Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 49

THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ÁP SUẤT CUỐI KỲ NÉN CÓ KẾT NỐI MÁY TÍNH PHỤC VỤ CHẨN ĐOÁN TÌNH TRẠNG KỸ THUẬT

CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU CÁ

DESIGNING AND MANUFACTURING A PRESSURE MEASURING EQUIPMENTIN THE END OF COMPRESSION PERIOD WITH COMPUTER CONNECTION

TO DIAGNOSE THE TECHNICAL CONDITION OF FISHING DIESSEL ENGINES

Phùng Minh Lộc1, Mai Đức Nghĩa2

Ngày nhận bài: 24/4/2016; Ngày phản biện thông qua: 29/9/2016; Ngày duyệt đăng: 15/6/2017

TÓM TẮTÁp suất cuối kỳ nén là thông số chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ đốt trong. Bài báo này trình bày

phương án thiết kế và thiết kế, chế tạo thiết bị đo áp suất cuối kỳ nén có kết nối máy tính phục vụ chẩn đoán động cơ diesel tàu cá.

Từ khóa: Áp suất cuối kỳ nén, chẩn đoán tình trạng kỹ thuật, kết nối máy tính, động cơ diesel, thiết bị đo.

ABSTRACTFinal compression pressure of compression stroke is a diagnostic parameter of the engineering status

of the internal combustion engine. This paper presents solutions to design as well as manufacture a device to measure fi nal compression pressure of compression stroke connected to computer for the purpose of using diagnostics for marine diesel engines.

Keywords: compression pressure, diagnosis engineering, connected computer, diesel engines, instrumentation.

1 Khoa Kỹ thuật Giao thông, Trường Đại học Nha Trang2 Trường Sỹ quan Không quân

I. ĐẶT VẤN ĐỀTính đến năm 2014 nước ta có hơn

126.000 tàu cá, trong đó số tàu hoạt động xa bờ (loại 90 CV trở lên) là 27.000 tàu. 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 chủ yếu là máy cũ, chất lượng máy chỉ còn lại khoảng 50-70%, 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 máy móc, thiết bị có thể hư hỏng đột ngột trên biển gây nguy hiểm cho người và tàu. Phần lớn các tai nạn của đội tàu này là do sự cố máy chính.

Việc chế tạo thiết bị và xây dựng tiêu chuẩn kiểm định mức độ an toàn kỹ thuật là cơ sở chính để nâng cao mức độ an toàn và hiệu quả khai thác đội tàu đánh cá của Việt Nam mà đặc biệt là tàu khai thác xa bờ.

50 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2017

Thiết bị đo áp suất cuối quá trình nén có kết nối máy tính đáp ứng được một phần mục tiêu trên.

II. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1. Đối tượng nghiên cứuĐo áp suất cuối kỳ nén của động cơ diesel

có kết nối máy tính

2. Phạm vi nghiên cứuĐo áp suất cuối kỳ nén của động cơ diesel

làm máy chính tàu cá

3. Phương pháp nghiên cứu- Phương pháp lý thuyết: + Quá trình nén và ảnh hưởng của áp suất

cuối quá trình nén đến các thông số tính năng của động cơ diesel làm cơ sở xác định giới hạn hao mòn nhóm bao kín buồng cháy;

+ Quy hoạch và xử lý số liệu thực nghiệm; + Công nghệ chế tạo máy;+ Mạch điện tử và phần mềm kết nối thiết

bị đo với máy tính.- Phương pháp thực nghiệm:+ Chế tạo và thử nghiệm thiết bị

+ Đo áp suất cuối kỳ nén trên động cơ diesel có kết nối với máy tính và xử lý số liệu thực nghiệm.

III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Xây dựng phương án thiết kế 1.1. Thiết kế hệ thống chung

Do phương án thiết kế là một khâu quan trọng trong toàn bộ quá trình thiết kế và chế tạo thiết bị, nên đối tượng thiết kế và chế tạo phải đáp ứng các yêu cầu sau:

Yêu cầu kỹ thuật: độ nhạy, độ chính xác,… nằm trong phạm vi cho phép đảm bảo độ tin cậy trong quá trình đo đạc, ghi nhận dữ liệu.

Yêu cầu kinh tế: quá trình thiết kế, chế tạo các chi tiết, lựa chọn linh kiện điện tử và lắp rắp hoàn chỉnh thiết bị cần ưu tiên giá thành nhưng phải đáp ứng yêu cầu kỹ thuật;

Yêu cầu sử dụng: đảm bảo tính sử dụng lâu dài, vận hành và đo đạc dễ dàng, ngoài ra còn có thể khắc phục sửa chữa khi thiết bị gặp sự cố.

Sơ đồ thiết kế hệ thống chung được trình bày trên Hình 1.

Hình 1. Sơ đồ thiết kế hệ thống chung thiết bị đo áp suất nén

Động cơ dùng để thử nghiệm: Yanmar 4CHKLựa chọn cảm biến: Kích thước cảm biến

phải tương thích với vỏ vòi phun lắp trên động cơ diesel tàu cá thường gặp. Tầm đo áp suất đến 50 Bar, chịu được nhiệt độ đến 6000C 1.2. Đồ gá cảm biến

Phương án thiết kế đồ gá được xây dựng dựa trên kết cấu, vị trí lắp đặt vòi phun và kích thước của lỗ vòi phun. Đồ gá được thiết kế phải đảm bảo được tính đa năng khi tiến hành lắp ghép cảm biến áp suất vào lỗ đặt vòi phun, nhưng vẫn đạt được độ kín khít theo yêu cầu cho nhiều loại động cơ khác nhau.

Có hai phương án thiết kế đồ gá:

- Đồ gá gồm 1 chi tiết được chế tạo có kích thước như vòi phun, có lỗ dẫn khí từ trong xy lanh ra và cảm biến được lắp lên chi tiết đồ gá ở phần ngoài cùng.

- Đồ gá gồm 3 chi tiết:+ Ống lắp cảm biến áp suất tương tự như

phần thân vòi phun, bên trong có lỗ dẫn khí;+ Bích cố định ống với nắp xy lanh;+ Bạc làm kín phần nắp đồ gá với nắp xy lanh.Chế tạo đồ gá một chi tiết sẽ thuận lợi hơn

về mặt gia công. Tuy nhiên, đồ gá này chỉ có thể lắp cho một loại cảm biến và khả năng làm kín thấp khi cố định vào nắp xy lanh, sai số đo lớn do lọt khí.

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 51

Đồ gá gồm 3 chi tiết có mức độ gia công phức tạp hơn, nhưng khắc phục được các yếu điểm của loại một chi tiết: số liệu có độ chính xác cao do có bạc làm kín và có thể lắp với nhiều loại cảm biến khác nhau. Vì vậy, lựa chọn phương án thiết kết đồ gá gồm 3 chi tiết

sẽ đảm bảo được mục tiêu của thiết bị đo.1.3. Bộ xử lý tín hiệu đo có kết nối máy tính

Căn cứ vào yêu cầu đo (đầu vào) và dữ liệu nhận được (đầu ra) của thiết bị, xây dựng sơ đồ khối bộ xử lý tín hiệu đo có kết nối máy tính như sau:

Hình 2. Sơ đồ khối bộ xử lý tín hiệu đoSơ đồ khối bộ xử lý tín hiệu đo gồm 3 khối

chính là khối đầu vào, khối xử lí trung tâm và khối đầu ra. Nhiệm vụ của khối đầu vào bao gồm việc thu thập các tín hiệu đo lường từ các cảm biến và gửi tới bộ xử lí trung tâm (ECU). Bộ ECU sau khi nhận tín hiệu sẽ tiến hành chuyển đổi, tính toán, phân tích và xuất các tín hiệu điều khiển cho khối đầu ra. Khối đầu ra bao gồm thiết bị hiển thị và ghi nhận dữ liệu đo (computer) .

- Khối đo thông số đầu vào gồm:+ Cảm biến tốc độ: Có nhiệm vụ báo tín

hiệu cho ECU khi động cơ làm việc, trên cơ sở số vòng quay đo được trong một phút, ECU sẽ tính toán giá trị của tốc độ quay sang độ góc quay trục khuỷu.

+ Cảm biến áp suất: Có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu của áp suất thành tín hiệu điện đưa tới ECU. Đối với loại cảm biến áp suất có trên thị trường, thường có độ phân giải thấp, nên cần thiết kế thêm một mạch khuếch đại để tín hiệu truyền đến ECU đủ lớn.

- Bộ xử lí trung tâm (ECU):Để đảm bảo khả năng điều khiển mềm

dẻo của thiết bị, cần xây dựng bộ xử lí trung tâm bằng vi điều khiển [2]. Vi điều khiển là một mạch đơn chứa bên trong một CPU và các mạch khác để tạo nên một hệ máy tính đầy đủ,

chuyển đổi giá trị áp suất đo được theo độ góc quay trục khuỷu.

- Khối đầu ra gồm:Computer với chương trình đo, hiển

thị được thực hiện trên phần mềm điện tử (proteus) có thiết lập cổng kết nối tới bộ ECU, có thể hiệu chỉnh và thiết lập các chế độ để phục vụ đo đạc và lưu trữ dữ liệu theo yêu cầu.

Như vậy, phương án thiết kế bộ xử lý tín hiệu đo có kết nối máy tính là khá phức tạp. Trong khi đó, một bộ tích hợp thông minh (đo và xử lý tín hiệu) có độ chính xác cao, được ứng dụng rất phổ biến trong đo lường kỹ thuật. Có thể kết nối cảm biến [2] và hiển thị kết quả trên máy tính thông qua phần mềm chuyên dùng kèm theo, người dùng có thể thiết kế các mạch đo theo yêu cầu trên phần mềm chuyên dùng Labview và cài đặt vào bộ xử lý thông minh (Myrio), kết nối và thiết lập các thông số đầu vào từ cảm biến đến Myrio, tạo thành hệ điều khiển hoàn thiện. Giá thành của bộ Myrio của hãng NI (National Instruments) của Mỹ chế tạo chỉ tương đương với việc thiết kế các bo mạch và mua linh kiện điện tử chế tạo bộ đo. Sản phẩm thương mại này có độ chính xác đạt chuẩn, vì vậy, phương án thiết kế sẽ sử dụng bộ Myrio có phần mềm Labview kèm theo.

Sơ đồ khối hệ thống đo sử dụng bộ Myrio:

Hình 3. Sơ đồ khối hệ thống đo áp suất nén sử dụng bộ Myrio

52 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2017

2. Chế tạo đồ gá cảm biếnĐồ gá được chế tạo trên máy tiện và máy

khoan CNC. Sản phẩm sau khi chế tạo như trên Hình 4.

Hình 4. Đồ gá cảm biến áp suất nén

3. Kết nối cảm biến áp suất và cảm biến tốc độ động cơ với bộ xử lý tín hiệu3.1. Bộ xử lý tín hiệu thông minh Myrio

Bộ xử lý thông minh Myrio có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, nhất là phục vụ công tác đo đạc và điều khiển.

Kết cấu thiết bị như Hình 5, chương trình điều khiển của thiết bị được viết trên phần mềm chuyên dụng Labview, đây là phần mềm có bản quyền và chỉ được kèm theo thiết bị, khi sử dụng thiết bị của hãng NI. Sau khi cài đặt phần mềm trên máy tính, cần phải thiết kế sơ đồ mạch phù hợp với yêu cầu cần sử dụng (yêu cầu đo dữ liệu) và gán vào chip điều khiển của phần cứng của thiết bị. Thiết bị sau khi kết nối sẽ nhận dạng các cảm biến, thu thập dữ liệu chuyển về bộ chuyển đổi dữ liệu và hiển thị trên màn hình, lưu trữ dữ liệu đo vào ổ cứng máy tính.

Hình 5. Kết cấu chung bộ xử lý Myrio1-Myrio-mã hiệu 1900;2- Bo mạch xử lý tín hiệu-

khuếch đại; 3-Nguồn vào (AC); 4-Kết nối thiết bị ngoại vi; 5-Kết nối dữ liệu bên ngoài;

6-Led báo tín hiệu; 7-Khay kết nối tín hiệu đầu vào; 8-Kết nối tín hiệu âm thanh; 9-Nút điều khiển.

3.2. Cảm biến đo áp suất nén động cơ dieselCảm biến đo áp suất nén là cảm biến của

hãng Noeding của Đức chế tạo, là loại cảm biến chuyên dùng để đo áp suất nén trong xy lanh động cơ và phục vụ đo áp suất trong môi trường có nhiệt độ cao, chịu được chế độ làm việc khắc nghiệt, có độ chính xác cao. Cảm biến và các thông số được trình bày trên Hình 6 và Bảng 1.

Hình 6. Cảm biến của hãng Noeding dùng để đo áp suất nén động cơ

Bảng 1. Thông số cảm biến Noeding mã hiệu P 125E

Dải áp suất đo: 0 ... 80 bar

Nhiệt độ hoạt động Min: - 400C Max: 6000C

Hệ số độ nhạy nhiệt: ± 0,005%/0C

Nguồn điện yêu cầu: 6V- DC

Tín hiệu ra: 4…20 mA

Kết nối cơ khí theo các tiêu chuẩn : G1/2″

Có lớp bảo vệ chống nhiễu EMI

Sai lệch: 0,015%

3.3. Kết nối các thiết bịCác cảm biến được kết nối bằng đường tín

hiệu thông qua cổng kết nối của bộ điều khiển và xử lý tín hiệu Myrio. Sau khi kết nối hệ thống thiết bị như trên Hình 7.

Hình 7. Kết nối các cảm biến với bộ xử lý tín hiệu

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 53

3.4. Viết chương trình điều khiển bằng phần mềm Labview

Trước khi viết chương trình, máy tính được kết nối với bộ xử lý thông minh và các cảm biến, có cấp điện nguồn để phần mềm nhận dạng tín hiệu và thiết bị (Hình 8).

Hình 8. Kết nối cảm biến với bộ xử lý tín hiệu và máy tính để viết chương trình

Phần mềm Labview sau khi cài đặt trên máy tính, sẽ cho phép lập trình với các khối souce, sin… đặt thuộc tính và định nghĩa theo yêu cầu của bài toán đặt ra. Sau khi khởi động chương trình chính, nội dung được thực hiện như sau:

- Khởi tạo chương trình chạy trên bộ Myrio, sử dụng hệ điều hành Realtime

- Thiết lập khối AI0. Read – ADC Pressure sử dụng để đọc chuỗi tin hiệu áp suất

- Thiết lập khối Count.Read- Angle sử dụng để đọc chuỗi góc, đo độ góc quay trục khuỷu (7200 với độ nhạy 0.50), sẽ có giá trị cần lấy là 1440 giá trị (giá trị áp suất theo độ góc quay trục khuỷu), sơ đồ liên kết các khối và thiết lập mạch xử lý… như trên Hình 9.

Hình 9. Sơ đồ khối cơ bản của chương trình đo áp suất theo góc quay trục khuỷu

4. Thử nghiệm thiết bị Sử dụng động cơ Diesel 4CHE Yanmar-

Nhật Bản chế tạo, được trang bị tại Phòng Thí nghiệm Động lực - Trường Đại học Nha Trang để tiến hành thử nghiệm thiết bị. Động cơ Diesel 4CHE là động cơ cao tốc, 4 xy lanh, công suất 70hp/2300rpm, có số lượng tương đối nhiều tại các tỉnh duyên hải miền Trung và khu vực đồng bằng sông Mê Kông, Việt Nam [1], được dùng làm máy chính trên tàu cá hoặc

máy phụ lai máy phát điện (Hình 10). 4.1. Lắp cảm biến lên động cơ và kết nối bộ xử lý tín hiệu

Quá trình thử nghiệm thiết bị nhằm mục đích đánh giá khả năng làm việc và độ tin cậy của thiết bị sau khi chế tạo, cơ sở của việc đánh giá này dựa vào dữ liệu thu được và so sánh với giá trị áp suất nén của động cơ diesel theo nhà sản xuất. Cảm biến đươc lắp trên lỗ đặt vòi phun số 1 (Hình 10).

54 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2017

Hình 10. Cảm biến áp suất lắp trên lỗ đặt vòi phun

Hình 11. Bộ xử lý tín hiệu kết nối cảm biến với máy tính

4.2. Điều kiện thử nghiệm và kết quả đo áp suất cuối kỳ nén

Điều kiện tiến hành thử nghiệm động cơ

được xác định theo điều kiện hoạt động thực tế diễn ra của động cơ diesel trên các loại tàu cá. Đối với các loại động cơ trên, mô men đạt giá trị lớn khi tốc độ đạt 60 ÷ 80% tốc độ định mức [4]. Sau khi kiểm tra hệ thống nước làm mát và khởi động, khi động cơ làm việc ổn định mới tiến hành đo. Kết quả đo áp suất cuối kỳ nén được thể hiện dạng đường cong áp suất theo độ góc quay trục khuỷu. Kết quả số liệu đo được trình bày trên Hình 12 và Bảng 2.

Hình 12. Đường cong nén theo chu trình làm việc của động cơ ở 1800 v/ph

Bảng 2. Bảng giá trị áp suất nén theo góc quay trục khuỷu của động cơ 4CHE-YanmarGóc quay

(Độ)Áp suất

(Bar)Góc quay

(Độ)Áp suất

(Bar)Góc quay

(Độ)Áp suất

(Bar)Góc quay

(Độ)Áp suất

(Bar)330.5 17.8 340.5 28.6 350.5 41.1 360.5 42.3331 17.9 341 28.7 351 41.4 361 42.3

331.5 18 341.5 28.8 351.5 41.5 361.5 42.3332 18.2 342 28.9 352 41.7 362 42.2

332.5 18.3 342.5 29 352.5 41.8 362.5 42.2333 18.4 343 29.1 353 41.9 363 42.2

333.5 18.5 343.5 29.3 353.5 42 363.5 42.2334 18.6 344 29.4 354 42.1 364 42.2

334.5 18.9 344.5 29.6 354.5 42.2 364.5 42.2335 21.4 345 30 355 42.3 365 42.1

335.5 23 345.5 30.7 355.5 42.4 365.5 42.1336 24.3 346 33.1 356 42.5 366 42.1

336.5 25.4 346.5 35 356.5 42.6 366.5 42.1337 26.2 347 36.5 357 42.7 367 42.1

337.5 26.9 347.5 37.7 357.5 42.8 367.5 42.1338 27.4 348 38.7 358 42.9 368 42.1

338.5 27.8 348.5 39.3 358.5 42.9 368.5 42339 28.2 349 40 359 42.3 369 42

339.5 28.4 349.5 40.4 359.5 42.3 369.5 41340 28.5 350 40.8 360 42.3 370 40.4

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 55

IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊThiết bị đo áp suất cuối kỳ nén có kết nối

máy tính sẽ là công cụ hữu hiệu phục vụ công tác chẩn đoán kỹ thuật động cơ diesel tàu cá, nếu nghiên cứu bổ sung và thiết lập:

- Giải pháp khử sai số giữa các loại

cảm biến áp suất và đồ gá với thiết bị chuẩn; - Tương quan giữa độ giảm áp suất cuối kỳ

nén với sự suy giảm công suất hoặc tăng suất tiêu hao nhiên liệu (%) của động cơ;

- Ngân hàng áp suất cuối kỳ nén tiêu chuẩn của các loại động cơ diesel tàu cá thường gặp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt 1. Phan Văn Quân, 2015, Ứng dụng thí điểm dầu mỡ cá da trơn cho phương tiện thủy nội địa lắp động cơ diesel ở

đồng bằng sông Mê Kông. Báo cáo tổng kết dự án thuộc chương trình mục tiêu quốc gia ứng phó với biến đổi khí hậu, Trường Đại học Giao thông Vận tải TP. Hồ Chí Minh.

2. Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến, 2000. Giáo trình cảm biến. NXB Khoa học và Kỹ thuật. 3. Ngô Diên Tập, 2000. Vi xử lý trong đo lường và điều khiển. NXB Khoa học và Kỹ thuật. Tiếng Anh4. K. Mollenhauer, H. Tschoeke, Handbook of Diesel Engines, DOI 10.1007/978-3-540-89083-6, Springer-Verlag

Berlin Heidelberg 2010.5. www.labview.com