bơm cao áp 0; 2; 4; 6; 8; 10; 12;14; 16; 18; 20,…n

3 C Độ kín của nhóm bao kín buồng cháy

(gây giảm áp suất nén)

0; 2; 4; 6; 8; 10; 12;14; 16; 18; 20,…n

Cháy và phát thải (tình trạng buồng cháy)

Diễn biến áp suất trên đường ống cao áp (p OCA )

giảm x%

Chiều dài tia phun

Góc nón chùm tia

Từ x, z 1 , z 2 , z 3 và y sẽ phân tích đưa ra những khuyến nghị

(cảnh báo) hệ thống phun và nhóm bao kín buồng cháy

Kết luận chương 2:

- Nội dung Chương 2 đã phân tích cơ sở lý thuyết cho luận án;

- Đề xuất sơ đồ mô hình chẩn đoán TTKT ĐC diesel máy chính tàu cá công suất nhỏ và mối quan hệ giữa thông số chẩn đoán với thông số đánh giá TTKT cho mô hình chẩn đoán;

- iả thiết các hư hỏng xảy ra làm ảnh hưởng đến các thông số chẩn đoán, nhằm phục vụ quá trình đánh giá mô hình chẩn đoán TTKT ĐC diesel máy chính tàu cá bằng

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

3.1.1 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phun nhiên liệu

Để xây dựng mô hình mô phỏng phù hợp, cần thiết phải dựa trên hai yêu cầu:

- Xác định các bộ phận chính trong sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống phun nhiên liệu động cơ Yanmar 4CHE ;

- Phân tích, lựa chọn các phần tử cơ bản đặc trưng cho các bộ phận của hệ thống nhiên liệu Mô hình hệ thống phun được mô tả như trên hình 3.1

Hình 3.1 Mô hình kết nối chung hệ thống nhiên liệu động cơ Yanmar 4CHE 3.1.2 Kết quả nghiên cứu mô phỏng trên phần mềm AVL boost/Hydsim

3.1.2.1 Kết quả mô phỏng hệ thống phun nhiên liệu ở tình trạng ban đầu

Tổng hợp quy luật các thông số phun ở tình trạng ban đầu với tốc độ động cơ

1400 v/p như trình bày trên hình 3.2

Hình 3.2 Các thông số phun khi hệ thống phun nhiên liệu ở tình trạng ban đầu

FUEL SYSTEM OF YANM AR 4CHE ENGINE

AVL BOOST HYDSIM V2013.2 Dynamic Analysis of Hydraulic Syste ms

3.1.2.2 Ảnh hưởng của hư hỏng A đến thông số phun

Khi A (bảng 2.1) giảm 12%, 14%, 16% so với tiêu chuẩn thì diễn biến áp suất phun trên đường ống cao áp và áp suất phun giảm đến 10% và giảm cấu trúc tia phun nhiên liệu vào xy lanh như trên hình 3.3 Khi A tiếp tục giảm 18%, 20% thì các giá trị

áp suất và cấu trúc tia phun suy giảm mạnh

Hình 3 3 Góc nón tia phun với các trường hợp

A hư hỏng 12%, 14%, 16% (a) và độ xuyên sâu tương ứng (b)

3.1.2.3 Ảnh hưởng của hư hỏng B đến thông số phun

Tương tự như trường hợp của A, khi B giảm 12 - 16%, kết quả diễn biến áp suất trong ống cao áp và áp suất phun giảm khoảng 18% như trên hình 3.4 Khi B giảm 18 - 20%, diễn biến áp suất trong ống cao áp và áp suất phun giảm mạnh ( 21%), cấu trúc tia phun giảm đến 19% Điều này làm cho quá trình hình thành hỗn hợp cháy kém hiệu quả

Hình 3 4 Diễn biến áp suất trong ống cao áp và áp suất phun tương ứng với các

trường hợp B hư hỏng 12 - 16%

So sánh mức độ ảnh hưởng của A và B đến thông số phun và cấu trúc tia phun như trong bảng 3.1

Bảng 3.1 So sánh ảnh hưởng của A và B đến mức độ sụt giảm áp suất trong ống

cao áp và áp suất phun

3.2 Mô phỏng tính toán công suất và phát thải bằng phần mềm Matlab

Trên hình 3.5, hình 3.6 thể hiện đồ thị đặc tính công suất và phát thải bồ hóng theo độ giảm áp suất phun và áp suất nén

Hình 3.5 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%