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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

HỒ ĐỨC TUẤN

NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP MƠ HÌNH CHẨN ĐỐN ĐỂ
ĐÁNH GIÁ TRẠNG THÁI KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ
DIESEL MÁY CHÍNH TÀU CÁ VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

KHÁNH HÒA - 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

HỒ ĐỨC TUẤN

NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP MƠ HÌNH CHẨN ĐỐN ĐỂ
ĐÁNH GIÁ TRẠNG THÁI KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ
DIESEL MÁY CHÍNH TÀU CÁ VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Ngành đào tạo: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số: 9520116
Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TS. Trần Thanh Hải Tùng
TS. Qch Hồi Nam

KHÁNH HỊA - 2021


Cơng trình được hồn thành tại Trường Đại học Nha Trang

Người hướng 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 Lưu



LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu của đề tài: “Nghiên cứu thiết lập mơ
hình chẩn đoán để đánh giá trạng thái kỹ thuật của động cơ diesel máy chính tàu
cá Việt Nam” là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi và chưa từng được cơng bố
trong bất cứ cơng 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 q trình thực hiện luận án, tơi luôn nhận được sự tạo điều kiện của Ban
Giám hiệu, quý Phòng, Khoa của Trường Đại học Nha Trang. Đặc biệt là sự hướng
dẫn tận tình của PGS. TS. Trần Thanh Hải Tùng – Đại học Đà Nẵng và TS. Quách
Hoài Nam – Trường Đại học Nha Trang, đã truyền thụ kiến thức và động viên để tơi
hồn thành cơng trình nghiên cứu. Qua đây, tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến sự giúp
đỡ này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học
Nha Trang đã giúp đỡ và có những ý kiến đóng góp quý báu cho luận án.
Xin chân thành cảm ơn cán bộ và nhân viên Trung tâm thí nghiệm thực hành
Trường Đại học Nha Trang, các đồng nghiệp công tác tại Trung tâm đăng kiểm xe cơ
giới tỉnh Khánh Hòa, đã hỗ trợ về nhân lực và trang thiết bị để q trình thực nghiệm
được hồn thành.
Tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đơn vị và các đồng nghiệp đã giúp đỡ, động
viên 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

i


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 cơng 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 MƠ HÌNH CHẨN ĐỐN TRẠNG
THÁI KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU CÁ CÔNG SUẤT NHỎ...........21

ii


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 thơng số đánh giá và chẩn đốn trạng thái kỹ thuật....................................22
2.1.3. u cầu đối với các thơng số chẩn đốn............................................................ 23
2.1.4. Bộ thơng số chẩn đốn....................................................................................... 24
2.1.5. Phương pháp xác định bộ thơng số chẩn đốn................................................... 33
2.2. Quan hệ thơng số đánh giá trạng thái kỹ thuật với thông số chẩn đốn...............34
2.2.1. Quan hệ của cơng suất và suất tiêu hao nhiên liệu với thơng số chẩn đốn.......34
2.2.2. Quan hệ phát thải bồ hóng và NOx với thơng 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 mơ phỏng q trình phun nhiên liệu..........42
2.3.2. Phương pháp thực nghiệm................................................................................. 46
2.4. Đề xuất mơ hình chẩn đốn 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 MƠ PHỎNG..............54
3.1. Mơ 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 mơ phỏng.......................................................................................... 54
3.1.2. Xây dựng mơ hình mô phỏng hệ thống phun nhiên liệu....................................58
3.1.3. Kết quả nghiên cứu mơ phỏng trên phần mềm AVL Boost/Hydsim..................63
3.2. Tính tốn 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
iii


4.4. Xây dựng cơng thức cho mơ hình chẩn đốn..................................................... 103
Kết luận Chương 4:................................................................................................... 109
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ............................................................................ 111
KẾT LUẬN............................................................................................................... 111
KHUYẾN NGHỊ....................................................................................................... 112
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN LUẬN ÁN.........113
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 114
PHỤ LỤC…………………………………………………………………………...119

iv


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 vịi 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 mơ tả chu trình cơng 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 vịi 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 mơ 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. Mơ hình vật lý tia phun nhiên liệu............................................................. 45
Hình 2.15. Mơ đun hóa các bộ phận để chẩn đốn hư hỏng động cơ........................... 46
Hình 2.16. Sơ đồ mơ hình chẩn đốn TTKT động cơ diesel máy chính tàu cá...........48
Hình 3.1. Sơ đồ q trình mơ phỏng............................................................................ 58
Hình 3.2. Sơ đồ ngun lý hệ thống phun nhiên liệu động cơ Yanmar 4CHE.............59
Hình 3.3. Mơ hình biên dạng cam - bơm cao áp đến đường ống cao áp.....................61
Hình 3.4. Mơ hình ống cao áp đến vịi phun................................................................ 61
Hình 3.5. Mơ 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
v


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

khơng 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 khơng 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
khơng 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 thơng 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
vi


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
thơng số góc nón tia phun (a) và độ xuyên sâu tia phun (b)......................................... 85
Hình 3.32. Quy luật thay đổi của cơng 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 phịng 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. Cơng 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 lị xo vịi 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 cơng 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 cơng 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
vii


Hình 4.15. Phổ quy luật cơng suất theo độ giảm áp suất trong ống cao áp và áp suất
cuối kỳ nén................................................................................................................ 106
Hình 4.16. Phổ quy luật phát thải bồ hóng theo độ giảm áp suất trong ống cao áp và áp
suất cuối kỳ nén......................................................................................................... 107
Hình 4.17. Phổ quy luật phát thải NOx theo độ giảm áp suất trong ống cao áp và

áp

suất 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 cơng suất, phát thải bồ hóng và NOx.......................108

viii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Số lượng động cơ diesel sản xuất và phạm vi ứng dụng (Đơn vị: x100) ....... 8
Bảng 1.2. Thông số kỹ thuật của một số động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp .......

10

Bảng 1.3. Khối lượng kiểm tra đăng kiểm Thiết bị động lực .......................................

13

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 ............................................... 48
Bảng 3.1. Chế độ mô phỏng .......................................................................................... 57
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 mơ hình mơ phỏng ............................................... 59
Bảng 3.4. Thông số diễn biến áp suất trong ống cao áp và áp suất phun ở các trường
hợp A giảm 6 ÷ 10% ...................................................................................................... 68
Bảng 3.5. Thơng số hành trình nâng kim tương ứng với các trường hợp

A

hư hỏng 6%, 8%, 10% ................................................................................................... 70

Bảng 3.6. Thông số tia phun tương ứng với các trường hợp A hư hỏng 6 ÷ 10% ........ 71
Bảng 3.7. Thơng số diễn biến áp suất trong ống cao áp và áp suất phun ở các trường
hợp A giảm 12 ÷ 16% .................................................................................................... 73
Bảng 3. 8. Hành trình nâng kim tương ứng với các trường hợp A hư hỏng 12 ÷ 16% . 74
Bảng 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% ..................................................... 76
Bảng 3.11. Thông số diễn biến áp suất trong ống cao áp và áp suất phun ở các trường
78

hợp B giảm 6 ÷ 10% ......................................................................................................

Bảng 3.12. Thơng số

diễn biến áp suất trong ống

cao áp và áp suất phun

ở các trường hợp B giảm 12 - 16% ...............................................................................
Bảng 3.13. Thông số

diễn biến áp suất trong ống

80

cao áp và áp suất phun

ở các trường hợp B giảm 18 ÷ 20% ...............................................................................

82

Bảng 3.14. Thông số tia phun tương ứng với các trường hợp B hư hỏng 18 ÷ 20%
Bảng 3.15. So sánh ảnh hưởng của A và B đến mức độ sụt

.... 83

giảm áp suất

trong ống cao áp và áp suất phun ..................................................................................

84

Bảng 4.1. Thông số cơ bản động cơ diesel Yanmar 4CHE ...........................................

91

Bảng 4.2. Chế độ thực nghiệm ......................................................................................

92

Bảng 4.3. So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm về công suất và phát thải của ĐC
khi áp suất phun giảm so với TTBĐ............................................................................
103 ix


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
BCA - VP

Bơm cao áp – vòi phun

Cam_proflie

Biên dạng cam

CO CV 0CA

Cacbon monoxyde

CR DI

Mã lực

DHNTB

0Crank

ĐCĐT ĐC

Compression ratio (Tỷ số nén)

ĐCT ĐCD

Dirrect injection (Phun trực tiếp)

HC HTPNL

Duyên hải Nam Trung Bộ

Inj IVC

Động cơ đốt trong

NXB pc p

Động cơ

angle (Độ góc quay trục khuỷu)

Điểm chết trên
Điểm chết dưới
Hydrocacbon
Hệ thống phun nhiên liệu
Injection (Phun nhiên liệu)
Inlet valve closure (Xupáp nạp đóng)
Nhà xuất bản
Áp suất cuối kỳ nén
Áp suất phun
p

Áp suất trong ống cao áp

PM

Particulate metter (Phát thải hạt)

SĐCT

Sau điểm chết trên

SMD

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

SOC

Start Oil Combustion (Bắt đầu cháy)

SOI

Start Oil Injection (Bắt đầu phun)

TĐCT

Trước điểm chết trên

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TTBĐ

Tình trạng ban đầu

TTKT

Trạng thái kỹ thuật

v/ph

Vòng /phút

x

DANH MỤC KÝ HIỆU


CHỮ LA TINH
2

Ah
au

: Diện tích mặt cắt lỗ phun,

mm

: Hệ số của dịng xốy trong tia phun,

-

b

: Khoảng cách giữa các hạt trong mơ hình của Williams,

-

Cd

: Hệ số giãn dịng của vịi phun,

-

D

: Đường kính hạt nhiên liệu,

mm

Dc

: Đường kính xy lanh,

mm

Dh

: Đường kính khoang phun,

mm

D0

: Đường kính ban đầu của hạt nhiên liệu,

mm

dh

: Đường kính lỗ phun,

mm

g
K

: Gia tốc trọng trường,
: Hệ số xâm thực lỗ phun,

m/s
-

lb

: Chiều dài phân rã tia phun,

m

lh

: Chiều dài lỗ phun,

mm

md

: Khối lượng hạt nhiên liệu,

g

mf

: Lượng nhiên liệu cấp chu trình,

g/ct

n

: Tốc độ phun lưu lượng nhiên liệu,
: Tốc độ động cơ,

g/h
vòng/phút

Oh

: Số Ohnesorge,

-

pc

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

bar

pg

: Áp suất của chất khí,

bar

pinj

: Áp suất phun nhiên liệu,

bar

pv

: Áp suất hóa hơi trong lỗ phun,

bar

Reg

: Số Reynolds pha khí,

-

Rel

: Số Reynolds pha lỏng,

-

r

: Bán kính hạt nhiên liệu,

mm

rc

: Bán kính tới hạn hạt nhiên liệu,

mm

rh

: Bán kính cong đầu vào lỗ phun,

mm

S

: Độ xuyên sâu tia phun,

-

Ss

: Hành trình piston,

m

T

: Nhiệt độ,

K

TKH

xi
: Thời gian phân rã hạt nhiên liệu,

s

Tw

: Nhiệt độ vách xy lanh,

K

m

inj

2


t

: Thời gian,

s

tb

: Thời gian phân rã tia phun,

m/s

Vt
vg

: Thể tích tia phun,

cm

: Vận tốc của dịng khí,

m/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

Weg

: Số weber pha khí,

m

xi

: Các tọa độ,

3

CHỮ HY LẠP

bar

Δp

: Độ chênh áp (pinj – pc),

độ

Δθ

: Thời gian phun nhiên liệu,

kJ/kgs

ε

: Động năng tiêu tán rối,

-

θ

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

-

θs

: Góc nón tia phun,

độ

υ

: Góc quay trục khuỷu,

độ

υCD

: Góc cháy trễ,

độ

υinj

: Góc phun sớm,

độ

υSOC

: Góc bắt đầu cháy,

độ

υSOI

: Góc bắt đầu phun,

độ

xii


TÓM TẮT NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
Đề tài luận án: “Nghiên cứu thiết lập mơ hình chẩn đốn 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
năm: 2016

Người hướng dẫn:

Cơ sở đào tạo:
Nội dung:

PGS.TS. Trần Thanh Hải Tùng

TS. Quách Hoài Nam

Trường Đại học Nha Trang

- Đã tổng hợp các công thức thực nghiệm để hình thành mơ hình đơn giản cho

phép đánh giá nhanh ảnh hưởng của áp suất phun (p inj) và áp suất cuối kỳ nén (p c) đến
công suất (công thức 2.19), mức phát thải bồ hóng (cơng thức 2.23), mức phát thải
NOX (công thức 2.28) của động cơ diesel cơng suất nhỏ.
- Tính tốn mơ phỏng hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) của động cơ diesel kiểu cơ khí

truyền thống (Yanmar 4CHE) bằng phần mềm AVL Boost/Hydsim; tính tốn công suất
và mức phát thải của động cơ diesel Yanmar 4CHE dựa theo các công thức thực
nghiệm trên cơ sở ứng dụng phần mềm Matlab.
- Thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của áp suất phun (thông qua việc điều chỉnh
sức căng của lị xo kim phun) đến một số thơng số vận hành cơ bản (công suất, mức
phát thải bồ hóng và NOX) của động cơ diesel Yanmar 4CHE.
- Xây dựng được mơ hình chẩn đốn TTKT động cơ diesel máy chính tàu cá cơng suất

nhỏ.
TM. Tập thể hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nghiên cứu sinh
(Ký và ghi rõ họ tên)

PGS.TS. Trần Thanh Hải Tùng

Hồ Đức Tuấn

xiii

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 that allows a quick

assessment of the effects of injection pressure (p inj) and end-of-compression pressures
(pc) on power (formula 2.19), and soot emitting levels (formula 2.23), NO x emissions
(formula 2.28) of the diesel engine.
- Computed and simulated a traditional mechanical fuel injection system of the diesel

engine (Yanmar 4CHE) by AVL Boost/ Hydsim software; Calculated the power and

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 adjusting

spring 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.
Supervisor

Ph.D. Student

Trần Thanh Hải Tùng, Assoc. Prof. PhD.

xiv

Hồ Đức Tuấn


MỞ ĐẦU
I.

LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Với những ưu điểm về công suất và hiệu suất cao, động cơ (ĐC) diesel đang

chứng tỏ vai trò chưa thể thay thế khi được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của nền kinh
tế như: Giao thông vận tải, nông nghiệp, công nghiệp…, đặc biệt đây là loại ĐC được
trang bị chủ yếu trong các phương tiện giao thơng đường thủy nói chung và trang bị
cho máy chính tàu cá ở Việt Nam nói riêng. Do đó, việc nghiên cứu để đảm bảo chất

lượng, hiệu suất ĐC diesel và nâng cao độ an toàn trong quá trình khai thác, sử dụng là
yêu cầu cần thiết.
Do nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, cộng với sự biến đổi khí hậu nên hàng
năm vùng biển Việt Nam xảy ra 10 ÷ 20 cơn bão và “siêu” bão, chưa kể đến các cơn
lốc xoáy bất ngờ. Việc bảo đảm an toàn cho người và tàu cá hoạt động sản xuất ở
ngồi khơi ln 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 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 làm
bằng thép hoặc các vật liệu mới. Số tàu này ngồi việc tham gia phát triển kinh tế biển
cịn 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 như
khơng có cảng trú, các ĐC diesel dùng làm máy chính trên tàu đa số là máy cũ, chất
lượng máy xuống cấp, thiếu các thiết bị đo lường, kiểm tra; khơng có hồ sơ kỹ thuật
phục vụ cho cơng tác vận hành và bảo dưỡng sửa chữa. Điều đó dẫn đến giảm độ an
tồn, tin cậy trong q 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
[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 tàu

này là do sự cố máy chính.
1

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 thơng 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 kỹ
thuật của loại máy tàu thường được thực hiện theo cách gán cho một mã hiệu (theo
kinh nghiệm) căn cứ vào đặc điểm hình dáng máy đã biết. Do đó, tính chính xác khơng
đảm bảo, minh chứng là có những trường hợp phải điều chỉnh lại mã hiệu máy (họ
máy), điều chỉnh lại công suất khi kiểm tra tàu…
Để góp phần bảo đảm sự an tồn cho tàu (và người), về nguyên tắc, cần phải tăng
cường hoạt động chăm sóc, bảo dưỡng và đặc biệt là kiểm tra, giám sát, cảnh báo trong
vận hành, nhằm sớm phát hiện nguy cơ hư hỏng, ngăn ngừa sự cố ở nguồn động lực
chính của con tàu, là ĐC diesel máy chính. Vì vậy, việc chẩn đốn trạng thái kỹ thuật
(TTKT) của máy chính tàu cá trở nên cấp thiết.
Cơng tác đăng kiểm tàu cá ở nước ta luôn gặp khó khăn khi phải xác định TTKT
của máy chính, để có thể quyết định cho tàu tiếp tục hoạt động hay buộc phải dừng
phương tiện để sửa chữa. Yêu cầu của công tác này là phải nhanh, thiết bị đo kiểm nhỏ
gọn 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 vụ công
tác đăng kiểm tàu cá nói chung và máy chính nói riêng trong hệ thống cơ quan đăng
kiểm tàu cá chưa được quan tâm thỏa đáng. Cơng tác kiểm tra an tồn kỹ thuật máy
chính khơng có thiết bị kiểm tra đánh giá tình trạng kỹ thuật, diễn biến về an tồn kỹ
thuật và tuổi thọ của máy. Việc quản lý kỹ thuật, chưa xây dựng các tiêu chuẩn, quy
phạm, quy trình kiểm tra an tồn 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 và
nhận biết hư hỏng mà không cần phải tháo rời các chi tiết bên trong ĐC. Chẩn đoán kỹ
thuật 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), chẩn
đốn kỹ thuật cho khả năng đánh giá tình trạng tức thời của ĐC, nhằm đưa ra quyết

định hợp lý về sự cần thiết của các biện pháp bảo trì và xác định đúng nguyên nhân hư
2


hỏng nhờ quan hệ giữa các thông số làm việc khác nhau, cũng như các mơ hình chẩn
đốn phù hợp.
Việc ứng dụng rộng rãi cơng tác chẩn đốn TTKT của ĐC, nhằm góp phần tăng
hiệu quả kinh tế, tăng tính thân thiện với môi trường, tăng độ tin cậy cũng như tuổi thọ
của 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 giảm

được các hao mịn khơng 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 cơng 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.
AI. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết lập được mơ hình chẩn đốn, để đánh giá
TTKT của ĐC diesel máy chính tàu cá.
BI. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

III.1. Đối tượng nghiên cứu
Chẩn đốn TTKT và mơ hình chẩn đốn để đánh giá TTKT ĐC diesel phun nhiên

liệu trực tiếp dùng HTPNL cơ khí truyền thống kiểu Bosch, khơng tăng áp,
khơng sử dụng tuần hồn khí thải, chưa có hệ thống kiểm sốt và xử lý ơ nhiễm.
Khách thể nghiên cứu: ĐC diesel cơng suất nhỏ dùng làm máy chính tàu cá ở
Việt 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 thơng số
chẩn đốn (áp suất trong ống cao áp, áp suất phun, áp suất cuối kỳ nén) và thông số
đánh giá TTKT ĐC diesel máy chính tàu cá thường gặp (cơng suất, phát thải bồ hóng,
NOx), xây dựng các quan hệ tốn học thể hiện ảnh hưởng giữa các thông số trên và
3


thiết lập, đề xuất mơ hình chẩn đốn để đánh giá TTKT. Trên cơ sở đó, sử dụng phần
mềm AVL Boost/Hydsim và Matlab mô phỏng đối với ĐC diesel máy chính trang bị
trên 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 Yanmar
4CHE trên bệ thử.
IV. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Phân tích lý thuyết xác định bộ thơng số chẩn đốn;
- 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 thơng số chẩn đốn với thơng số

đánh giá TTKT ĐC;
- Thiết lập mơ hình chẩn đốn TTKT cho động cơ nghiên cứu;
- Đánh giá ảnh hưởng của thơng số chẩn đốn đến trạng thái kỹ thuật của động

cơ nghiên cứu bằng mô phỏng;
- Đánh giá ảnh hưởng của thơng số chẩn đốn 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 thơng số dùng để chẩn đốn TTKT của
ĐC diesel cơng suất nhỏ. Thơng qua bộ thơng số chẩn đốn, thiết lập mơ hình chẩn
đốn TTKT ĐC. Ứng dụng chương trình mô phỏng và tổ chức thực nghiệm để đánh
giá mô hình chẩn đốn đã đề xuất. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học có thể áp
dụng đối với cơng tác chẩn đốn TTKT cho ĐC diesel tàu cá khi có đặc điểm cơng
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 đốn 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
4


kỹ thuật cho ĐC, trước khi cấp giấy phép cho tàu khai thác có đặc điểm cơng 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 1. Tổng quan;
Chương 2. Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình chẩn đốn 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.

5


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 đích
khác 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 xăng
chỉ 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 cải
thiện những hạn chế trên, cụ thể: Phun nhiên liệu điện tử (Common Rail), sử dụng hồi
lưu khí xả (EGR), lọc bồ hóng. Do đó, ĐC diesel ngày càng được sử dụng nhiều trong
lĩnh vực giao thông vận tải và một số lĩnh vực khác phục vụ kinh tế xã hội [45]. Điểm
đáng chú ý của động cơ diesel là sự phù hợp với phương tiện giao thơng thủy hơn so
với động cơ xăng, bởi có hiệu suất nhiệt lớn, độ tin cậy cao khi hoạt động trong môi
trường 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 dụng
làm máy chính cho tàu thủy nói chung và tàu cá nói riêng, chính là do chúng có hiệu
suất cao và việc giảm ơ nhiễm cho khí thải đã được khắc phục. Trong đó, hai dạng phát
thải độc hại là bồ hóng (Soot) và NOx được quan tâm nghiên cứu. Trên hình 1.1 thể
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, ngồi ra, bồ
hóng cịn chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố khác như đặc điểm của quá trình cháy, dạng ĐC
cũng như thời hạn sử dụng của ĐC. Thành phần bồ hóng trong sản phẩm cháy của nhiên
liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao khác với nhiên liệu có hàm lượng lưu

6