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

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu thiết lập mô hình chẩn đoán để đánh giá trạng thái kỹ thuật động cơ diesel máy chính tàu cá Việt Nam

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG 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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành đào tạo: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 9520116 KHÁNH HÒA - 2021
2. Công trình đƣợc hoàn thành tại Trƣờng Đại học Nha Trang Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Thanh Hải Tùng TS. Quách Hoài Nam Phản biện 1: PGS.TS. Phan Văn Quân Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Hoàng Vũ Phản biện 3: PGS.TSKH. Đỗ Đức Lƣu
3. MỞ ĐẦU I. LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Việc bảo đảm an toàn cho người và tàu cá hoạt động sản xuất ở biển xa luôn là mối quan tâm của người dân và là sự trăn trở của các ngành, các cấp nói chung và của hệ thống đăng kiểm tàu cá nói riêng. Tính đến năm 2018, cả nước có 96.000 tàu cá. Số tàu này ngoài việc tham gia phát triển kinh tế biển còn góp phần quan trọng bảo vệ an ninh chủ quyền biển, đảo quốc gia. Tàu đánh cá có thể hoạt động ở vùng biển cách bờ đến 200 hải lý và hầu như không có cảng trú, các động cơ diesel dùng làm máy chính trên tàu đa số là máy cũ, thiếu các thiết bị đo lường, kiểm tra; không có hồ sơ kỹ thuật phục vụ cho công tác vận hành và bảo dưỡng sửa chữa. Điều đó dẫn đến giảm độ an toàn, tin cậy trong quá trình khai thác; hiệu quả sử dụng thấp làm tăng giá thành sản phẩm và đặc biệt là có thể hư hỏng đột ngột trên biển gây nguy hiểm cho người và tàu. 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; 1
4. - 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. PHƢƠNG 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. 2
5. Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1. Xu hƣớng 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. 3
6. 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. Kết luận chƣơng 1: Chương 1 đã phân tích, lựa chọn được ĐC diesel tàu cá phù hợp với đối tượng nghiên cứu của luận án. Đối với lĩnh vực tàu cá ở Việt Nam, việc chẩn đoán TTKT ĐC diesel công suất nhỏ dùng làm máy chính, cần xác định được bộ thông số chẩn đoán và thông số đánh giá TTKT, từ đó xây dựng mô hình chẩn đoán TTKT cho đối tượng ĐC diesel phù hợp với điều kiện sử dụng của ngư dân. Nội dung này sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo của luận án. 4
7. Chƣơng 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: - Tính đơn trị - Tính thông tin - Tính hiệu quả - Tính công nghệ 2.1.4. Bộ thông số chẩn đoán Trong động cơ diesel, nhóm bao kín buồng cháy ảnh hưởng trực tiếp đến áp suất cuối kỳ nén (pc); hệ thống vòi phun, bơm cao áp ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến áp suất trên đường ống cao áp và áp suất phun (pinj). Do đó, áp suất trên đường ống cao áp và áp suất phun là tuyến tính với nhau. Các thông số trên đều là thông số chẩn đoán. 5
8. 2.1.5. Phƣơng 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: Ge ge (2. 1) Ne Ah .C d A h .C d ge .2(pp) l inj c .2.p l NNee (2. 2) 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: 1 .pinj .6.n Rs,c A.C s . . 2 (2.3) 3  .Cd .(p inj p c ) Đối với phát thải NOx: EOC in C .A .t .i V .NO . 2(P P ) d h dur  t x inj c NO SOC i1 (2.4) x cycle 0.5 V.cyl l 2.2.2. Các phƣơng 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: 6
9. 0,08 3 0,1 0,3 l 2,65 d We Re l (2. 5) bhll g 0,25 Δp S 2,95 .(d .t)0,5 (2. 6) h ρg 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. 0,1 0,35 dh . g . p s 0,03824. 0,3 0,45 0,7 (2. 7) lh . l .l - Đối với phương pháp thực nghiệm, thông thường sử dụng các modul sau: Modul đầu vào (các thông số chẩn đoán); Modul thu nhận và xử lý số liệu (các thiết bị đo kết nối máy tính); Modul kết quả chẩn đoán (công suất, phát thải ), suất tiêu hao nhiên liệu. Các Modul trên phải được bố trí đúng và làm việc theo các chế độ, điều kiện thực nghiệm cụ thể khi tiến hành đo, ghi nhận dữ liệu. 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. 7
10. (rò r (rò Sai l Sai l ỉ - ệ khe h khe ch (A) c ệ (mòn cam sai l sai cam (mòn ch (B) c ở bơm, lò xo sai l xo sai lò bơm, ủ (đ a h ủ ộ a h gi ệ ả ệ th m áp su m Sai l ệ th ch ch b%) ố ng phun ng phun ố ng phun ệ ệ ch a%) ch cháy cháy ch (C) trong xy lanh ấ t nén t - sai l sai r ỏ r ệ ỉ ch y%) ch nhóm bao kín bu kín bao nhóm Diễn biến áp suất trên đƣờng ống cao áp (pOCA) giảm x% ồ ng ng Chiều dài Quá trình phun Góc nón tia phun chùm tia Cháy và phát thải (tình trạng buồng cháy) Ne Soot NOx Giảm z1% Soot có thể tăng z2% và NOx có thể so với tiêu chuẩn giảm z3% so với tiêu chuẩn Từ x, z1, z2, z3 và y sẽ phân tích đƣa ra những khuyến nghị (cảnh báo) hệ thống phun và nhóm bao kín buồng cháy 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 hƣởng đến diễn biến áp suất và quá trình hình thành hỗn hợp cháy TT Ký Thông số gây ảnh hƣởng đến áp Độ giảm so với tình trạng ban hiệu suất phun và áp suất nén đầu, % Khe hở giữa Piston - xy lanh bơm cao áp 0; 2; 4; 6; 8; 10; 12;14; 16; 18; 1 A Độ cứng của lò xo 20, n Độ kín khít của đai ốc, vòng đệm, độ mòn cửa vào-ra của van cao áp 0; 2; 4; 6; 8; 10; 12;14; 16; 18; 2 B Độ mòn cam bơm cao áp 20, n Độ kín của nhóm bao kín buồng cháy 0; 2; 4; 6; 8; 10; 12;14; 16; 18; 3 C (gây giảm áp suất nén) 20, n 8
11. Kết luận chƣơng 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 mô phỏng; - Các thông số chẩn đoán được lựa chọn là: Áp suất phun nhiên liệu (pinj) và áp suất cuối kỳ nén (pc); - Các công thức 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7 sẽ được sử dụng phục vụ quá trình tính toán, mô phỏng. 9
12. Chƣơng 3. ĐÁNH GIÁ ÁNH HƢỞNG 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. FUEL SYSTEM OF YANMAR 4CHE ENGINE Volume AVL BOOST HYDSIM V2013.2 9 Dynamic Analysis of Hydraulic Systems 20 21 Line Line Delivery Valve 10 11 12 18 Volume 3 7 8 Line Line Line Line Volume Fill/Spill Port 13 5 Volume 6 17 Leakage p Leakage 4 Pressure T 19 VCO Orifice 1 15 2 14 16 p T Plunger Cam Profile Boundary Needle Pressure 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 10
13. 3.1.2.2. Ảnh hƣởng của hƣ 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 . a) b) Hình 3. 3. Góc nón tia phun với các trƣờng hợp A hƣ hỏng 12%, 14%, 16% (a) và độ xuyên sâu tƣơng ứng (b) 3.1.2.3. Ảnh hƣởng của hƣ 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 tƣơng ứng với các trƣờng hợp B hƣ hỏng 12 - 16% 11
14. 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 hƣởng của A và B đến mức độ sụt giảm áp suất trong ống cao áp và áp suất phun Độ Áp suất trong ống cao Áp suất nâng kim Cấu trúc tia phun giảm áp giảm so phun giảm giảm so với TTBĐ với TTBĐ (%) so với TTBĐ (%) (%) 10% 6,3 7,3 3,7 A 12% 8,2 8 5 giảm 14% 8,8 9,5 5,8 16% 10 10,5 6,5 18% 11,6 12 8 20% 12,7 13 8,5 10% 14,6 15,4 10,9 12% 15,7 16,1 11 B 14% 16,3 17,4 12,7 giảm 16% 17,9 17,9 14 18% 18,8 19,5 15,3 20% 20,8 20,7 18 Căn cứ vào mức độ ảnh hưởng của A và B từ bảng 3.1 và mô hình chẩn đoán, Xác định A giảm từ 18% (a% = 18%) thì diễn biến áp suất trên đường ống cao áp giảm 11,6% (x% = 11,6%); giới hạn B giảm từ 10% (b% =10%), thì diễn biến áp suất trên đường ống cao áp giảm 14,6% (x% = 14,6%). Khi A và B đạt đến ngưỡng sai lệch trên, làm cấu trúc tia phun suy giảm lớn, điều này đồng nghĩa với việc quá trình hình thành hỗn hợp cháy kém hiệu quả, dẫn đến công suất giảm, phát thải bồ hóng gia tăng. 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% 12
15. Trên hình 3.5, khi áp suất trong ống cao áp giảm đến 14% thì công suất bắt đầu giảm, bồ hóng gia tăng nhanh chóng, vùng giao nhau giữa hai đường đặc tính trên suất hiện tại khoảng 10-12% mức giảm áp suất nén. Ở đồ thị hình 3.6, vùng giao nhau xuất hiện tại khoảng 8% mức giảm áp suất nén, khi áp suất trong ống cao áp giảm đến16%. Hình 3.6. 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% Tương tự như trên, đồ thị đặc tính công suất và phát thải NOx như trình bày trên hình 3.7. Đáng chú ý là quy luật giữa công suất và phát thải NOx giống nhau, trong khi quy luật phát thải NOx và bồ hóng lại trái ngược nhau như trên hình 3.8, điều này là phù hợp với quy luật. Hình 3.7. 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% 13
16. Hình 3.8. 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% Từ các bảng số liệu và đồ thị đặc tính cho thấy, khi áp suất cuối kỳ nén suy giảm trên 10% trở lên, kết hợp với áp suất trong ống cao áp giảm khoảng 16% thì bắt đầu có sự thay đổi lớn cả về công suất và phát thải. Kết luận chƣơng 3 - Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phun nhiên liệu động cơ Yanmar 4CHE bằng phần mềm AV Boost Hydsim; - Sử dụng kết quả mô phỏng HTPN động cơ Yanmar 4CHE từ AVL Boost Hydsim để tính toán công suất, phát thải Soot, NOx trên phần mềm Matlab; - Khi áp suất cuối kỳ nén giảm đến 12% và áp suất trong ống cao áp giảm 14 ÷ 16% so với TTBĐ thì công suất động cơ nghiên cứu giảm 18,66 ÷ 19,85%, phát thải bồ hóng tăng 28,49 ÷ 32,60%, phát thải NOx giảm thấp hơn 21,13 ÷ 25,10%. 14
17. Chƣơng 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Bố trí thiết bị thực nghiệm Quá trình thực nghiệm được thực hiện trên động cơ diesel cao tốc Yanmar 4CHE phun nhiên liệu cơ khí, kết nối phanh thủy lực Dynomite 13, bộ đo công suất, mô men, tốc độ, bộ đo chi phí nhiên liệu và các thiết bị phân tích khí thải như trên hình 4.1. Hình 4. 1. Sơ đồ bố trí chung các thiết bị trong phòng thử nghiệm Bảng 4. 1. Thông số cơ bản động cơ diesel Yanmar 4CHE Tên các thông số Đơn vị Giá trị Kiểu động cơ 4CH, buồng cháy thống nhất Số xy lanh 4 Đường kính xy lanh mm (in) 105 125 (4,13 4,92) x Hành trình piston Dung tích xy lanh L (cu.in) 4,330 (264,21) Công suất HP/rpm 70/2300 Tỷ số nén 16,4:1 Thứ tự nổ 1-2-4-3 Áp suất cháy cực đại kG/cm2 85 (83 bar) Góc phun sớm (0TĐCT) 18 Hệ thống nhiên liệu Áp suất phun tiêu chuẩn (bar) 215 4.2. Quy hoạch thực nghiệm Các chế độ thử nghiệm và nhiên liệu sử dụng trình bày như trong bảng 4.2. 15
18. Bảng 4.2. Chế độ thực nghiệm Điều kiện thực nghiệm Giá trị Ghi chú Dầu DO theo tiêu Nhiên liệu thực nghiệm TCCS 03:2015/PLX. Nhiên liệu chuẩn Việt Nam diesel (DO). 1.400, 1.800 Theo chu trình thử nghiệm động Tốc độ động cơ vòng/phút cơ diesel của Nhật bản. 0, 20%, 40%, 60%, Theo chu trình thử nghiệm động Điều kiện tải 80% cơ diesel của Nhật bản. Tình trạng động cơ được đại tu Tình trạng Sai lệch 0% bảo dưỡng đạt yêu cầu của đăng Áp suất ban đầu P = 214,62 bar OCA kiểm. trong ống Giảm so với Điều chỉnh độ cứng lò xo giảm cao áp Sai lệch khoảng 14% tình trạng xuống (tương ứng với P = P = 185,06 bar. OCA ban đầu OCA 185,06 bar). 4.3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm Kết quả thực nghiệm so sánh với mô phỏng được trình bày trong bảng 4.3 Bảng 4.3. So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm về công suất và phát thải của động cơ khi áp suất giảm so với tình trạng ban đầu Áp suất trong ống cao Trường hợp bơm cao Công Bồ hóng NO Ghi chú áp (bar, %) x áp làm việc với suất (kW) (N%) (ppm) Thực nghiệm với trƣờng hợp áp suất cuối kỳ nén không giảm (độ giảm 0%) Độ đàn hồi lò xo 214,62 12,97 3,83 592 Chế độ thử (ở TTBĐ) nghiệm 40% Độ đàn hồi lò xo giảm 185,06 12,01 6,81 569 tải, 1400 v/p so với TTBĐ Tăng (+), giảm (-)% - 13,8% - 7,40 + 7,80 - 3,90 Mô phỏng với trƣờng hợp áp suất cuối kỳ nén không giảm (độ giảm 0%) Độ đàn hồi lò xo (ở 238,94 14,02 3,65 705 Chế độ TTBĐ) mô phỏng Độ đàn hồi lò xo giảm 204,05; 201,43 13,36 3,83 659 40% tải, so với TTBĐ 1400 v/p Tăng (+), giảm (-)% -14,6 (204,05 bar) -6,24 +4,93 -6,52 Tăng (+), giảm (-)% -15,7 (201,43 bar) -7,43 +6,57 -9,07 Mô phỏng với trƣờng hợp áp suất cuối kỳ nén giảm đến 12% Tăng (+), giảm (-)% -14,6 (204,05 bar) -18,66 +28,49 -21,13 Tăng (+), giảm (-)% -15,7 (201,43 bar) -19,85 +32,60 -25,10 Các giá trị của bảng trên cho thấy, kết quả mô phỏng trong chương 3 phù hợp với thực nghiệm, việc khảo sát, xác định thông số thực tế và xây dựng mô hình mô phỏng 16
19. hệ thống phun nhiên liệu động cơ trên phần mềm AVL Boost/Hydsim và tính toán công suất, phát thải bằng phần mềm Matlab có độ tin cậy. Kết quả này chứng minh rằng, mô hình chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cơ diesel đã xây dựng là phù hợp để chẩn đoán máy chính tàu cá Việt Nam. 4.4. Xây dựng công thức cho mô hình chẩn đoán Trên cơ sở các kết quả mô phỏng và thực nghiệm trình bày trong chương 3, chương 4 và các hàm số đã được giả thiết tại chương 2. NCS triển khai xây dựng mối quan hệ giữa các biến số và hàm, để xác định công thức cho mô hình chẩn đoán (hàm nội suy đa biến – công thức thực nghiệm) nhằm đánh giá quy luật về ảnh hưởng của áp suất trên đường ống cao áp (hư hỏng hệ thống phun) và áp suất cuối kỳ nén (hư hỏng nhóm bao kín buồng cháy) đến đặc tính động cơ diesel máy chính tàu cá như sau: 2 2 - Đối với công suất: z1 = 0,09x + 0,03xy – 0,15y – x + 4,67y (4.1) 2 2 - Đối với phát thải bồ hóng: z2 = 0,09x + 0,03xy – 0,15y – x + 4,67y (4.2) 2 2 - Đối với phát thải NOx: z3 = 0,07x – 0,2xy + 0,09y + 0,9x – 0,57y (4.3) Trên cơ sở này, luận án đề xuất thực hiện chương trình chẩn đoán cho mô hình đối với ĐC diesel máy chính tàu cá công suất nhỏ như sau: - Xây dựng bộ thông số chuẩn về áp suất trong ống cao áp dựa vào áp suất phun (theo hồ sơ lý lịch của động cơ) hoặc đo trực tiếp trên tàu, đồng thời đo áp suất cuối kỳ nén theo từng họ động cơ diesel tàu cá (động cơ diesel mới hoặc mới đại tu xong được đăng kiểm chấp nhận). Bộ dữ liệu này được nhập vào chương trình máy tính của thiết bị đo áp suất cuối kỳ nén và đo áp suất trong ống cao áp. - Sau mỗi chuyến biển dài ngày tàu cập bến hoặc đến thời hạn đăng kiểm, có thể sử dụng thiết bị đo áp suất trong ống cao áp và áp suất cuối kỳ nén có kết nối máy tính, để xác định áp suất trong ống cao áp và áp suất cuối kỳ nén. Kết quả đo được sẽ so sánh với dữ liệu ban đầu, khi đó với mức suy giảm nhận được có thể tham khảo các tình huống dưới đây để sửa chữa, bảo dưỡng động cơ: + Sửa chữa, bảo dưỡng hệ thống phun nhiên liệu khi áp suất trong ống cao áp giảm trên 16% và áp suất cuối kỳ nén giảm dưới 12%. + Sửa chữa, bảo dưỡng nhóm bao kín buồng cháy khi áp suất cuối kỳ nén giảm trên 12% và áp suất trong ống cao áp giảm dưới 16%. + Sửa chữa, bảo dưỡng hệ thống phun nhiên liệu và nhóm bao kín buồng cháy khi áp suất trong ống cao áp giảm trên 16% và áp suất cuối kỳ nén giảm trên 12%. Kết luận Chƣơng 4: - Trên cơ sở kết quả nghiên cứu mô phỏng từ Chương 3. Chương 4 đã thực hiện được những nội dung sau: 17
20. - Đo công suất và phát thải của động cơ ở các trường hợp tải và tốc độ khi khi áp suất trong ống cao áp và áp suất cuối kỳ nén thay đổi; - Xây dựng các đường đồ thị đặc tính công suất và phát thải bồ hóng, NOx theo tải, tốc độ ở các chế độ thực nghiệm; - Sử dụng phương pháp agrange, xây dựng các hàm nội suy đa biến thể hiện ảnh hưởng của áp suất trong ống cao áp và áp suất cuối kỳ nén đến công suất và phát thải của động cơ diesel Yanmar 4CHE dùng làm máy chính tàu cá; - Trên cơ sở số liệu mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng, đã cho thấy mô hình chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cơ diesel máy chính tàu cá công suất nhỏ, chẩn đoán thông qua áp suất trong ống cao áp, có độ tin cậy và khả thi. Với động cơ có đặc điểm công nghệ, chế độ khai thác tương tự như động cơ nghiên cứu, có thể đề xuất sửa chữa, bảo dưỡng hệ thống phun nhiên liệu và nhóm bao kín buồng cháy khi áp suất trong ống cao áp giảm trên 16% và áp suất cuối kỳ nén giảm trên 12%. 18
21. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ KẾT LUẬN Qua kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, luận án rút ra một số kết luận như sau: (1) Kết quả nghiên cứu lý thuyết đã tổng hợp các công thức thực nghiệm để hình thành mô hình đơn giản cho phép đánh giá nhanh ảnh hưởng của áp suất phun (pinj) và áp suất cuối kỳ nén (pc) đến công suất (công thức 2.19), mức phát thải bồ hóng (công thức 2.23), mức phát thải NOX (công thức 2.28) của động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp dùng HTPN 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. (2) Luận án đã xây dựng được mô hình mô phỏng Hệ thống phun nhiên liệu động cơ diesel máy chính tàu cá (Yanmar 4CHE) trên phần mềm AVL Boost/Hydsim với các thông số hư hỏng và tính toán công suất, phát thải tương ứng trên phần mềm Matlab. Khi áp suất cuối kỳ nén giảm đến 12% và áp suất trong ống cao áp giảm 14 ÷ 16% so với TTBĐ thì công suất động cơ giảm, phát thải bồ hóng tăng lên. (3) Từ kết quả nghiên cứu thu được bằng mô phỏng và thực nghiệm, kết hợp với cơ sở lý thuyết được phân tích cụ thể dưới dạng các quan hệ toán học, luận án đã xác định được giới hạn cần phải bảo dưỡng, sửa chữa hệ thống nhiên liệu và nhóm bao kín buồng cháy của động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp dùng HTPN 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 (Yanmar 4CHE). Trong đó, áp suất trong ống cao áp không giảm vượt quá 16%, áp suất cuối kỳ nén không giảm vượt quá 12%, cụ thể: Về công suất: - Khi áp suất cuối kỳ nén không giảm và áp suất trong ống cao áp giảm 14 ÷ 16% so với TTBĐ thì công suất động cơ giảm 6,24 ÷ 7,43% (trường hợp liên quan hệ thống nhiên liệu). - Khi áp suất cuối kỳ nén giảm đến 12% và áp suất trong ống cao áp giảm 14 ÷ 16% so với TTBĐ thì công suất động cơ giảm 18,66 ÷ 19,85% (trường hợp đồng thời liên quan đến nhóm bao kín buồng cháy và hệ thống nhiên liệu). Về phát thải: - Khi áp suất cuối kỳ nén không giảm và áp suất trong ống cao áp giảm 14 ÷ 16% so với TTBĐ thì phát thải bồ hóng của của ĐC tăng lên 4,93 ÷ 6,57%, phát thải NOx giảm thấp hơn 6,52 ÷ 9,07% (trường hợp liên quan hệ thống nhiên liệu). - Khi áp suất cuối kỳ nén giảm đến 12% và áp suất trong ống cao áp giảm 14 ÷ 16% so với TTBĐ thì phát thải bồ hóng của của ĐC tăng lên 28,49 ÷ 32,60%, phát thải 19
22. NOx giảm thấp hơn 21,13 ÷ 25,10% (trường hợp đồng thời liên quan đến nhóm bao kín buồng cháy và hệ thống nhiên liệu). (4) Trên cơ sở kết quả mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng, luận án đã thiết lập được các hàm toán học (các công thức 4.1, 4.2, 4.3) phản ánh mối quan hệ giữa các thông số chẩn đoán đến trạng thái kỹ thuật ĐC nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu đã đề xuất được mô hình chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cơ diesel máy chính tàu cá công suất nhỏ, có độ tin cậy và khả thi. KHUYẾN NGHỊ Để phát triển và hoàn thiện mô hình chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cơ diesel, các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào một số nội dung sau: - Nghiên cứu ảnh hưởng của qui luật phun đến trạng thái kỹ thuật của động cơ diesel; - Thực nghiệm với các sai lệch (gioăng, đệm, độ kín khít các mối nối) của HTPN đến diễn biến áp suất trong ống cao áp; - Nghiên cứu phát triển thiết bị đo áp suất trong ống cao áp thành hệ thống thiết bị cảnh báo, trang bị trên tàu để cảnh báo trạng thái kỹ thuật động cơ diesel máy chính tàu cá. Trong đó, viết chương trình cảnh báo hệ thống phun nhiên liệu cho động cơ dựa theo các hàm số mà luận án đưa ra (công thức 4.1, 4.2, 4.3). 20
23. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN LUẬN ÁN 1) Hồ Đức Tuấn và cộng sự (2019). Nghiên cứu đề xuất bộ thông số chẩn đoán TTKT cho máy chính tàu cá việt nam. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thuỷ sản, Trường Đại học Nha Trang. 2) Hồ Đức Tuấn và cộng sự (2019). Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén đến công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ĐC diesel máy chính tàu cá. Tạp chí Cơ khí VN. 3) Hồ Đức Tuấn và cộng sự (2019). Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén đến phát thải của ĐC diesel máy chính tàu cá. Tạp chí KHCN Đà Nẵng. 4) Hồ Đức Tuấn và cộng sự (2020). Thiết kế và chế tạo thiết bị đo áp suất trong ống cao áp ĐC diesel Máy chính tàu cá. Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy sản. Đại học Nha Trang. 5) Hồ Đức Tuấn và cộng sự (2020). Nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu trong ống cao áp đến quá trình hình thành hỗn hợp cháy trong ĐC diesel Máy chính tàu cá. Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật. 6) Hồ Đức Tuấn và cộng sự (2020). Nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu trong ống cao áp đến công suất ĐC diesel Máy chính tàu cá. Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy sản. Đại học Nha Trang. 7) Tuan Ho Duc et al (2020). A simulation study on effects of basic parts' failure of fuel injection system to fuel injection pressure of the 4CHE YANMAR diesel engine. 46th International Scientific Conference of the departments of transport, handling, construction and agriculture machinery. Terchova, September 3 - 4, 2020. Print EDIS-Zilina University pulisher. ISBN: 978-80- 89276-60-8. 21