Nghiên cứu hoàn thiện chương trình tính toán cho thiết bị phân tích quá trình công tác của động cơ đốt trong

THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016

Nghiên cứu hoàn thiện chương trình tính toán cho thiết bị phân tích
quá trình công tác của động cơ đốt trong
Completed research program for computational analysis equipment working process of
internal combustion engines
Nguyễn Trí Minh,
Trương Văn Đạo, Đồng Mạnh Hùng
Trường Đại học Hàng hải Việt Nam,

Tóm tắt
Việc nghiên cứu lý thuyết, điều chỉnh tối ưu nâng cao công suất cho động cơ đốt trong
là rất cần thiết trong quá trình nghiên cứu nhiên liệu mới, khai thác, sửa chữa động cơ đốt
trong. Hiện nay vẫn sử dụng thiết bị cơ khí, nhưng loại này có độ trễ lớn, độ chính xác thấp,
tùy thuộc vào kinh nghiệm của người sử dụng, rất khó để tính toán, so sánh và phân tích. Việc
sử dụng kỹ thuật số để đo lường và phân tích có lợi thế rõ ràng so với các hệ cơ khí: độ chính
xác rất cao, có khả năng tự động tính toán, đo đạc, phân tích rất nhiều thông số khác nhau
theo thời gian thực. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn thiết kế thiết bị đo đạc và phân tích
quá trình công tác của động cơ diesel bằng máy tính kết hợp với vi điều khiển.
Từ khóa: Công suất động cơ đốt trong, kỹ thuật số, đo đạc và phân tích, quá trình
công tác động cơ.
Abstract
The theoretical study, optimal correction enhance capacity for internal combustion
engines are essential in the process of researching the alternative fuel, operating, repairing
the internal combustion engine. Currently people use mechanical equipment, but this kind of
large delays, low accuracy and depending on the user experience and is difficult to calculate,
compare and analyze. Use of digital has major use to measure and analyze the evident
advantages compared with mechanical system: high accuracy, with the high ability to
automatically calculate, and analyze many parameters in real time. Our research focuses on
design instrumentation and analysis combustion characterises of the diesel engine by
computer integrating with microcontrollers.

Keywords: Capacity for internal combustion engines, digital, instrumentation and
analysis, combustion characterises.
1. Giới thiệu thiết bị
Hệ thống đo lường và phân tích quá trình công tác cho động cơ Diesel đã trở lên một
nhu cầu bức thiết đối với các kỹ sư trong việc thiết kế, khai thác, hiệu chỉnh tối ưu nâng cao
công suất và chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của hệ động lực tàu thuỷ. Xuất phát từ nhu cầu đó
một số hãng trên thế giới đã phát triển hệ thống này như AVL, Kistler, PCB,… Một trong
những trở ngại để có thể áp dụng thiết bị ngoại nhập đó là giá thành các hệ thống này thường
rất đắt. Theo chúng tôi biết, ở Việt Nam chưa có một cơ sở nghiên cứu hoặc công ty nào phát
triển những hệ thống như vậy. Bài viết này chúng tôi muốn giới thiệu một hệ thống dùng để
đo đạc và phân tích quá trình công tác cho động cơ đốt trong sử dụng máy vi tính kết hợp với
vi điều khiển (µC). Một số ưu điểm nổi bật đó là chính xác, tin cậy, giá thành hạ, dễ lắp đặt,
có nhiều tiện ích, có thể áp dụng cho bất kỳ động cơ đốt trong nào kể cả với động cơ cao tốc.
So sánh với các thiết bị nhập ngoại sản phẩm của chúng tôi có giá thành hạ, chi phí huấn
luyện, bảo dưỡng, thay thế thấp hơn, lắp đặt đơn giản, nhiều tiện ích như sau:
- Tốc độ truyền 1 MBps;
- Truyền xa đến 1 km;

HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016

176


THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016

Cách ly điện 2.4 kV;
Đo 2 kênh áp suất cháy, 1 kênh áp suất phun nhiên liệu;
Phần cứng chính xác, gọn nhẹ, dễ sử dụng;
Phần mềm thiết kế khoa học, dễ dùng, nhiều tiện ích;
Có nhiều tính toán, đồ thị hơn;

Thể hiện được góc đóng mở xupap trên đồ thị;
Có hay không có thiết bị xác định góc quay (Encoder hay Proximity) vẫn có thể đo
được;
- So sánh tất cả các đồ thị tính toán được theo thời gian;
- Tính chính xác công suất chỉ thị của động cơ đốt trong;
- Có thể so sánh dữ liệu giữa các lần đo khác nhau, các động cơ khác nhau;
- Có thể so sánh dữ liệu của các kiểu động cơ khác nhau (2/4 kỳ);
- Tín hiệu trung thực;
- Công cụ Engine Report, đơn giản, dễ dùng thuận tiện cho báo cáo, có tính năng tạo
Report từ File Template của những lần đo trước;
- Có thể xuất dữ liệu đo được ra File Excel dùng để nghiên cứu tiếp theo, các hãng
khác không có tính năng này.
2. Cơ sở lý thuyết, tính toán thiết kế thiết bị phân tích
Để tính toán các thông số động lực học cho động cơ đốt trong ta xây dựng mô hình
tính như sau:
-

Hình 2.1. Mô hình tính toán cho động cơ đốt trong

H: chiều cao từ đỉnh piston, D: đường kính xy lanh, P: lực do áp suất trong buồng đốt,
l: chiều dài biên, 2R: hành trình piston, α: góc quay trục khủy. γ: góc kẹp biên.
Tính mô men quay theo áp suất cháy
Theo hình 2.1 ta tính được công thức như sau:
M  p*S

 * D2
4

R
))

2
l ;

*
R N /m 
2* Cos(arcSin( Sin( ) ))
l
sin(  arcSin( Sin( )

(1)

Tính công suất chỉ thị
Và tính được công suất chỉ thị như sau:
R

P  p*S

 * D 2 sin(  arcSin( Sin( ) l )) 2*  * n
4

*

R
2* Cos(arcSin( Sin( ) ))
l

*

60

 kW 

(2)

Trong trường hợp động cơ có patanh bàn trượt cũng tương tự như trên.
Tính toán hành trình Piston h:

HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016

177


THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016

h  h0 + l  R  l.cos     R.Cos   . m

(3)

Tính % thể tích công tác của động cơ:

100*  h0  l  R  l.cos     R.Cos   
100* h

. % 
(4)
h0  2 R
h0  2 R
Sơ đồ kết nối thiết bị phân tích với động cơ
Để phân tích quá trình công tác cho động cơ đốt trong các thiết bị kiểm tra giám sát
được kết nối như sơ đồ sau:

h% 

Hình 2.2. Sơ đồ kết nối với động cơ

3. Thiết kế chế tạo thiết bị phân tích
Yêu cầu thiết kế
- Dải đo: đo áp suất cháy: 0 - 250 bar, đo áp suất cao áp 0 - 3000 bar;
- Thiết bị đơn giản, dễ lắp đặt và sử dụng cho tất cả các loại động cơ đang hoạt động;
- Vẽ các đồ thị P/φ, T/φ, M/φ, P/t, T/t, M/t, P/V, T/V, M/V,… và rất nhiều các đồ thị,
tính toán liên quan đến quá trình công tác của động cơ đốt trong;
- Xác định các giá trị Pc, Pz tốc độ tăng áp, vòng quay;
- Tính toán chính xác công suất chỉ thị Pi và rất nhiều các thông số khác;
- Vẽ đồ thị tốc độ Piston, giá trị cực đại và trung bình;
- So sánh sự không đồng đều Pc, Pz, công suất, vòng quay,… của các Cylinder.
Lựa chọn thiết kế kiểu dáng công nghiệp

Hình 3.1. Module thiết bị

Hình 3.2. Toàn bộ thiết bị

Phần cứng của thiết bị
HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016

178


THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016

Phần cứng được xây dựng bởi chương trình thiết kế mạch AD (Altium Designer) và
được lập trình vi điều khiển bằng ngôn ngữ C, làm nhiệm vụ thu thập, xử lý sơ bộ dữ liệu rồi

gửi cho PC (Personal computer).

Hình 3.3. Sơ đồ mạch điện

Hình 3.4. Mạch in 3D

Phần mềm: xử lý dữ liệu, tính toán, phân tích các thông số, hiển thị theo thời gian thực.
Các phần mền xử lý dữ liệu, tính toán, phân tích các thông số, hiển thị theo thời gian
thực như sau:

Hình 3.5. Giao diện chính

Hình 3.6. Các đồ thị và tính toán

Hình 3.7. So sánh các giá trị tính toán được

Hình 3.8. Đồ thị P/V

4. Kết quả quá trình đo thực tế
Quá trình đo đồ thị quá trình cháy của động cơ chính HANSHIN 6L27BHS Power:
700PS Speed: 400 RPM dưới tàu Sao Biển được thể hiện như hình 4.1, 4.2.

HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016

179


THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016

Hình 4.1. So sánh các đồ thị trên P/ø

Hình 4.2. So sánh các đồ thị tại TDC

Sau khi đo thực tế thì thiết bị phân tích quá trình cháy cho xuất ra các thông số của
động cơ thể hiện như bảng 4.1.
Bảng 4.1. Quá trình đo và tính toán có số liệu
Pmax
(bar)

Pc (bar)

Pc/Pmax

Góc phun
sớm

Pi (bar)

Speed
(RPM)

Power
(kW)

Cyl1 / 0

44.08

34.70

0.79

5.69

6.71

300.26

38.45

Cyl2 / 0

44.34

32.75

0.74

5.82

6.66

303.27

38.55

Cyl3 / 0

46.71

35.92

0.77

6.64

7.51

300.39

43.05

Cyl4 / 0

45.37

35.96

0.79

2.87

7.03

301.61

40.44

Cyl5 / 0

46.06

36.65

0.80

3.73

6.78

303.89

39.35

Cyl6 / 0

47.76

37.63

0.79

4.63

7.29

303.97

42.27

Average

45.72

35.60

0.78

4.90

7.00

302.23

40.35

SUM

242.11

Qua quá trình đo đạc phân tích của thiết bị đã đánh giá được tình trạng, quá trình làm
việc của động cơ như sau:
- Sự không đồng đều Pc, Pz, Góc phun sớm, chậm cháy, cháy rớt, tỷ số tăng áp
Pc/Pz, công suất giữa các xy lanh.
Qua đó có thể:
- Cân bằng các giá trị của các xy lanh để động cơ hoạt động ổn định, tin cậy, nâng
cao công suất, hiệu suất, tuổi thọ động cơ.
Bảng 4.2. Đánh giá tình trạng động cơ
Các giá trị

STT

Có thể đánh giá được

1.

Pc

Mức độ dò lọt.
Việc nạp khí có hoàn thiện không.

2.

Pz

Chất lượng cháy, lượng cấp nhiên liệu.

3.

Góc phun sớm

Góc phun sớm, mức độ cháy trễ.

4.

Mức độ cháy trễ

Chất lượng phun, vòi phun

5.

Tỷ số Pc/Pz

Tỷ lệ dư lượng không khí, chất lượng cháy.

6.

Công suất

Sự đồng đều công suất.

5. Kết luận
Thiết bị phân tích quá trình công tác cho động cơ là thiết bị hữu ích trong lĩnh vực
khai thác, sửa chữa và nghiên cứu về động cơ đốt trong, nhưng vì nhiều lý do, trong thời gian
khá dài (một số hãng bắt đầu phát triển từ năm 1950) các hãng phát triển về thiết bị này vẫn
chưa đưa ra thiết bị gần gũi với người dùng: như giá thành, tiện lợi, gọn nhẹ, dễ dùng, chính

HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016

180


THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016

xác,… Chúng tôi xây dựng thiết bị này với mong muốn đưa ra 1 sản phẩm đến gần hơn, mang
lại nhiều lợi ích cho việc huấn luyện, bảo dưỡng khai thác động cơ đốt trong nói chung và
động cơ diesel tàu thủy nói riêng một cách hiệu quả.
Tài liệu tham khảo
[1]. Microchip datasheet: dsPIC30F Family Reference Manual.
[2]. Microchip dsPIC compile.

[3]. IC datasheet.
[4]. Sensor datasheet.
[5]. GS.TS Nguyễn Tất Tiến, Nguyên lý động cơ đốt trong.
[6]. MSVS2013, Altium Designed.

HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016

181