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

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2017 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 EQUIPMENT IN 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 TẮT Áp 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. ABSTRACT Final 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. I. ĐẶT VẤN ĐỀ phục vụ cho công tác vận hành và bảo dưỡng, Tính đến năm 2014 nước ta có hơn sửa chữa. Điều đó dẫn đến giảm độ an toàn, 126.000 tàu cá, trong đó số tàu hoạt động xa tin cậy trong quá trình khai thác; hiệu quả sử bờ (loại 90 CV trở lên) là 27.000 tàu. Số tàu dụng thấp làm tăng giá thành sản phẩm và đặc này ngoài việc tham gia phát triển kinh tế biển biệt là máy móc, thiết bị có thể hư hỏng đột còn góp phần quan trọng bảo vệ an ninh chủ ngột trên biển gây nguy hiểm cho người và tàu. quyền biển, đảo quốc gia. Phần lớn các tai nạn của đội tàu này là do sự Tàu đánh cá có thể hoạt động ở vùng biển cố máy chính. cách bờ đến 200 hải lý và hầu như không có Việc chế tạo thiết bị và xây dựng tiêu chuẩn cảng trú, các động cơ diesel dùng làm máy kiểm định mức độ an toàn kỹ thuật là cơ sở chính trên tàu chủ yếu là máy cũ, chất lượng chính để nâng cao mức độ an toàn và hiệu quả máy chỉ còn lại khoảng 50-70%, thiếu các thiết khai thác đội tàu đánh cá của Việt Nam mà đặc bị đo lường, kiểm tra; không có hồ sơ kỹ thuật biệt là tàu khai thác xa bờ. 1 Khoa Kỹ thuật Giao thông, Trường Đại học Nha Trang 2 Trường Sỹ quan Không quân TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 49 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2017 Thiết bị đo áp suất cuối quá trình nén có + Đo áp suất cuối kỳ nén trên động cơ kết nối máy tính đáp ứng được một phần mục diesel có kết nối với máy tính và xử lý số liệu tiêu trên. thực nghiệm. II. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Xây dựng phương án thiết kế 1. Đối tượng nghiên cứu 1.1. Thiết kế hệ thống chung Đo áp suất cuối kỳ nén của động cơ diesel Do phương án thiết kế là một khâu quan có kết nối máy tính trọng trong toàn bộ quá trình thiết kế và chế tạo 2. Phạm vi nghiên cứu thiết bị, nên đối tượng thiết kế và chế tạo phải Đo áp suất cuối kỳ nén của động cơ diesel đáp ứng các yêu cầu sau: làm máy chính tàu cá Yêu cầu kỹ thuật: độ nhạy, độ chính xác, nằm trong phạm vi cho phép đảm bảo độ tin 3. Phương pháp nghiên cứu cậy trong quá trình đo đạc, ghi nhận dữ liệu. - Phương pháp lý thuyết: Yêu cầu kinh tế: quá trình thiết kế, chế tạo + Quá trình nén và ảnh hưởng của áp suất cuối quá trình nén đến các thông số tính năng các chi tiết, lựa chọn linh kiện điện tử và lắp của động cơ diesel làm cơ sở xác định giới hạn rắp hoàn chỉnh thiết bị cần ưu tiên giá thành hao mòn nhóm bao kín buồng cháy; nhưng phải đáp ứng yêu cầu kỹ thuật; + Quy hoạch và xử lý số liệu thực nghiệm; Yêu cầu sử dụng: đảm bảo tính sử dụng + Công nghệ chế tạo máy; lâu dài, vận hành và đo đạc dễ dàng, ngoài ra + Mạch điện tử và phần mềm kết nối thiết còn có thể khắc phục sửa chữa khi thiết bị gặp bị đo với máy tính. sự cố. - Phương pháp thực nghiệm: Sơ đồ thiết kế hệ thống chung được trình + Chế tạo và thử nghiệm thiết bị 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 4CHK - Đồ gá gồm 1 chi tiết được chế tạo có kích Lựa chọn cảm biến: Kích thước cảm biến thước như vòi phun, có lỗ dẫn khí từ trong xy phải tương thích với vỏ vòi phun lắp trên động lanh ra và cảm biến được lắp lên chi tiết đồ gá cơ diesel tàu cá thường gặp. Tầm đo áp suất ở phần ngoài cùng. đến 50 Bar, chịu được nhiệt độ đến 6000C - Đồ gá gồm 3 chi tiết: 1.2. Đồ gá cảm biến + Ống lắp cảm biến áp suất tương tự như Phương án thiết kế đồ gá được xây dựng phần thân vòi phun, bên trong có lỗ dẫn khí; dựa trên kết cấu, vị trí lắp đặt vòi phun và kích + Bích cố định ống với nắp xy lanh; thước của lỗ vòi phun. Đồ gá được thiết kế + Bạc làm kín phần nắp đồ gá với nắp xy lanh. phải đảm bảo được tính đa năng khi tiến hành Chế tạo đồ gá một chi tiết sẽ thuận lợi hơn lắp ghép cảm biến áp suất vào lỗ đặt vòi phun, về mặt gia công. Tuy nhiên, đồ gá này chỉ có nhưng vẫn đạt được độ kín khít theo yêu cầu thể lắp cho một loại cảm biến và khả năng làm cho nhiều loại động cơ khác nhau. kín thấp khi cố định vào nắp xy lanh, sai số đo Có hai phương án thiết kế đồ gá: lớn do lọt khí. 50 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2017 Đồ gá gồm 3 chi tiết có mức độ gia công sẽ đảm bảo được mục tiêu của thiết bị đo. phức tạp hơn, nhưng khắc phục được các yếu 1.3. Bộ xử lý tín hiệu đo có kết nối máy tính điểm của loại một chi tiết: số liệu có độ chính Căn cứ vào yêu cầu đo (đầu vào) và dữ xác cao do có bạc làm kín và có thể lắp với liệu nhận được (đầu ra) của thiết bị, xây dựng nhiều loại cảm biến khác nhau. Vì vậy, lựa sơ đồ khối bộ xử lý tín hiệu đo có kết nối máy chọn phương án thiết kết đồ gá gồm 3 chi tiết tính như sau: Hình 2. Sơ đồ khối bộ xử lý tín hiệu đo Sơ đồ khối bộ xử lý tín hiệu đo gồm 3 khối chuyển đổi giá trị áp suất đo được theo độ góc chính là khối đầu vào, khối xử lí trung tâm và quay trục khuỷu. khối đầu ra. Nhiệm vụ của khối đầu vào bao - Khối đầu ra gồm: gồm việc thu thập các tín hiệu đo lường từ các Computer với chương trình đo, hiển cảm biến và gửi tới bộ xử lí trung tâm (ECU). thị được thực hiện trên phần mềm điện tử Bộ ECU sau khi nhận tín hiệu sẽ tiến hành (proteus) có thiết lập cổng kết nối tới bộ ECU, chuyển đổi, tính toán, phân tích và xuất các có thể hiệu chỉnh và thiết lập các chế độ để tín hiệu điều khiển cho khối đầu ra. Khối đầu phục vụ đo đạc và lưu trữ dữ liệu theo yêu cầu. ra bao gồm thiết bị hiển thị và ghi nhận dữ liệu Như vậy, phương án thiết kế bộ xử lý tín đo (computer) . hiệu đo có kết nối máy tính là khá phức tạp. - Khối đo thông số đầu vào gồm: Trong khi đó, một bộ tích hợp thông minh (đo + Cảm biến tốc độ: Có nhiệm vụ báo tín và xử lý tín hiệu) có độ chính xác cao, được hiệu cho ECU khi động cơ làm việc, trên cơ sở ứng dụng rất phổ biến trong đo lường kỹ thuật. số vòng quay đo được trong một phút, ECU sẽ Có thể kết nối cảm biến [2] và hiển thị kết quả tính toán giá trị của tốc độ quay sang độ góc trên máy tính thông qua phần mềm chuyên quay trục khuỷu. dùng kèm theo, người dùng có thể thiết kế các + Cảm biến áp suất: Có nhiệm vụ chuyển mạch đo theo yêu cầu trên phần mềm chuyên đổi tín hiệu của áp suất thành tín hiệu điện đưa dùng Labview và cài đặt vào bộ xử lý thông tới ECU. Đối với loại cảm biến áp suất có trên minh (Myrio), kết nối và thiết lập các thông số thị trường, thường có độ phân giải thấp, nên đầu vào từ cảm biến đến Myrio, tạo thành hệ cần thiết kế thêm một mạch khuếch đại để tín điều khiển hoàn thiện. Giá thành của bộ Myrio hiệu truyền đến ECU đủ lớn. của hãng NI (National Instruments) của Mỹ chế - Bộ xử lí trung tâm (ECU): tạo chỉ tương đương với việc thiết kế các bo Để đảm bảo khả năng điều khiển mềm mạch và mua linh kiện điện tử chế tạo bộ đo. dẻo của thiết bị, cần xây dựng bộ xử lí trung Sản phẩm thương mại này có độ chính xác đạt tâm bằng vi điều khiển [2]. Vi điều khiển là một chuẩn, vì vậy, phương án thiết kế sẽ sử dụng mạch đơn chứa bên trong một CPU và các bộ Myrio có phần mềm Labview kèm theo. mạch khác để tạo nên một hệ máy tính đầy đủ, 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 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 51 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2017 2. Chế tạo đồ gá cảm biến 3.2. Cảm biến đo áp suất nén động cơ diesel Đồ gá được chế tạo trên máy tiện và máy Cảm biến đo áp suất nén là cảm biến của khoan CNC. Sản phẩm sau khi chế tạo như hãng Noeding của Đức chế tạo, là loại cảm trên Hình 4. 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 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 hiệu 3.1. Bộ xử lý tín hiệu thông minh Myrio Hình 6. Cảm biến của hãng Noeding Bộ xử lý thông minh Myrio có khả năng dùng để đo áp suất nén động cơ ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, nhất là Bảng 1. Thông số cảm biến Noeding phục vụ công tác đo đạc và điều khiển. mã hiệu P 125E Kết cấu thiết bị như Hình 5, chương trình Dải áp suất đo: 0 ... 80 bar điều khiển của thiết bị được viết trên phần mềm chuyên dụng Labview, đây là phần mềm Nhiệt độ hoạt động Min: - 400C có bản quyền và chỉ được kèm theo thiết bị, Max: 6000C khi sử dụng thiết bị của hãng NI. Sau khi cài Hệ số độ nhạy nhiệt: ± 0,005%/0C đặt phần mềm trên máy tính, cần phải thiết kế Nguồn điện yêu cầu: 6V- DC sơ đồ mạch phù hợp với yêu cầu cần sử dụng (yêu cầu đo dữ liệu) và gán vào chip điều khiển Tín hiệu ra: 420 mA của phần cứng của thiết bị. Thiết bị sau khi kết Kết nối cơ khí theo các tiêu chuẩn : G1/2″ nối sẽ nhận dạng các cảm biến, thu thập dữ Có lớp bảo vệ chống nhiễu EMI liệu chuyển về bộ chuyển đổi dữ liệu và hiển thị trên màn hình, lưu trữ dữ liệu đo vào ổ cứng Sai lệch: 0,015% máy tính. 3.3. Kết nối các thiết bị Các 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 5. Kết cấu chung bộ xử lý Myrio 1-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. Hình 7. Kết nối các cảm biến với bộ xử lý tín hiệu 52 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2017 3.4. Viết chương trình điều khiển bằng phần Phần mềm Labview sau khi cài đặt trên mềm Labview máy tính, sẽ cho phép lập trình với các khối Trước khi viết chương trình, máy tính được souce, sin đặt thuộc tính và định nghĩa theo kết nối với bộ xử lý thông minh và các cảm yêu cầu của bài toán đặt ra. Sau khi khởi động biến, có cấp điện nguồn để phần mềm nhận chương trình chính, nội dung được thực hiện dạng tín hiệu và thiết bị (Hình 8). 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 Hình 8. Kết nối cảm biến với bộ xử lý tín hiệu trục khuỷu), sơ đồ liên kết các khối và thiết lập và máy tính để viết chương trình 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 máy phụ lai máy phát điện (Hình 10). Sử dụng động cơ Diesel 4CHE Yanmar- 4.1. Lắp cảm biến lên động cơ và kết nối bộ xử Nhật Bản chế tạo, được trang bị tại Phòng lý tín hiệu Thí nghiệm Động lực - Trường Đại học Nha Quá trình thử nghiệm thiết bị nhằm mục Trang để tiến hành thử nghiệm thiết bị. Động đích đánh giá khả năng làm việc và độ tin cậy cơ Diesel 4CHE là động cơ cao tốc, 4 xy lanh, của thiết bị sau khi chế tạo, cơ sở của việc công suất 70hp/2300rpm, có số lượng tương đánh giá này dựa vào dữ liệu thu được và so đối nhiều tại các tỉnh duyên hải miền Trung và sánh với giá trị áp suất nén của động cơ diesel khu vực đồng bằng sông Mê Kông, Việt Nam [1], theo nhà sản xuất. Cảm biến đươc lắp trên lỗ được dùng làm máy chính trên tàu cá hoặc đặt vòi phun số 1 (Hình 10). TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 53 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2017 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 Hình 10. Cảm biến áp suất lắp trên lỗ đặt vòi phun đo được trình bày trên Hình 12 và Bảng 2. 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 Hình 12. Đường cong nén theo chu trình làm việc Điều kiện tiến hành thử nghiệm động cơ của động cơ ở 1800 v/ph Bảng 2. Bảng giá trị áp suất nén theo góc quay trục khuỷu của động cơ 4CHE-Yanmar Góc quay Áp suất Góc quay Áp suất Góc quay Áp suất Góc quay Áp suất (Độ) (Bar) (Độ) (Bar) (Độ) (Bar) (Độ) (Bar) 330.5 17.8 340.5 28.6 350.5 41.1 360.5 42.3 331 17.9 341 28.7 351 41.4 361 42.3 331.5 18 341.5 28.8 351.5 41.5 361.5 42.3 332 18.2 342 28.9 352 41.7 362 42.2 332.5 18.3 342.5 29 352.5 41.8 362.5 42.2 333 18.4 343 29.1 353 41.9 363 42.2 333.5 18.5 343.5 29.3 353.5 42 363.5 42.2 334 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 42.2 335 21.4 345 30 355 42.3 365 42.1 335.5 23 345.5 30.7 355.5 42.4 365.5 42.1 336 24.3 346 33.1 356 42.5 366 42.1 336.5 25.4 346.5 35 356.5 42.6 366.5 42.1 337 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 42.1 338 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 42 339 28.2 349 40 359 42.3 369 42 339.5 28.4 349.5 40.4 359.5 42.3 369.5 41 340 28.5 350 40.8 360 42.3 370 40.4 54 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2017 IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ cảm biến áp suất và đồ gá với thiết bị chuẩn; Thiết bị đo áp suất cuối kỳ nén có kết nối - Tương quan giữa độ giảm áp suất cuối kỳ máy tính sẽ là công cụ hữu hiệu phục vụ công nén với sự suy giảm công suất hoặc tăng suất tác chẩn đoán kỹ thuật động cơ diesel tàu cá, tiêu hao nhiên liệu (%) của động cơ; nếu nghiên cứu bổ sung và thiết lập: - Ngân hàng áp suất cuối kỳ nén tiêu chuẩn - Giải pháp khử sai số giữa các loại 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 Anh 4. 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 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 55