Nguyễn Duy tiến Bộ môn Động cơ đốt trong - ĐH GTVT Tóm tắt: Bμi báo trình bμy cơ sở lý thuyết để nghiên cứu sử dụng vμ điều chỉnh động cơ ô tô đạt hiệu quả cao nhất, lựa chọn nhiên liệu
Trang 1điều khiển quá trình cháy
trong động cơ phun xăng điện tử
TS Nguyễn Duy tiến
Bộ môn Động cơ đốt trong - ĐH GTVT Tóm tắt: Bμi báo trình bμy cơ sở lý thuyết để nghiên cứu sử dụng vμ điều chỉnh động cơ
ô tô đạt hiệu quả cao nhất, lựa chọn nhiên liệu thích hợp cho động cơ ô tô sử dụng ở Việt Nam
vμ giới thiệu kết quả nghiên cứu cải tiến động cơ phun xăng điện tử thế hệ mới của Nhật Bản
Summary: The electronic fuel injection (EFI), multiple point injection MPI, gasoline direct injection (GDI) engine has been developed by employging stratified charge, ultra lean combustion technology based on unique engine techniques in the field of cylinder motion and combustion control
Not only extreme improvement of fuel economy was achieved by ultra lean combustion, but also high power was attained by preparing homogeneous mixture of high load operation
1 Đặt vấn đề
Các chỉ tiêu công suất và kinh tế của
động cơ đốt trong thay đổi theo áp suất, nhiệt
độ và độ ẩm của không khí môi trường xunh
quanh Động cơ đốt trong làm việc ở điều kiện
môi trường Việt Nam có độ ẩm cao thì công
suất giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng và
tăng thành phần khí xả độc hại Đối với động
cơ xăng nguyên nhân chủ yếu làm giảm lượng
nạp hỗn hợp là nhiệt độ cao Ngoài ra còn phụ
thuộc vào hệ thống cấp dẫn nhiên liệu
(các-bua-ra-tơ, hệ thống phun xăng điện tử)
Mặt khác nhiệt độ và độ ẩm cao của
không khí nạp cũng gây ảnh hưởng rất nhiều
tới chất lượng nạp hỗn hợp và quá trình đốt
cháy chúng
Tác giả đã khảo sát các ảnh hưởng kể
trên thông qua kết quả nghiên cứu về tạo hỗn
hợp và nhiệt động lực học của quá trình cháy
trong động cơ ôtô mẫu hút không khí nạp từ
buồng ẩm nhân tạo có xét tới ảnh hưởng của khí hậu cho phép rút ra những kết luận có tính nguyên tắc cho việc tiến hành, nghiên cứu khảo sát các động cơ đời mới được lắp ráp trên các loại ôtô nhập vào Việt Nam Đồng thời đưa ra được các giải pháp kỹ thuật nhằm khai thác và bảo dưỡng chúng một cách hợp
lý
Các loại ôtô đời mới khai thác ở Việt Nam, với nhiệt độ và độ ẩm cao sẽ làm thay
đổi động lực học của quá trình cháy, quy luật toả nhiệt xảy ra trong động cơ Kéo theo hàng loạt chỉ tiêu tối ưu khác thay đổi như: Hệ số dư không khí α, góc đánh lửa sớm φ, chỉ tiêu cháy Vê-be
Vì vậy các động cơ ôtô đời mới sử dụng ở Việt Nam cần thoả mãn các yêu cầu sau:
1 Giảm mức tiêu hao nhiên liệu
2 Đảm bảo công suất thiết kế
3 Giảm ô nhiễm môi trường do khí thải gây ra
Trang 24 Kéo dài thời gian sử dụng, hạn chế
hao mòn chi tiết
Các chuyên gia ngành động cơ nói riêng
và ngành ôtô nói chung trước mắt cần tập
trung nghiên cứu giải quyết hai hướng chính
sau:
1 Nghiên cứu sử dụng và điều chỉnh máy
đạt hiệu quả cao nhất
2 Lựa chọn nhiên liệu thích hợp (sử dụng
xăng không chì, xăng có pha mêtanol,
autogas…)
Dưới đây trình bày cơ sở lý thuyết để giải
quyết hai hướng nghiên cứu kể trên nhằm sử
dụng động cơ đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật
cao nhất
II Điều khiển quá trình cháy khi sử
dụng phun xăng điện tử
(Elec-tronic fuel injection – EFI)
Sự cháy trong động cơ là một hiện tượng
hết sức phức tạp xảy ra trong khoảnh khắc với
không gian nhỏ bị xáo trộn dữ dội và thay đổi
liên tục với hỗn hợp có thành phần hoá học,
áp suất, nhiệt độ khác nhau
Các nhân tố trên không ngừng tác động
tới quá trình cháy Cụ thể là làm tăng tốc độ
phân nhánh, bẻ gãy các phản ứng dây chuyền,
các hợp chất cac-bua-hyđrô của nhiên liệu với
ôxy trong không khí Đồng thời hiện tượng phân
ly và tái hợp sản phẩm cháy luôn xảy ra
Nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ
hết sức khó khăn, đến nay chủ yếu vẫn là
nghiên cứu thực nghiệm
Như các nghiên cứu đã chỉ rõ quá trình
cháy xảy ra trong động cơ phải thoả mãn biểu
thức sau:
min dt CV V
t
0
1 k 1 k 1
Dựa vào lý thuyết phản ứng dây truyền
và kết quả nghiên cứu của giáo sư Vi-be đã
tìm ra một phương trình gần đúng biểu thị lượng nhiên liệu được đốt cháy trong xy-lanh theo góc quay trục khuỷu
X = 1 -
1 m z 908 , 6
e
+
⎟⎟
⎞
⎜⎜
⎛ ϕ
ϕ
ư
(2) Chỉ tiêu m đặc trưng cho sự phát triển của quá trình cháy theo thời gian t hoặc theo góc quay trục khuỷu ϕ Trị số m =1,5 ứng với quá trình cháy trong động cơ một cách có lợi nhất Điều này có thể đạt được khi phối hợp khéo léo các nhân tố cấu trúc như góc đánh lửa sớm θ, thành phần hỗn hợp α, loại nhiên liệu và đặc tính của nhiên liệu
Thực nghiệm chứng tỏ rằng quá trình cháy xảy ra có lợi nhất khi pha cháy cơ bản (giai đoạn 2 của quá trình cháy trong động cơ xăng) phân bố đối xứng qua điểm chết trên (ĐCT) Kết luận này cho phép điều khiển quá trình cháy trở nên đơn giản hơn bằng cách
điều chỉnh các-bua-ra-tơ hoặc đặt lại chương trình phun cho hệ thống phun xăng điện tử Dựa vào đồ thị khai triển (nhờ máy dao
động ký đặc biệt trong phòng thí nghiệm động cơ)
Khi pha cơ bản của quá trình cháy phân
bố đối xứng qua ĐCT các yếu tố lý hoá, khả năng toả nhiệt và truyền nhiệt trong buồng cháy đảm bảo cho các phản ứng dây truyền
đạt trị số tốc độ thích hợp
Để điều chỉnh thành phần hỗn hợp khí-nhiên liệu theo điều kiện khí hậu môi trường Việt nam, cần xác định cụ thể hệ số α tối ưu cho mỗi loại động cơ, trong những trường hợp
đặc biệt có thể bố trí thêm bộ phận tự động làm thay đổi lượng nhiên liệu qua Rich-lơ chính của các-bua-ra-tơ, hoặc bộ phận cấp không khí của hệ thống EFI Để bù đắp lượng không khí nạp vào xy-lanh bị giảm sút khi áp suất môi trường thấp và nhiệt độ tăng Hiệu quả của quá trình cháy trên được mô tả qua
đồ thị:
Trang 320
40
2000 4000
n e (v/p)
g e
(ml)
80
60
n e
0 2 4
t°
6
CO %
Hình 1 Hiệu quả của bộ điều chỉnh tự động theo nhiệt độ môi trường:
a) Đặc tính ngoμi của động cơ khi có vμ không có bộ phận tự động điều chỉnh theo nhiệt độ khí hậu;
b) Thμnh phần CO trong khí xả của động cơ khi có
vμ không có bộ phận tự động điều chỉnh theo nhiệt độ khí hậu
Độ ẩm của không khí nạp vào mùa xuân
cháy nói chung Cùng với sự tăng độ ẩm thì
đồ thị chỉ thị của động cơ bị dịch chuyển và
vị trí của chúng càng rời xa ĐCT Quá trình
cháy kéo dài trên đường dãn nở, nồng độ CO
đổi như thế làm quá trình cháy rời khỏi vị trí tối
ưu tức là công thức (1) bị sai lệch không đúng
nữa, trị số m lớn, lúc này cần tăng góc đánh
lửa sớm θ
1 2
Thực nghiệm của tác giả đã chứng minh
trục khuỷu Đồ thị P - ϕ trên hình 2 chứng
minh điều đó
- Khi số vòng quay động cơ thấp, độ ẩm
làm giảm tốc độ lan tràn màng lửa
P
Hình 2 Tác động của góc θ tới quá trình cháy
V
V
V2 ư
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎞
⎜⎜
⎛
ư
T
T
1
2
Ux =
1 T
T V
V V
U
1 k 1
1
2 z
th
+
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ λ
(4)
trước;
Trang 4Ux - tốc độ xoáy lốc của màng lửa;
lửa có thể thấy được;
(Các phương án trên xác định bằng
phương pháp chụp ảnh quá trình cháy hoặc
bằng phương pháp Ion hoá)
V - thể tích phần đã cháy;
λ - hệ số kể đến sự truyền nhiệt trong
buồng cháy (λ <1)
Để giảm ảnh hưởng của độ ẩm tới tốc độ
cháy cần chú ý dạng buồng cháy lý tưởng,
tăng cường xoáy lốc một cách thích hợp, nâng
cao tốc độ chuyển động trung bình của pittông
cũng như chọn vị trí đặt nến điện hợp lý trong
buồng cháy Cần rút ngắn khoảng cách từ
bu-gi tới điểm xa nhất của buồng cháy để bu-giảm
bớt hiện tượng tắt sớm của ngọn lửa trong
vùng có nhiệt độ thấp hơn gần thành xy-lanh
Mặt khác, độ ẩm tăng làm giảm xu hướng
cháy kích nổ nên cho phép dùng xăng có trị
số ôc-tan thấp Điều này rất có ý nghĩa vì
nhiên liệu rẻ hơn, không phải pha thêm chất
phụ gia chống kích nổ, giảm ô nhiễm môi
trường do khói xả của động cơ ôtô
Vì vậy trong điều kiện Việt nam cũng cần
phải xem xét và xác định các loại xăng có trị
số ốc-tan thích hợp theo môi trường sử dụng
(nhiệt độ và độ ẩm)
III Sử dụng loại xăng phù hợp
Hiện nay nước ta đã thay thế xăng không
chì Nhưng khi sử dụng ta cũng cần xem xét
một số yếu tố sau:
- Cần phải chống ẩm cho các loại nhiên
liệu vì lượng nước có thể hoà tan vào trong
xăng tỷ lệ thuận với độ ẩm tương đối của
- Nếu nhiệt độ của nhiên liệu và không khí không khác nhau mấy thì lượng nước có trong xăng bằng lượng nước có trong không khí
- Trong điều kiện độ ẩm cao có thể dùng nhiên liệu có chứa oxy như hỗn hợp xăng với êtanol, mêtanol sẽ có tác dụng tăng công suất
động cơ
Gần đây, ở Mỹ đã dùng thiết bị phân tích hyđrô từ nước để trộn thêm vào không khí Nhiên liệu cháy tốt làm tăng công suất, giảm
trộn γ, α rồi đưa thêm vào ống nạp cũng mang lại kết quả tốt
IV Giải quyết theo hướng cải tiến kết cấu của động cơ
Vào những năm cuối của thế kỷ XX, hãng
ôtô Mitsubishi (Nhật Bản) đã đưa vào sản xuất
động cơ phun xăng điện tử trực tiếp (GDI – Gasoline Direct injection) lắp trên các thế hệ
xe con của hãng vào những năm 1998-2000
Đặc điểm của động cơ này là tính kinh tế rất cao, hỗn hợp có thể được đốt cháy với tỷ lệ không khí - nhiên liệu rất nhạt (A/F = 30 - 40, trong khi đối với các động cơ cac-bua-ra-tơ thông thường A/F = 15 - 16)
Đặc điểm về cải tiến kết cấu của động cơ phun xăng trực tiếp của hãng Mitsubishi là:
- Đường ống nạp được bố trí thẳng đứng
để tối ưu hoá dòng khí vận động trong xilanh
động cơ
- Tạo dạng lõm trên đỉnh pittông để tối ưu hoá quá trình chuyển động lướt của chùm nhiên liệu khi phun vào cuối kỳ nén (trong các
động cơ xăng khác đỉnh pittông thường là đỉnh bằng)
Trang 51 0 1 5 2 0 2 5 3 3 5 4 0
3 5 %
4000 0
2000
e (kg.m)
2
6000 8000 v/p m
- Sử dụng bơm xăng có áp suất cao để
cung cấp xăng qua vòi phun vào buồng cháy
- Sử dụng vòi phun có kim phun hình chốt
kiểu xoáy và phun với áp suất cao
10%
1
N e (ml)
2 mpi
1 gdi
10%
Vì vậy dòng không khí vào xi-lanh sẽ
chuyển động thẳng đứng từ xupáp nạp đến
phần lõm trên đỉnh pittông, kéo chùm trả
nhiên liệu vận động xoáy lốc khi ra khỏi vòi
phun chuyển động khắp trong buồng máy của
động cơ Mặt khác động cơ phun xăng trực
tiếp GDI còn có thể điều khiển được thời điểm
phun nhiên liệu ở hai chế độ mô men và công
suất
trước ĐCT với một lượng ít nhiên liệu có tỷ lệ
A/F = 14,7
Kết quả đạt được
1 Về tính kinh tế nhiên liệu:
Do phun nhiên liệu được điều khiển vào
cuối kì nén nên tính kinh tế rất cao so với các
động cơ cùng loại sử dụng phun xăng điện tử
(MPI) thì lượng nhiên liệu giảm 35%
g e , g/mlgiờ
α
Hình 3 So sánh tính kinh tế nhiên liệu
của động cơ GDI vμ MPI
2 Về đặc tính công suất vμ mô men
mô men của động cơ GDI với ε = 12 lớn hơn
10% so với công suất và mô men của động cơ MPI với ε =10,5
Hình 4 So sánh công suất vμ mô men giữa
động cơ MPI vμ GDI
3 Về ô nhiễm môi trường
Do kết hợp hai yếu tố là nâng cao hiệu quả cháy ở những chế độ hỗn hợp nhạt với tỷ
số A/F cao và động cơ được trang bị thêm bộ
giảm đáng kể khoảng 9,7%
V Kết luận
Động cơ phun xăng điện tử EFI gồm MPI
và GDI sử dụng rất nhiều các thành tựu kỹ thuật điện tử, vi điện tử và điều khiển điện tử
là xu hướng tất yếu của nghành chế tạo ôtô thế giới vì chúng có thể điều khiển được tối ưu hoá các quá trình cháy phù hợp với các chế
độ làm việc của động cơ do đó đáp ứng được tính kinh tế cao và không gây ô nhiễm môi trường
Tài liệu tham khảo [1] Internal Combustion Engine – Khovak 1990 [2] Contruction and Dising of Motor Vehicle Engines
[3] Mixture Formation in spark – Ignition Engines Development of Gasoline Infictine (GDI) Engine Okazaki – Aichi – Tokyo 1998 Ă
