Nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ điều khiển tự động tay ga điện tử cho động cơ YANMAR 4CH tại phòng thực hành bộ môn động lực

1
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT TÀU THỦY



VŨ THANH HẢI










ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH: ĐỘNG LỰC TÀU THỦY


Đề tài :

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN
TỰ ĐỘNG TAY GA ĐIỆN TỬ CHO ĐỘNG CƠ YANMAR
4CH TẠI PHÒNG THỰC HÀNH BỘ MÔN ĐỘNG LỰC.
N
N
h
h

a
a


T
T
r
r
a
a
n
n
g
g
,
,


7
7
/
/
2
2
0
0
1
1
1
1

2
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT TÀU THỦY





VŨ THANH HẢI








ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH: ĐỘNG LỰC TÀU THỦY

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
TH.S ĐOÀN PHƯỚC THỌ

N
N
h
h

a
a


T
T
r
r
a
a
n
n
g
g
,
,


7
7
/
/
2
2
0
0
1
1
1
1

Đề tài :

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO BO
Ä ĐIỀU KHIỂN
TỰ ĐỘNG TAY GA ĐIỆN TỬ CHO ĐỘNG CƠ YANMAR
4CH TẠI PHÒNG THỰC HÀNH BỘ MÔN ĐỘNG LỰC.
3
PHIẾU ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Vũ Thanh Hải Lớp: 49LTT Khoá:
49
Ngành: Kỹ Thuật Tàu Thủy Mã
ngành:
Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ điều khiển tự động tay ga
điện tử cho động cơ YANMAR 4CH tại phòng thực hành bộ môn
động lực”.
Số trang: 80 Số chương: 4 Số tài liệu tham khảo:
7
Hiện vật: Bộ điều khiển tay ga điện tử
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Nha Trang, ngày …tháng……năm
2011



CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

ĐIỂM CHUNG
Bằng số Bằng chữ


4
Th.S. Đoàn Phước Thọ

5
PHIẾU ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Vũ Thanh Hải Lớp: 49LTT Khoá:
49
Ngành: Kỹ Thuật Tàu Thủy Mã
ngành:
Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ điều khiển tự động tay ga
điện tử cho động cơ YANMAR 4CH tại phòng thực hành bộ môn
động lực”.
Số trang: 80 Số chương: 4 Số tài liệu tham khảo:
7
Hiện vật: Bộ điều khiển tay ga điện tử.
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Nha Trang, ngày tháng….năm
2011
CÁN BỘ PHẢN BIỆN



Nha Trang, ngày…tháng…năm 2011
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


ĐIỂM PHẢN BIỆN
Bằng số Bằng chữ


ĐIỂM CHUNG
Bằng số Bằng chữ


6


7
MỤC LỤC
Trang
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
LỜI NÓI ĐẦU 1

1.1 Đối tượng phạm vi nghiên cứu: 2
1.1.1 Đối tượng nghiên cứu (động cơ Diesel 4CH-JANMAR) 2
1.1.2 Phạm vi nghiên cứu 2
1.1.2.1 Về mặt lý thuyết 2
1.1.2.2 Về mặt thực nghiệm
1.1.3 Mục Tiêu Nghiên Cứu: 2
1.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng bộ điều khiển tự động tay ga điện tử trên
động cơ diesel 2

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TAY GA
CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN, LÊN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
TAY GA TRÊN ĐỘNG CƠ THÍ NGHIỆM
2.1 Cơ sở lý thuyết việc ứng dụng điều khiển tự động 4
2.2 Xác định các thông số điều khiển 15
2.2.1 Các thông số kỹ thuật động cơ Yanmar 4CH 15
2.2.2 Thực nghiệm tìm mối quan hệ giữa công suất động cơ và hai thông số:
Nhiệt độ khí xả , tốc độ vòng quay 18

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TAY GA ĐIỆN
TỬ
3.1 Các yêu cầu kỹ thuật với bộ điều khiển. 25
3.2 Lựa chọn phương án điều khiển và giải thuật điều khiển. 25
8
3.3 Sơ đồ khối và các chức năng điều khiển. 55
3.3.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển. 56
3.3.1.1 Khối đo thông số đầu vào: 56
3.3.1.2. Bộ xử lý trung tâm –ECU 56
3.3.1.3 Khối đầu ra:
3.3.2 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống 57
3.3.2.1 Cảm biến nhiệt độ khí xả 57

3.3.2.2 Cảm biến tốc độ quay của động cơ . 59
3.3.2.3 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 60
3.3.2.4 Thiết bị hiển thị: 60
3.3.2.5 ECU 60
3.3.2.6 Cơ cấu chấp hành- Động cơ trợ động 68
3.3.3 Thiết kế mạch điều khiển: 70

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
4.1 Mục đích chạy thử nghiệm 72
4.2 Thực nghiệm hoạt động của bộ điều khiển trên động cơ. 72
4.2.1 Trang thiết bị thí nghiệm để phục vụ cho quá trình thí nghiệm. 72
4.2.2 Sơ đồ bố trí thực nghiệm. 72
4.2.3 Chạy thực nghiệm 74
4.2.4 Kết quả chạy thử nghiệm, nhận xét 75

KẾT LUẬN VÀ XUẤT Ý KIẾN 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77
9
LỜI NÓI ĐẦU

Trong xu thế hội nhập, thương mại hóa toàn cầu, ngành vận tải chiếm
một vị trí quan trọng đặc biệt là vận tải đường thủy. Tính riêng năm 2010 vận
tải đường biển chiếm tới 90% thị trường vận tải toàn cầu. Với lợi thế bờ biển
dài, cùng với hàng chục ngàn km đường sông, hồ nội địa như nước ta, vận tải
qua đường thủy càng mang một ý nghĩa to lớn.
Để đáp ứng nhu cầu quan trọng và cấp thiết của ngành giao thông mũi
nhọn này, những phát minh, cải tiến về động cơ diesel tàu thủy cũng trở thành
vấn đề quan trọng và cấp bách hơn bao giờ hết.
Một trong những hướng nghiên cứu đó là tự động hóa Diesel tàu thủy.
Quá trình tự động hóa không chỉ giúp thay thế, giải phóng sức lao động con

người mà còn mang lại nhiều ưu thế hơn trong quá trình khai thác, về tốc độ xử
lý cũng như khả năng giám sát.
Công nghệ tự động Diesel tàu thủy mới chỉ được ứng dụng cho các tàu
lớn, hiện đại với giá thành rất cao và đòi hỏi nghiêm ngặt về trình độ quản lý.
Hiện nay, tôi đang thực hiện đề tài “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ
TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TAY GA ĐIỆN TỬ CHO ĐỘNG CƠ
YANMAR 4CH TẠI PHÒNG THỰC HÀNH BỘ MÔN ĐỘNG LỰC.” Đề tài
ứng dụng các giải thuật để chế tạo bộ điều khiển tự động động cơ dựa trên sự
thay đổi của các thông số trong quá trình làm việc của động cơ.
Đề tài của tôi gồm có 4 chương:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết điều khiển tự động tay của bộ điều
khiển, lên phương án điều khiển tự động tay ga trên động cơ thí nghiệm.
Chương 3: Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển tự động tay ga điện tử
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm
Làm đề tài tốt nghiệp đã giúp tôi củng cố thêm kiến thức đã được học và
học hỏi được nhiều kiến thức mới. Với sự hướng dẫn tận tình của Th.S Đoàn
Phước Thọ nay tôi đã hoàn thành đề tài của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn Th.S Đoàn Phước Thọ, các Thầy trong bộ môn
động lực và các bạn đã giúp tôi hoàn thành đề tài này.
Nha Trang, tháng 7 năm 2011
Sinh viên thực hiện
10
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Đối tượng phạm vi nghiên cứu
1.1.1. Đối tượng nghiên cứu
Động cơ Diesel 4CH-YANMAR
1.1.2. Phạm vi nghiên cứu
1.1.2.1. Về mặt lý thuyết
- Nghiên cứu, tìm hiểu các thông số kỹ thuật của động cơ.

- Nghiên cứu đặc tính của động cơ, phản ứng của động cơ khi làm việc ở
các chế độ khác nhau. Cụ thể là mối liên quan giữa các thông số như công suất,
tốc độ, nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nước làm mát, vv trong quá trình động cơ làm
- Tìm giải pháp điều khiển tay ga động cơ Diesel 4CH- YANMAR
- Thiết kế chế tạo bộ điều khiển tay ga điện tử cho động cơ.
1.1.2.2. Về mặt thực nghiệm
- Chế tạo bộ điều khiển tự động tay ga điện tử cho động cơ YANMAR
4CH
- Chạy thử nghiệm động cơ.
- Đo đạc các thông số của động cơ trong quá trình thí nghiệm
- Phân tích đánh giá kết quả thu được.
1.1.3. Mục tiêu nghiên cứu:
“Nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ điều khiển tự động tay ga điện tử cho
động cơ YANMAR 4CH tại phòng thực hành bộ môn động lực”
1.2. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng bộ điều khiển tự động tay ga điện tử
trên động cơ diesel.
Với sự phát triển của khoa học công nghệ, động cơ diesel ngày nay được
trang bị rất nhiều hệ thống giám sát và điều khiển tự động. Mọi thông số chi
tiết về trạng thái của động cơ đều được nắm bắt và kiểm soát trong suốt quá
trình động cơ hoạt động nhằm đảm bảo trước hết là sự an toàn sau đó là tính
kinh tế và các chỉ tiêu khác.
Giám sát quá trình khởi động và đảm bảo các thông số vận hành của
động cơ có các khối Auto start controller như ASM 150, ASM 170, ASM 710,
vv
11

Hình 1-1: bộ giám sát Automatic Engine controller ES52 và lưu đồ ứng dụng
của ECU-9907 trong điều điều khiển tự động động cơ
Ở các tàu lớn và hiện đại, điều khiển nhiên liệu tự động đã được ứng dụng
tuy nhiên giá thành rất đắt và đòi hỏi nhân viên vận hành có trình độ chuyên môn
cao.

Ở Việt Nam, các ứng dụng mới chỉ dừng lại ở mức cảnh báo. Dựa vào các
cảm biến tín hiệu áp suất dầu bôi trơn, áp suất cực đại Pz, cảm biến tốc độ, nhiệt độ
nước làm mát để giám sát, cảnh báo khi các thông số đó không đạt yêu cầu.

12
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TAY
GA CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN, LÊN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ
ĐỘNG TAY GA TRÊN ĐỘNG CƠ THÍ NGHIỆM

2.1. Cơ sở lý thuyết việc ứng dụng điều khiển tự động.
Ở các động cơ tàu thủy cỡ lớn và hiện đại các thiết bị điều khiển tự động
thường đi kèm với máy và có giá thành rất đắt, đòi hỏi trình độ vận hành cao.
Đây không phải là đồi tượng nghiên cứu của đề tài.
Với các động cơ máy nhỏ ngày nay thường chỉ có các thiết bị đo lường,
hiển thị tốc độ vòng quay, áp suất dầu bôi trơn, nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nước
làm mát …vv và cảnh báo khi các thông số này không nằm trong phạm vi cho
phép. Đây chính là đối tượng nghiên cứu của đề tài nói chung và trên động cơ
YANMAR 4CH nói riêng.
Điều khiển tự động tay ga là quá trình tự thay đổi lượng nhiên liệu cung

cấp cho chu trình, từ đó thay đổi công suất phát ra của động cơ sao cho phù hợp
với tải, chế độ khai thác hợp lý mà vẫn đảm bảo được trước hết là chỉ tiêu an
toàn, kinh tế.
2.1.1 Tiêu chí xác định quá tải động cơ trên cơ sở nhiệt độ khí xả và tốc độ
vòng quay
2.1.1.1. Tải trọng cơ
2.1.1.1.1. Định nghĩa
Là khái niệm đặc trưng bởi ứng suất, biến dạng, áp suất trong các phần
tử tĩnh tại, chuyển động và trong các cụm lắp ghép dưới tác dụng tải trọng cơ
học khi động cơ làm việc.
2.1.1.1.2. Các chỉ tiêu đánh giá
Ứng suất cơ của động cơ được đặc trưng bằng giá trị và sự thay đổi của
ứng suất, bằng sự biến dạng, bằng áp suất riêng xuất hiện trong các chi tiết của
bệ máy và trong các cơ cấu chuyển động cũng như trong các khâu liên kết dưới
tác dụng của phụ tải cơ. Khả năng làm việc của các chi tiết, các thiết bị dẫn
động, các ổ đỡ, điều kiện bôi trơn, sự mài mòn và khả năng xuất hiện sự “mỏi”
của vật liệu v.v. đều phụ thuộc vào ứng suất cơ của động cơ.
13
Để đo được ứng suất, biến dạng và ứng suất riêng người ta gặp rất nhiều
khó khăn về mặt kỹ thuật. Chính vì vậy, những đại lượng ấy trong khai thác
thường được kiểm tra gián tiếp. Vấn đề quan trọng là thiết lập những thông số
gián tiếp nào để chúng có khả năng phản ảnh tương đối chính xác ứng suất cơ
của động cơ giúp cho việc kiểm tra và phân tích trong quá trình khai thác được
dễ dàng.
Đối với những động cơ cho trước có những kích thước cụ thể, những chỉ
tiêu ấy là lực khí cháy và lực quán tính của các khối lượng chuyển động. Các
lực ấy luôn luôn thay đổi, cho nên các chỉ tiêu của ứng suất cơ cũng phản ảnh
lên giá trị, tính chất, đặc điểm tác dụng của chúng theo thời gian.
Các thông số động của chu trình công tác và của động cơ sẽ thỏa mãn điều
kiện nêu trên. Các thông số động của chu trình công tác là các thông số cơ bản bao

gồm:
- Áp suất cháy cực đại p
z
: p
z
(kG/cm
2
) được dùng để tính toán sức bền của
động cơ.

-Mức độ tăng áp suất: l =
c
z
p
p

-Tốc độ tăng áp suất trung bình:
w =
j
D
D
p

Ở đây,

p
D
= p
z
– p

c
;

j
D
= φ
z
– φ
c
;
φ
z
,φ
c
– góc quay của trục khuỷu tương ứng với điểm Z (p
z
) và điểm C (p
c
).

-Tốc độ tăng áp suất cực đại:
w
max
= (
j
d
dp
)
max
14

Áp suất cháy lớn nhất p
z
xác định giá trị của lực, còn các thông số λ và
j
D
D
p
xác định đặc tính của lực.
Tải trọng cơ học lớn nhất khi p
z
, l, w đạt giá trị cực đại.
Các thông số động của quá trình công tác thực tế được đánh giá bằng
ứng suất cơ của động cơ và dễ dàng kiểm tra bằng thiết bị đo công suất chỉ thị
cơ khí bình thường (Indicator). Giá trị
j
D
D
p
được xác định theo đồ thị công chỉ
thị khai triển hoặc ô-xi-lô-gram. Đại lượng cần quan tâm nhất là áp suất cháy
cực đại p
z
. Giá trị p
z
trong khai thác không được phép lớn hơn giá trị p
z
được
chỉ dẫn trong tài liệu của nhà máy chế tạo quy định. Đối với một số chế độ,
điều đó đảm bảo chắc chắn tránh khỏi hiện tượng quá tải của động cơ về ứng
suất cơ.

2.1.1.2. Tải trọng nhiệt
2.1.1.2.1. Định nghĩa
Là khái niệm đặc trưng bởi ứng suất, biến dạng trong các phần tử (chi
tiết máy), dưới tác dụng của tải trọng nhiệt khi động cơ làm việc.
2.1.1.2.2. Các chỉ tiêu đánh giá
Khi động cơ làm việc các chi tiết như nắp xilanh, xilanh, pittông, vòng
găng, các xupap luôn luôn cọ xát trực tiếp với khí cháy, chúng không chỉ chịu
phụ tải cơ mà cả phụ tải nhiệt. Chính vì vậy, sự xuất hiện của ứng suất nhiệt và
sự biến dạng của các chi tiết làm cho dầu bôi trơn ở các bề mặt trượt cáu bẩn,
gây nên độ mài mòn lớn. Do vậy, trạng thái nhiệt của nhóm pittông-xilanh xác định
khả năng công tác, độ tin cậy, an toàn của những chi tiết này trong khai thác và ứng
suất nhiệt đã trở thành một trong những tiêu chuẩn cơ bản đánh giá trạng thái làm
viêc của động cơ.
Hiện nay, người ta lấy nhiệt độ của thành vách xilanh và độ giáng nhiệt
trong các vách làm cơ sở để xem xét các chỉ tiêu ứng xuất nhiệt. Ví dụ nhiệt độ
sơmi xilanh, nhiệt độ của mặt gương xilanh xác định trạng thái màng dầu bôi
trơn, điều kiện bôi trơn và độ mài mòn, còn độ giáng nhiệt ∆T và nhiệt độ trung
bình của chiều dày vách xilanh lại đăc trưng cho ứng suất nhiệt, tức là đặt trưng
15
cho sự biến dạng của các chi tiết, sự thay đổi hình dáng hình học, sự xuất hiện
các vết nứt, vết xước và mài mòn cục bộ.
Trạng thái nhiệt của động cơ trong khai thác được đánh giá theo nhiệt độ
làm mát, nhiệt độ khí xả, áp suất chỉ thị bình quân và vị trí của tay ga nhiên
liệu. Nếu những thông số này nằm trong giới hạn xác định và tuân theo đầy đủ
quy tắc khai thác kỹ thuật thì trạng thái nhiệt của động cơ được đảm bảo, động
cơ hoạt động bình thường, tin cậy, không hư hỏng.
Tuy nhiên, trong thực tế khai thác do thay đổi điều kiện hàng hải do
sóng gió, chiều chìm của tàu, trạng thái chân vịt và trạng thái kỹ thuật của động
cơ chính nên luôn có sự sai lệch giữa các thông số khai thác với các thông số
tiêu chuẩn. Do vậy không dễ dàng chọn lựa phụ tải tối ưu cho hệ thống.

Việc sử dụng tăng áp động cơ cũng dẫn đến làm tăng mức độ ứng suất
nhiệt, nên có hiệu quả làm giảm độ bền của các chi tiết.
Như vậy, cần phải hiểu rõ ảnh hưởng của các thông số của quá trình
công tác và điều kiện làm mát đối với chỉ tiêu ứng suất nhiệt. Mặt khác phải
đánh giá trạng thái nhiệt của động cơ trên cơ sở những chỉ tiêu tổng hợp của
ứng suất nhiệt.
Chỉ tiêu ứng suất nhiệt được tính toán thông qua độ giảm nhiệt độ thành
vách của chi tiết máy khi tiếp xúc với nguồn nhiệt và giá trị được xác định theo biểu
thức sau:
σ
t
=
)1(2

m
a
-
DtE
L
(1.1)
Trong đó :
E: Mô đun đàn hồi của vật liệu
a
L
: Hệ số giãn nở của vật liệu
Dt: Độ giảm nhiệt độ qua thành vách chi tiết
m: Hệ số Piasson
Ứng suất nhiệt càng lớn khi độ giảm nhiệt độ qua thành vách chi tiết
càng nhiều. Điều đó giải thích hiện tượng nứt nắp xilanh, sơ mi xilanh; bó kẹt
nhóm piston…khi chế độ sử dụng, chế độ nhiệt bôi trơn và làm mát sai qui

định.
16
Trong thực tế sử dụng người ta đánh giá ứng suất nhiệt gián tiếp qua các
thông số của cường độ tải trọng nhiệt: Nhiệt độ cháy cực đại T
z
; nhiệt độ khí xả
T
x
và độ chênh lệch độ nước làm mát Dt.
2.1.2 Các đặc tính động cơ Diesel và miền làm việc
2.1.2.1. Đặc tính tốc độ của động cơ Diesel (Đặc tính công suất)
Là đặc tính biểu thị sự thay đổi các thông số công tác của động cơ theo
hàm tốc độ quay hoặc tốc độ tàu.
-Phương trình biểu diễn đặc tính tốc độ theo hàm tổng quát sau:
N
e
= f(n)
N
e
= f(v)
Hoặc N
e
= f(n, v)
1 Đặc tính tốc độ chia ra 2 loại:
2 Đặc tính ngoài (h
a
= const)
3 Đặc tính chân vịt (h
a
const)

2.1.2.2. Đặc tính ngoài (Đặc tính tốc độ khi h
a
= const)
Định nghĩa:
Đường đặc tính thu được khi lượng phun nhiên liệu vào động cơ theo
mỗi chu trình không thay đổi (h
a
= const)
Nói cách khác: Đặc tính ngoài của động cơ nêu lên mối quan hệ giữa các
chỉ tiêu cơ bản của động cơ với số vòng quay của nó, khi vị trí của cơ cấu điều
khiển lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình không đổi (h
a
= const).
Đối với những động cơ Diesel chính tàu thủy trang bị bộ điều tốc giới
hạn số vòng quay, thì tay ga (TG) nhiên liệu có khả năng đảm bảo chức năng
như bộ điều tốc với điều kiện h
a
= const có nghĩa là (TG) = const.

17


Hình 2-1. Đặc tính tốc độ trong khai thác
0 – 1: Đặc tính giới hạn: là đặc tính công suất giới hạn (N
g.h
)
0 – 2: Đặc tính lớn nhất: là đặc tính công suất thể hiện (N
max
) khả năng
phát ra công suất lớn nhất ở vòng quay định mức hoặc vòng quay lớn nhất.

0 – 3: Đặc tính ngoài (hay đặc tính định mức): là đặc tính công suất thể
hiện khả năng phát ra công suất lớn nhất ổn định, kinh tế nhất ứng với vòng quay
định mức.
0 – 4: Đặc tính khai thác: là đặc tính công suất được sử dụng rộng rãi
nhất trong quá trình khai thác động cơ. Đặc tính khai thác có giá trị nhỏ hơn
đặc tính định mức. Thông thường: N
KT
= (0,85 ÷ 0,95) N
n
0 – 5: Đặc tính phụ tải: là đặc tính công suất khi công suất phát ra của
động cơ nhỏ hơn công suất khai thác.
Sự thay đổi ứng suất cơ khi động cơ làm việc theo đặc tính ngoài:
Đối với động cơ làm việc theo đặc tính ngoài sự giảm số vòng quay gây
nên sự dịch chuyển điểm bắt đầu cháy trên đường nén. Chính và thế, cho nên
18
các phụ tải tác dụng lên các chi tiết chuyển động và bệ máy tăng lên, mặc dầu
áp suất p
c
cuối quá trình nén không lớn nhưng mức độ tăng của p
z
nhanh, kéo
theo tỷ số tăng áp suất λ và tốc độ tăng áp suất theo góc quay của trục khuỷu
∆p/∆φ cũng tăng lên.
Mặt khác, với sự tăng áp suất p
z
làm tăng phụ tải của động cơ và rung
động động cơ. Khi nhiên liệu bị cháy sớm gây cho động cơ làm việc “cứng” và
trong trường hợp này còn gây ra sự thay đổi lớn về giá trị của mômen xoắn và
mômen lật của động cơ.
Sự thay đổi ứng suất nhiệt khi động cơ làm việc theo đặc tính ngoài:

Sự làm việc của động cơ trên các chế độ của đặc tính ngoài cũng xảy ra
với sự thay đổi ứng suất nhiệt. Rõ ràng rằng, với sự giảm tần số của các chu
trình nhất thiết phải giảm chi phí nhiên liệu cho động cơ và phụ tải nhiệt trung
bình của xilanh được tính theo công thức:
(q
tb
)
∑
= K
q
.h
a
.η
c
.n.q
lm
= K’
q
.p
e
.g
e
.n.q
lm
(1.2)
Ở đây,
K
q
, K’
q

– là hằng số
q
lm
– nhiệt làm mát
Giảm giá trị (q
tb
)
∑
có thể làm giảm nhiệt độ tường vách và ứng suất
nhiệt của động cơ giảm đi.
Như vậy, đối với những động cơ làm việc theo đặc tính ngoài (định mức
hoặc chế độ khai thác) khi giảm số vòng quay có khả năng tăng ứng suất cơ và
ứng suất nhiệt.
2.1.2.3. Sự phối hợp công tác của động cơ và chân vịt
Với giả thiết rằng tàu chạy ở chế độ hành trình, trong vùng yên sóng gió,
nước chảy ổn định, tàu chạy thẳng,…hay nói khác trong điều kiện công tác này
ta hoàn toàn có được đường đặc tính chân vịt không thay đổi C
o
. Động cơ đang
làm việc với đặc tính ngoài (M
n
= const) ứng với lượng cung cấp nhiên liệu cho
mỗi chu trình không thay đổi (h
a
= const).

19


Hình 2-2: Sự phối hợp công tác giữa máy và chân vịt khi điều kiện khai

thác không thay đổi.
Như vậy điểm phối hợp công tác sẽ là điểm cắt nhau của đặc tính chân
vịt C
o
với đặc tính ngoài tại N. Tại đây mômen sinh ra của động cơ cân bằng
với mômen cản trên trục nhân vịt, lực đẩy cân bằng với lực cản và giá trị công
suất tại N được gọi là công suất định mức (N
n
) và tương ứng với nó có vòng
quay định mức (n
n
).
Tuy nhiên trong thực tế khai thác, không phải lúc nào chúng ta cũng sử
dụng được công suất tại điểm N. Chẳng hạn khi động cơ đã cũ, khi một vài
xilanh bị hỏng, khi điều động tàu trong luồng ra vào cảng. Trong trường hợp
này chúng ta phải thay đổi tay ga động cơ (tương ứng với thay đổi lượng nhiên
liệu cung cấp cho mỗi chu trình) để có được công suất hợp lý.
Một lý do nữa mà ta thường sử dụng công suất phát ra của động cơ nhỏ
hơn công suất định mức là một phần công suất dùng để dự trữ khắc phục khi
phụ tải tăng đột ngột hoặc vì mục đích để tăng cao tuổi thọ cho động cơ.
20
Do đó điểm phối hợp công tác thường là điểm K. Điểm K được gọi là
điểm khai thác hợp lý. Giá trị công suất phát ra tại điểm K thường nằm trong
khoảng N
k
= (0,85 ÷ 0,95) N
N
.
2.1.2.4. Phạm vi công tác của động cơ
Với các giả thiết như trên thì ta sẽ có được phạm vi công tác của động

cơ gồm giới hạn của các đường đặc tính sau:


Hình 2-3: Phạm vi công tác của động cơ lai chân vịt định bước
C
u
: Đặc tính chân vịt khi thử tàu tại bến
h
max
: Đặc tính công suất lớn nhất của động cơ
h
n
: Đặc tính công suất định mức
h
KT
: Đặc tính công suất khai thác
n
max
: Giới hạn vòng quay lớn nhất
n
min
: Giới hạn vòng quay tối thiểu ổn định của động cơ
Như vậy phạm vi công tác của động cơ với chân vịt là phần diện tích của
21
3 vùng: 1 + 2 + 3 trong đó:
Vùng 1: Trong vùng này động cơ thường hoạt động ở các chế độ nhỏ tải
như khi khởi động động cơ, khi tàu chạy trong luồng lạch, hoặc khi động cơ đã quá
cũ,…
Vùng 2: Là vùng thể hiện khả năng phát công suất tối ưu của động cơ,
khi động cơ công tác trong vùng này sẽ cho ta hiệu quả kinh tế tốt nhất. Chỉ sử

dụng khi động cơ còn mới hoặc điều kiện khai thác thuận lợi.
Vùng 3: Thể hiện khả năng phát công suất lớn nhất của động cơ. Chỉ sử
dụng trong quá trình thử tàu khi xuất xưởng hoặc sau khi sửa chữa lớn có sự
giám sát của đăng kiểm.
Như vậy dựa vào đường đặc tính ngoài của động cơ, với sự thay đổi
thước ga nhiên liệu ứng với sự chuyển từ một đặc tính phụ tải ngoài này đến
một đặc tính phụ tải ngoài khác, chế độ tốc độ mới được hình thành lập trên sự
cân bằng mô men của động cơ với mô men của sức cản. Và điểm làm việc
được xác định bởi điểm cắt nhau giữa đặc tính ngoài của động cơ và đặc tính
phụ tải. Điểm làm việc này nằm trong miền làm việc cho phép của từng động
cơ.
Đó chính là cơ sở lý thuyết để áp dụng điều khiển tự động: Công suất
động cơ phát ra đáp ứng công suất yêu cầu đồng thời động cơ không bị quá tải
về cả trạng thái cơ và trạng thái nhiệt.
Tuy nhiên trên các động cơ lớn người ta giám sát công suất của động cơ
qua các thông số như : Áp suất cháy cực đại Pz, áp suất chỉ thị bình quân Pi
hoặc dùng các cảm biến hiện đại đo mô men xoắn tích hợp trực tiếp trong động
cơ. Phương pháp này khó áp dụng cho đối tượng nghiên cứu do yêu cầu về chi
phí và trình độ công nghệ.
Ngoài các phương pháp áp xác định công suất qua chỉ số Pi, Pz, hay
xoắn kế, qua lượng tiêu hao nhiên liệu, pháp xác định công suất qua nhiệt độ
khí xả cũng được đánh giá cao do tính chính xác và cách thức tiến hành đơn
giản.
22


Hình 2-4: Sự phụ thuộc của nhiệt độ khí xả vào công suất của động cơ Diesel
mẫu 18PC-2 – “xác định công suất và đặc tính của Diesel tàu thủy”- Nhà xuất
bản Giao thông vận tải.

Trên hình biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ khí xả với công suất động
cơ ứng với những giá trị tốc độ vòng quay khác nhau.
Nhận xét, ta thấy xác định công suất theo nhiệt độ khí xả có nhiều ưu
điểm hơn cả. Kết hợp với tốc độ vòng quay, kiểm soát hai giá trị này ta có thể
kiểm soát công suất động cơ đồng thời nhận biết và phòng ngừa quá tải cơ,
nhiệt một cách thuận lợi và linh hoạt nhất.
Để kiểm nghiệm lại mối quan hệ này ta tiến hành chạy thử và đo các
thông số trên động cơ thử nghiệm YANMAR 4CH.

23
2.2. Xác định các thông số điều khiển
Như đã phân tích ở mục 2.1 công suất động cơ và hai thông số: Nhiệt độ
khí xả, tốc độ vòng quay có mối quan hệ với nhau. Để kiểm nghiệm và thiết lập
mối quan hệ này, tôi tiến hành chạy thử nghiệm trên động cơ YANMAR 4CH.
2.2 .1 Các thông số kỹ thuật động cơ thí nghiệm



Động cơ 4CH là động cơ của hãng Yanmar dùng cho các loại tàu thủy
cỡ nhỏ. Động cơ 4CH là loại động cơ Diesel có 4 xilanh thẳng hàng. Làm mát
B
ộ góp khí nạp


Bơm cao áp
Bình l
ọc nhi
ên li
ệu

C
ần dừng động c
ơ

C
ần gạt ly hợp

C
ửa châm nhớt

Que thăm nh
ớt

Bơm tay

Que thăm nhớt
Cần gạt
ly hợp
Đ
ộng c
ơ kh
ởi động

Bình l
ọc nhớt

Bơm nư
ớc biển

Máy phát đi

ện

B
ộ góp khí nạp

Hình 2-5: Sơ đồ động cơ 4CH


L
ỗ thông h
ơi

24
hai vòng:
Ø Hệ kín: nước ngọt tuần hoàn kín làm mát cho động cơ.
Ø Hệ hở: nước ngoài tàu làm mát cho nước ngọt và dầu bôi trơn.
Động cơ 4CH là loại không tăng áp.

Bảng 2-1. Các thông số kỹ thuật của động cơ 4CH
Tên các thông số Đơn vị Giá trị
Kiểu động cơ 4CH
Kiểu buồng đốt Buồng cháy thống nhất
Số xilanh 4
Đường kính xilanh v
à
hành trình piston
mm(in) 105
´
125(4.13
´

4.92)
Dung lích xilanh l(cu.in) 4.330(264.21)
Công suất định mức HP/rpm 70/2300
Danh định Nhẹ Trung bình Nặng Đầu ra lớn nhất
Hp/rpm 83/2600 85/2400 70/2300
Tỷ số nén 16.4
Thứ tự nổ 1-2-4-3-1
Trục khuỷu Ngược chiều kim đồng hồ Hướng quay
Trục chân vịt Cùng chiều kim đồng hồ
Vị trí công suất Phía bánh đà
Hệ thống khởi động Khởi động điện
Kiểu làm mát Làm mát hai vòng
Bơm nước ngọt Bơm ly tâm, bánh răng truy
ền
động
Bơm nước biển Cánh cao su, truyền động đai




Bộ trao đổi nhiệt Sinh hàn dạng ống
25
Van hằng nhiệt Dạng bi
Độ giãn nở của két Nhờ van áp lực

Hệ thống làm mát
Dung lượng b
ình làm mát
nước ngọt
16 lít

Kiểu hệ thống Bôi trơn áp lực
Bơm dầu Bơm bánh răng
Bộ lọc dầu Lõi lọc bằng giấy hai lớp
Làm mát dầu Sinh hàn dạng ống, làm mát b
ằng
nước biển
Van điều chỉnh áp lực dầu Dạng trụ, với vít điều chỉnh ngoài



Hệ thống bôi trơn
Dung tích dầu 12.5 lít
Bơm cao áp Kiểu bosch - bơm cụm
Bộ điều tốc Điều tốc ly tâm nhiều chế độ
B
ộ tự động điều chỉnh thời
gian
Kiểu ly tâm
Vòi phun Nhiều lỗ
Góc phun sớm 18
o
Áp suất phun kg/cm
2
(psi) 210-230(2986-3271)
Bơm tay Kiểu piston



Hệ thống nhiên liệu
Bộ lọc nhiên liệu Lọc bằng giấy (hai lớp)

Trọng lượng Kg(Ib) 647(1427)
mm(in) 1258(49.58)
Chiều rộng mm(in) 705(27.76)
Chiều dài

Kích thư
ớc bánh răng
đảo chiều
Chiều cao mm(in) 1006(39.61)