Xây dựng mô hình chuẩn đoán động cơ xăng trên cơ sở kết quả phân tích thành phần khí thải

TỔNG QUAN 1.1 Khí thải ñộng cơ ñốt trong 1.1.1 Sự hình thành các thành phần khí thải Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocacbure với không khí chỉ sinh ra CO2, H2O và N2.. Tuy nhi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Chuyên ngành : KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ

CƠ GIỚI HOÁ NÔNG LÂM NGHIỆP

Mã số : 60.52.14

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS BÙI HẢI TRIỀU

HÀ NỘI – 2009

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa hề ñược sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào

Tôi xin cam ñoan rằng mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn này

ñã ñược cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñã ñược chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả

ðinh Quang Hùng

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện ñề tài này, tôi ñã nhận ñược sự hướng dẫn, chỉ bảo và giúp ñỡ tận tình của các thầy, cô giáo trong Khoa Cơ ðiện và các thầy cô trong trường Nhân dịp này, cho phép tôi ñược bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc ñến quý thầy cô

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Bùi Hải Triều ñã chỉ bảo hướng dẫn từ việc ñịnh hướng ban ñầu, giải quyết từng nội dung ñề tài, ñến sửa ñổi những sai sót ñể hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ, giáo viên bộ môn ðộng Lực

- Khoa Cơ ðiện và toàn thể các thầy cô giáo trong Khoa Cơ ðiện - Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành ñến các thầy cô giáo ñã trực tiếp giảng dạy tôi trong quá trình học tập tại trường và các thầy cô giáo Viện Sau ðại Học - Trường ðại học nông nghiệp Hà Nội

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh ñạo và các ñồng nghiệp khoa Công nghệ ô tô Trường Cao ñẳng nghề kỹ thuật Việt ðức Nghệ An ñã giúp

ñỡ tôi thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn sự nhiệt tình giúp ñỡ của gia ñình và người thân ñã luôn luôn ñộng viên tạo mọi ñiều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Một lần nữa tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất của mình tới tất cả những tập thể và cá nhân ñã dành cho tôi mọi sự giúp ñỡ quý báu trong quá trình hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả ðinh Quang Hùng

1.1.2 Luật kiểm sốt phát thải động cơ 12

1.1.3 Khả năng phân tích khí thải để chẩn đốn động cơ 20

1.1.4 Khái quát về chẩn đốn động cơ 20

1.2 Các phương pháp chẩn đốn truyền thống 22

1.2.1 Chẩn đốn cơng suất 22

1.3 Chẩn đốn trực tuyến OBD 29

2.1 Sự hình thành các thành phần khí thải chính 34

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến thành phần khí thải 35

2.2.1 Tỷ lệ khí - nhiên liệu lý thuyết 35

2.2.5 Chế độ lái xe và các khí xả 49

2.3 Ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật của động cơ đến thành phần

2.3.1 Ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật cơ cấu biên tay quay 51

2.3.2 Ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật hệ thống nạp và xả 51

2.3.3 Ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật hệ thống đánh lửa 52

2.4 Phương pháp phân tích thành phần khí thải 53

2.4.1 Những nguyên tắc chung 53

2.4.2 Nguyên lý một số thiết bị phân tích thành phần khí thải 54

2.5 Khái quát về động cơ phun xăng điện tử 60

2.5.1 Khái niệm về hệ thống phun xăng điện tử 60

2.5.2 Lịch sử hệ thống phun xăng điện tử 60

2.5.3 Sơ đồ tổng quát của hệ thống phun xăng điện tử 62

2.5.4 Phân loại hệ thống phun xăng điện tử 64

2.5.5 Ưu nhược điểm của hệ thống phun xăng so với loại dùng CHK 65

2.6 Nguyên lý hoạt động của một số thiết bị chẩn đốn cầm tay dùng

cho các loại xe điều khiển điện tử cĩ trang bị hệ thống OBD 65

Chương 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHÂN LẬP DẤU HIỆU

3.1 Lựa chọn thơng số chẩn đốn 70

3.2 Xây dựng hệ thống đo và xử lý tín hiệu chẩn đốn 73

3.2.1 Thiết bị thí nghiệm: 73

3.3 Các phương án thí nghiệm 77

3.3.1 Thí nghiệm động cơ ở trạng thái kỹ thuật tốt 77

3.3.2 Ảnh hưởng của độ kín buồng nén 78

3.3.3 Ảnh hưởng của sức cản đường nạp 81

3.4 Phân tích kết quả 84

3.4.1 Trường hợp giảm áp suất nén trong buồng ñốt 85

3.4.2 Trường hợp tăng sức cản ñường nạp 87

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT DÙNG CHUNG

CHK Chế hòa khắ CLD Bộ phát ựiện quang hóa CVS Thiết bị lấy mẫu theo thể tắch không ựổi EFI Phun xăng ựiện tử FID Máy ựo sự ion hóa của ngọn lửa i Số xilanh ựộng cơ NDIR Hồng ngoại không phân tán

Nực Tần số quay ựộng cơ Ne Công suất có ắch PPM Phần triệu ECM Modul ựiều khiển trung tâm TCCS Hệ thống ựiều khiển bằng máy tắnh của Toyota ESA đánh lửa sớm ựiện tử ISC điều khiển tốc ựộ không tải OBD Chẩn ựoán trực tuyến

CÁC KÝ HIỆU HÓA HỌC

C Cacbon CO Ô xít cacbon

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.1 Các thông số do OBD II và EOBD giám sát 32

3.1 Thông số kỹ thuật của thiết bị phân tích khí xả QROTECH 74

3.1 Kết quả phân tích thành phần khí thải của ñộng cơ EF SONATA

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.1 Chế ñộ chạy trong thành phố của Mỹ- Mô hình lái xe LA4 13

1.2 Thiết bị lấy mẫu theo thể tích không ñổi 14

1.3 Chế ñộ chạy trong thành phố của EEC 15

1.4 Chế ñộ lái xe Nhật 10 chế ñộ (6 chu kỳ) 16

1.5 Chế ñộ lái xe Nhật 11 chế ñộ (4 chu kỳ) 17

1.6 Lược ñồ so sánh 4 loại khí trong các ñiều kiện bảo trì tốt 18

1.7 Vùng cần kiểm tra tiếng gõ 26

2.1 Biến thiên nồng ñộ một số hyñrocacbure 36

2.2 Sự hình thành HC do tôi màng lửa trên thành buồng cháy 38

2.3 Sơ ñồ các nguồn phát sinh HC 40

2.4 Nguồn phát sinh HC trong ñộng cơ ñánh lửa cưỡng bức 42

2.5 ðồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nồng ñộ CO vào tỷ lệ khí -

2.6 Biến thiên nồng ñộ NO theo hệ số dư lượng không khí 47

2.7 Ảnh hưởng của tỉ lệ khí xả hồi lưu ñến nồng ñộ NO 48

2.8 Ảnh hưởng của góc ñánh lửa sớm ñến nồng ñộ NO 49 2.9 Phổ hấp thụ hồng ngoại của các thành phần khí khác nhau 43

2.10 Nguyên lý của máy phân tích NDIR 54

2.11 Sơ ñồ máy phân tích khí xả hồng ngoại cảm biến ñiện dung 55

2.12 Buồng ño hồng ngoại với cảm biến dòng khí 56

2.17 Sơ ñồ khối thể hiện kết cấu cơ bản của hệ thống phun xăng ñiện tử 63

2.18 Sơ ñồ hệ thống phun xăng ñiện tử 64

2.19 Máy chẩn đốn cầm tay 67

2.20 Máy chẩn đốn tổng hợp 68

3.1 Máy phân tích khí xả QROTECH 73

3.2 Máy chẩn đốn cầm tay (Scantool) 76

Với những lý do trên học viên chọn đề tài luận văn “Xây dựng mơ hình chẩn đốn động cơ xăng trên cơ sở kết quả phân tích thành phần khí thải”

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Khí thải ñộng cơ ñốt trong

1.1.1 Sự hình thành các thành phần khí thải

Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocacbure với không khí chỉ sinh

ra CO2, H2O và N2 Tuy nhiên, do sự không ñồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hoá diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả ñộng cơ ñốt trong luôn có chứa một hàm lượng ñáng

kể những chất ñộc hại như ôxít nitơ (NO, NO2, N2o, gọi chung là NOx), ôxít cacbon (CO), các hydrocacbon chưa cháy (HC) và các hạt rắn Lưu huỳnh và các chất phụ gia trong nhiên liệu cũng có ảnh hưởng ñến thành phần khí thải Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị ôxy hoá thành SO2, sau ñó một bộ phận SO2 bị ôxy hoá tiếp thành SO3, chất có thể kết hợp với nước ñể tạo thành H2SO4

1.1.2 Luật kiểm soát phát thải ñộng cơ

1.1.2.1 Các tiêu chuẩn kiểm soát khí thải của Mỹ

Việc kiểm tra sử dụng ñể quyết ñịnh xem liệu xe mẫu cụ thể có phù hợp với các tiêu chuẩn khí xả của Mỹ hay không ñược tiến hành bằng cách ñặt xe lên bệ thử, chạy xe ở chế ñộ LA4 và ño tổng khối lượng từng khí xả (CO, HC, NOx) phát ra từ ôtô Những tiêu chuẩn này áp dụng cho các xe ñộng

cơ xăng, không tính tới khối lượng hay dung tích xilanh

Chế ñộ kiểm tra LA4 ñược tiến hành theo cách sau: ñầu tiên chiếc xe ñược ñể trong phòng thí nghiệm từ 12 ñến 36 giờ với nhiệt ñộ bên ngoài ñược kiểm soát rất cẩn thận (Duy trì trong khoảng 100C - 300C) Sau ñó ñộng cơ xe ñược khởi ñộng lạnh Khối lượng (g/dặm) của CO, HC, NOx phát ra từ xe ñược ño bằng thiết bị lấy mẫu theo thể tích không ñổi (CVS) trong khi xe ñang chạy trên bệ thử ñộng ở chế ñộ LA4 Bên cạnh những giá trị ñã ño ñược, các giá trị về bay hơi nhiên liệu và lọt khí cũng ño ñược bằng phương pháp kiểm tra này

Hình 1.1 Chế ñộ chạy trong thành phố của Mỹ- Mô hình lái xe LA4

Thời gian mẫu: 1877s Tốc ñộ trung bình: 34,2 km/h

Thời gian chạy: 1877s Tốc ñộ cực ñại: 91,2 km/h

Khoảng cách: 17,84 km Thời gian chạy không tải: 18,2%

Giá trị tiêu chuẩn (Dùng cho các xe chở khách năm 1995)

ra khỏi bộ lấy mẫu Tuy nhiên một phần nhỏ của hỗn hợp này ñược chứa trong túi 1 và tỷ trọng mỗi khí (CO, HC, NOx) ñược ño Khối lượng mỗi khí sau ñó ñược tính bằng cách nhân nồng ñộ của mỗi khí trong túi 1 bằng với tỷ trọng khí và bằng thể tích khí ñã xả ra bởi quạt (ðược ño bởi máy ño):

2 trước khi chúng ñược trộn với khí xả (túi 2 ñóng vai trò kiểm tra khí trong túi

1, lượng CO, HC, NOx trong túi 2 trừ ñi lượng CO, HC, NOx trong túi1)

nó bắt ñầu từ lúc xe khởi ñộng lạnh (sau khi ñã ñể trong phòng có nhiệt ñộ

200C – 300C ít nhất 6 giờ)

Trong quá trình kiểm tra, lượng CO, tổng lượng HC và NOx ñược ño trong khi xe thực hiện hoàn chỉnh 1 chế ñộ kiểm tra bao gồm: không tải, tăng tốc, chạy ñều, giảm tốc

Một chế ñộ kiểm tra mới ñã ñược áp dụng cho các xe mới bắt ñầu từ 7/1992 Chế ñộ này ngoài phần chạy trong thành phố như chỉ ra dưới ñây còn thêm phần chạy trên ñường cao tốc với tốc ñộ cực ñại 120 km/h

Hình 1.3 Chế ñộ chạy trong thành phố của EEC

Thời gian mẫu: 780s Tốc ñộ trung bình: 19 km/h

Thời gian chạy: 820s Tốc ñộ cực ñại: 50 km/h

Khoảng cách: 4,05 km Thời gian chạy không tải: 35,4%

Giá trị tiêu chuẩn (Dùng cho xe du lịch chở ñược ñến 6 khách năm 1995 và 1996)

ðơn vị: g/km

1.1.2.3 Các tiêu chuẩn khí xả của Nhật

Ở Nhật bản cả hai chu trình 10 chế ñộ và 11 chế ñộ dưới ñây ñều ñược

ở dưới nó còn thêm chế ñộ chạy ở tốc ñộ cực ñại 70 km/h

Hình 1.4 Chế ñộ lái xe Nhật 10 chế ñộ (6 chu kỳ)

Thời gian mẫu: 675s Tốc ñộ trung bình: 17.7 km/h

Thời gian chạy: 810s Tốc ñộ cực ñại: 40 km/h

Khoảng cách: 3.98 km Thời gian chạy không tải: 26.7%

ðo theo chu trình 11 chế ñộ: Phương pháp này tương ñương với phương pháp 10 chế ñộ, nhưng nó dựa trên chế ñộ lái xe từ vùng ngoại ô vào thành phố, tốc ñộ cao hơn chu trình 10 chế ñộ Phương pháp này cũng ñược

gọi là: “phương phỏp khởi ủộng lạnh” Xe ủược ủể ở nhiệt ủộ 200C – 300C trong 6 giờ Việc ủo ủược bắt ủầu ngay sau khi xe nổ mỏy Xe ủược chạy trong 4 chu trỡnh, mỗi chu trỡnh bao gồm 11 chế ủộ như hỡnh vẽ dưới Khớ xả ủược giữ lại từ lỳc ủộng cơ khởi ủộng ủến lỳc kiểm tra và ủược ủo bằng phương phỏp CVS

Hỡnh 1.5 Chế ủộ lỏi xe Nhật 11 chế ủộ (4 chu kỳ)

Thời gian mẫu: 480s Tốc ủộ trung bỡnh: 30.6 km/h

Thời gian chạy: 505s Tốc ủộ cực ủại: 60 km/h

Khoảng cỏch: 4.08km Thời gian chạy khụng tải: 21.7%

Cỏc chế ủộ tiờu chuẩn (Dựng cho xe năm 1995)

CO g/km

HC g/km

NOxg/km

CO g/lần thử

HC g/lần thử

NOxg/lần thử

Áp dụng cho xe du

lịch có khả năng

chở đến 10 người

1.1.2.4 Tiờu chuẩn về khớ xả của hóng TOYOTA

Theo các tiêu chuẩn qui định về thành phần CO trong khí xả của h:ng TOYOTA:

- Với loại động cơ 1RZ, 2RZ CO : 2.5%

(Đối với các xe xuất sang Châu âu, Singapo, các nước vùng vịnh tỷ lệ này là

CO = 1.0 - 0.5%)

- Với loại động cơ của xe Camry CO : 1.5%

(Đối với các xe xuất sang Châu âu, Singapo, các nước vùng vịnh tỷ lệ này là

CO = 0 - 0.5%)

H:ng TOYOTA cũng đ: tiến hành phân tích 4 loại khí trên với 100 mẫu

xe của h:ng trong các điều kiện bảo trì tốt và có lược đồ so sánh như sau:

Hỡnh 1.6 Lược ủồ so sỏnh 4 loại khớ trong cỏc ủiều kiện bảo trỡ tốt (Trong lược ủồ này CO là khớ tham chiếu)

1.1.2.5 Tiờu chuẩn Việt Nam

- Năm 1990, Chớnh phủ Việt Nam ủó ban hành tiờu chuẩn TCVN 5123

- 90 quy ñịnh về hàm lượng CO trong khí xả ñộng cơ xăng ở chế ñộ không tải Tiêu chuẩn này ñược áp dụng cho tất cả ô tô chạy xăng có khối lượng lớn hơn 400 kg Hàm lượng CO ñược ño trực tiếp trong ống xả, cách miệng xả 300mm, ở hai chế ñộ tốc ñộ: nmin và 0,6ndm (ndm là tốc ñộ ñịnh mức) Hàm lượng CO không ñược vượt quá 3,5% ở chế ñộ nmin và 2,0% ở chế ñộ 0,6ndm

- Năm 1991, Chính phủ Việt Nam ban hành tiêu chuẩn TCVN 5418-91 quy ñịnh về ñộ khói trong khí xả ñộng cơ Diesel Tiêu chuẩn này ñược áp dụng cho tất cả các loại ô tô dùng ñộng cơ Diesel ðộ khói của khí xả ño ở chế ñộ gia tốc tự do không ñược vượt quá 40% HSU (ñộng cơ không tăng áp)

và 50% HSU (ñộng cơ tăng áp)

- Năm 1998, Chính phủ Việt Nam ban hành tiêu chuẩn TCVN 6438-98 quy ñịnh lại cụ thể hơn giới hạn cho phép của các chất ô nhiễm trong khí xả của phương tiện vận tải

Giá trị tiêu chuẩn Phương tiện ñang sử dụng Phương tiện ñăng ký

lần ñầu Phương tiện ñộng

cơ xăng

Phương tiện ñộng cơ ðiezen

Phương tiện ñộng cơ ðiêzen

1.1.3 Khả năng phân tích khí thải để chẩn đốn động cơ

Chất lượng cháy của hỗn hợp đốt cĩ ảnh hưởng lớn đến việc phát huy cơng suất động cơ, chi phí nhiên liệu Mặt khác, chất lượng cháy của hỗn hợp lại phụ thuộc vào tình trạng kỹ thuật của nhiều hệ thống, chi tiết của động cơ

mà một phần kết quả của quá trình cháy là khí xả Nĩi cách khác, các thành phần khí xả là biểu hiện chất lượng đốt cháy hỗn hợp cũng cĩ nghĩa là biểu hiện tình trạng kỹ thuật của động cơ nĩi chung Vì vậy, việc phân tích các thành phần khí xả để chẩn đốn động cơ cũng là một trong những hướng nghiên cứu về chẩn đốn hiện đại

Hiện nay, các thiết bị đo và phân tích khí xả được sử dụng để kiểm tra lượng khí xả của các phương tiện cơ giới tham gia giao thơng theo luật định Những thiết bị đo và phân tích khí xả cũng cịn là phương tiện trợ giúp hiệu lực để điều chỉnh tối ưu sự tạo thành hỗn hợp, quá trình đốt cháy hỗn hợp, thời điểm đĩng mở xupap Hơn nữa, các thiết bị này khi được tận dụng và khai thác triệt để nĩ cũng sẽ là những cơng cụ trợ giúp đắc lực cho việc phán đốn sự cố khi tiền hỏng hĩc ở động cơ

1.1.4 Khái quát về chẩn đốn động cơ

ðộng cơ là một tổ hợp phức tạp của nhiều cụm và chi tiết máy.Trong

quá trình vận hành động cơ cĩ thể xảy ra sự cố bất thường Nguyên nhân hư hỏng đĩ cĩ thể là do các bộ phận cơ học của động cơ cũng cĩ thể là do một hoặc nhiều hệ thống hỗ trợ động cơ (nhiên liệu, bơi trơn, làm mát đánh lửa) hoặc các hệ thống khác liên quan đến động cơ: hệ thống xả, khởi động, điều khiển động cơ bằng điện tử Xác định các nguyên nhân hư hỏng đĩ chính là chẩn đốn động cơ Các nguyên nhân cơ bản của các hỏng hĩc trên động cơ thường là hở đường nạp khơng khí, điều chỉnh khơng đúng hoặc thay đổi gĩc bắt đầu phun hoặc gĩc đánh lửa, kẹt tắc các thiết bị phun nhiên liệu và nĩi chung là sai lệch trạng thái hoạt động đúng của hệ thống cung cấp nhiên liệu

và ñốt cháy ðối với mỗi dạng cấu trúc của các hệ thống này, các sai lệch sẽ

có những biểu hiện riêng, thí dụ ñối với hệ thống cung cấp diesel là sai lệch các trạng thái của vòi phun hoặc bơm áp suất cao, ñối với ñộng cơ sử dụng chế hoà khí có thể sai lệch thời ñiểm ñánh lửa còn ñối với hệ thống phun xăng ñiện tử là sai lệch trạng thái của vòi phun hoặc mạch ñiều khiển ñiện tử…Các nguyên nhân khác là chất lượng các chi tiết làm kín kém, các chi tiết không ñược xiết ñủ chặt, ñiều chỉnh không ñúng các cơ cấu và hệ thống của ñộng cơ, làm sạch kém các bộ phận lọc dầu, rò rỉ ở hệ thống làm mát Khả năng làm việc của ñộng cơ ñược ñánh giá cơ bản bằng các chỉ tiêu công suất và tính tiết kiệm nhiên liệu (chi phí nhiên liệu riêng) cũng như chất lượng khởi ñộng, mức ồn và gõ Những sai lệch chủ yếu ảnh hưởng ñến khả năng làm việc của ñộng cơ là: hao mòn các chi tiết của nhóm piston - xilanh, mòn cổ biên và cổ chính của trục khuỷu, mất ñiều chỉnh trong cơ cấu xupap và các sai lệch trong

hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống ñốt cháy

Sự thay ñổi trạng thái kĩ thuật của hệ thống cung cấp hỗn hợp ñốt ở ñộng cơ chế hoà khí như thay ñổi mức nhiên liệu trong buồng phao, lượng cung cấp xăng từ bơm, áp suất nhiên liệu của bơm và ñộ chân không trong ñường nạp…sẽ làm xấu quá trình cháy và do ñó làm giảm các chỉ tiêu công suất, tính tiết kiệm nhiên liệu và thành phần khí xả Cũng dẫn ñến các kết quả như vậy khi xuất hiện trục trặc ở hệ thống ñiều khiển ñiện tử trên các xe hiện ñại, ñược trang bị ñể ñiều khiển ñộng cơ, thí dụ ñứt hoặc ngắt mạch, hao mòn, bẩn hoặc ăn mòn hoá học…

Số hỏng hóc tương ñối lớn nhất trong quá trình sử dụng ở ñộng cơ chế hoà khí xuất hiện ở hệ thống ñốt cháy Sự thay ñổi giá trị cần thiết của góc ñánh lửa, thời ñiểm ñánh lửa, trạng thái ñiều chỉnh góc ñánh lửa, các thông số của mạch sơ cấp và thứ cấp, khe hở bugi…dẫn ñến làm xấu các chỉ tiêu hoạt ñộng của ñộng cơ

Hao mịn cịn tác động lớn hơn nữa đến các liên kết vịng găng piston, các gối đỡ chính và gối đỡ biên Khi đĩ thường gặp hơn cả trong các gối đỡ là

sự phá huỷ lớp chống ma sát, xước trên bề mặt ốp, đệm cổ chính, làm nĩng chảy hoặc ép vỡ, trĩc lớp chống ma sát, làm tắc lỗ dẫn dầu

Trong nhĩm piston - xilanh các hư hỏng và sai lệch chủ yếu là: tăng khe

hở hướng kính giữa xilanh và piston, khe hở trong liên kết giữa vịng găng hơi

và dầu trên piston, giảm đàn hồi và vỡ gãy vịng găng hơi, vịng găng dầu, khe

hở ở trong chốt piston Khi cĩ sự khơng kín sát trong nhĩm piston – xilanh làm tăng lọt khí từ khơng gian bên trong buồng đốt xuống cacte ðiều đĩ làm xấu chất lượng tạo thành hỗn hợp, đốt cháy nhiên liệu và làm tăng chi phí nhiên liệu riêng, tăng độ khĩi, tác động xấu dến thành phần khí xả

Sai lệch chủ yếu của hệ thống bơi trơn là giảm áp suất dầu trong mạch dầu chính do các nguyên nhân sau: mức dầu trong cacte thấp, mịn liên kết trong cơ cấu biên tay quay, giảm lượng cung cấp của bơm dầu, mất điều chỉnh van dịng hoặc van an tồn, độ nhớt dầu thấp…

Sai lệch trong cơ cấu phân phối khí dẫn đến giảm cơng suất động cơ, tăng chi phí nhiên liệu, gây ồn, tăng hao tổn dầu nhờn Việc giảm cơng suất xảy ra khi điều chỉnh khơng đúng cơ cấu, cháy hoặc biến dạng xupap, mịn mặt cam trên trục phân phối, giảm độ đàn hồi của lị xo xupap Hao tổn dầu tăng là do lọt qua các bộ phận làm kín, thơng hơi cacte kém, mịn vịng găng piston, mịn piston và xilanh, mịn bạc dẫn hướng xupap và làm mất độ kín… Các thơng số chẩn đốn trong đa số các trường hợp được đặc trưng bởi phương pháp chẩn đốn Trong các phương pháp hiện đại cĩ phương pháp chẩn đốn động cơ theo thành phần khí xả

1.2 Các phương pháp chẩn đốn truyền thống

1.2.1 Chẩn đốn cơng suất

Cơng suất là một trong những thơng số chẩn đốn quan trọng bởi vì nĩ

phản ánh tình trạng hầu như toàn bộ các cụm hệ thống chắnh của ựộng cơ như: nhóm piston, các chi tiết truyền ựộng của ựộng cơ, hệ cung cấp nhiên liệu, hệ cung cấp không khắ cho ựộng cơ

để ựo ựược công suất, ựã có rất nhiều phương pháp như: ựo trực tiếp trên bệ thử, xác ựịnh bằng phương pháp gia tốc hay phương pháp ngắt sự làm việc của các xilanh đo trực tiếp trên bệ thử là phương pháp ựược cho là tốn kém và yêu cầu phải có các trang thiết bị phức tạp và nhà xưởng Do vậy, việc chẩn ựoán công suất theo phương pháp này chỉ thực hiện khi máy móc phải ựược ựưa ựến xưởng chẩn ựoán

Hiện nay, hai phương pháp chẩn ựoán công suất bằng cách ngắt sự làm việc của các xi lanh và bằng gia tốc ựang nhận ựược nhiều sự quan tâm hơn Bởi vì ưu ựiểm của hai phương án này là: chi phắ thấp, cho kết quả nhanh, trang thiết bị gọn nhẹ và có tắnh cơ ựộng cao

* Theo phương pháp ngắt sự làm việc của ựộng cơ:

đã có một số nhà khoa học tiến hành ựo công suất từng xilanh bằng cách ngắt các xilanh khác chỉ ựể một xilanh làm việc Việc xác ựịnh công suất của từng xilanh sẽ cho chúng ta biết sự hư hỏng của các cụm chi tiết hay hệ thống thuộc xilanh nào?

Bản chất của chẩn ựoán công suất bằng phương pháp ngắt xilanh là: trong giới hạn thay ựổi công suất của xilanh có thể phát hiện ựược trong sử dụng do nguyên nhân hư hỏng hoặc sai lệch ựiều chỉnh thì sự phụ thuộc của

áp suất chỉ thị trung bình (pi = f(n)) và áp suất có ắch trung bình (pe = f(n)) vào vòng quay trục khuỷu ựộng cơ ở nhánh ựiều chỉnh của ựường ựặc tắnh có thể coi là cách quãng ựều nhau

Bằng thực nghiệm, các tác giả này ựã xây dựng ựược các ựường ựặc tinh pi = f(n); pe = f(n) cho các trường hợp: lượng cung cấp nhiên liệu lớn nhất; ựiều chỉnh ựúng cả ựộng cơ; giảm áp suất nén của xilanh; góc phun sớm

nhỏ; lượng cung cấp nhiên liệu nhỏ nhất Trên cơ sở đĩ, họ đã đưa ra một số phương án chẩn đốn trạng thái động cơ từ các đường đặc tính này

Cũng là phương pháp “ngắt xilanh” để chẩn đốn cơng suất, nhưng các tác giả khác đã thực hiện việc ngắt lần lượt từng xilanh và lấy nĩ làm tải trọng cho các xilanh cịn lại Việc tạo lập các dấu hiệu chẩn đốn được thực hiện theo phương pháp cĩ mơ hình trợ giúp Phần mềm chuyên dụng để nghiên cứu động cơ do hãng AVL của Cộng hịa Áo sáng chế - BOOTS cho phép chúng ta mơ phỏng các quá trình hoạt động của động cơ với độ chính xác và tin cậy cao Phần mềm này cho phép xây dựng được các mơ hinh động cơ nhờ

sự khai báo các thơng số đầu vào và đầu ra của động cơ Các tác giả này đã xây dựng được mơ hình của một động cơ cụ thể và thực hiện các phương án thí nghiệm trên cả động cơ thực và động cơ mơ hình đĩ Nhờ phương pháp

mơ hình trợ giúp (phương pháp đánh giá tham số và phương pháp so sánh đồng đẳng) các tác giả đã xây dựng được các mối quan hệ giữa đường đặc tính momen với tình trạng kỹ thuật của động cơ

* Theo phương pháp gia tốc:

Theo phương pháp này, tải trọng được tạo ra do sự tăng tốc đột ngột của động cơ Quá trình “chuyển tiếp” từ tốc độ thấp ổn định lên tốc độ cao ổn định là giai đoạn làm việc của động cơ được sử dụng để nghiên cứu, phân tích, đánh giá nhằm tạo lập các dấu hiệu để chẩn đốn động cơ Giai đoạn

“chuyển tiếp” là giai đoạn chứa tương đối nhiều thơng tin về sự biến đổi cơng suất Cơng suất hiệu dụng và mơ men quay của động cơ được xác định theo giá trị gia tốc của quá trình tăng tốc tự do (tỷ lệ thuận với đạo hàm bậc nhất của vận tốc gĩc)

Khi tăng tốc trục khuỷu động cơ phương trình chuyển động cĩ dạng:

dt Jdw = Zp*(Mi1- Mm)

Mi1- Mơ men chỉ thị của một xilanh làm việc

Mm- Mơ men hao tổn cơ học

Cơng suất của động cơ cĩ thể xác định theo cơng thức

Ne = J *

dt

dw

* w (KW) Hoặc theo tần số quay của trục khuỷu n

Ne = J *

dt

dw * 974

n (KW) Như vậy, bằng phương pháp gia tốc người ta cĩ thể tạo tải trọng cho động cơ trong khi khơng cần tải trọng ngồi Trên các thiết bị chẩn đốn gia tốc hiện đại về nguyên lý cơ bản vẫn dựa trên cơ sở tạo tải trọng nhờ tăng vận tốc quay của động cơ và phân tích các thơng tin nhận được trong quá trình chuyển tiếp

1.2.2 Phân tích ồn rung

Tiếng ồn phản ánh các hiện tượng khí động trong quá trình nạp, thải, cháy của động cơ Loại âm thanh này ít được dùng trong chẩn đốn vì ít cĩ giá trị thơng tin Tiếng va đập (gõ) được sử dụng trong chẩn đốn nhiều hơn,

do khe hở lớn giữa các chi tiết cĩ chuyển động tương đối với nhau hoặc do sự

va chạm bởi các nguyên nhân như: lọt dị vật vào buồng cháy, xupap chạm vào đỉnh piston do lắp hay điều chỉnh sai v.v Khi khe hở giữa các chi tiết ma sát tăng cao, tất yếu dẫn đến cường độ va đập mạnh lên

Mỗi loại tiếng gõ đều cĩ những đặc trưng riêng và phát ra rõ nhất ở những vị trí cĩ va đập Những đặc điểm này cần được khai thác khi kiểm tra

phát hiện Tuy nhiên nó phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người kiểm

tra Những thiết bị ựo âm thanh thực ra cũng không có hiệu quả nhiều hơn, vì

chúng chỉ khuếch ựại âm hoặc ựộ rung ựộng mà không có khả năng phân tắch

ựặc tắnh tần số - biên ựộ của loại va ựập ựó đặc ựiểm của một số loại tiếng gõ

và thao tác kiểm tra như sau:

- Cổ chắnh và bạc: Thay ựổi ựột ngột tốc ựộ: tiếng trầm ựục và mạnh

- Cổ biên và bạc: Thay ựổi ựột ngột tốc ựộ: tiếng gõ nhẹ và vang hơn cổ

chắnh, triệt tiêu khi ngắt nhiên liệu xy lanh kiểm tra

- Chốt pắt tông và bạc: Thay ựổi tốc ựộ ựột ngột từ thấp ựến trung bình:

tiếng gõ kim loại ựanh rõ, giảm ựi khi ngắt nhiên liệu xy lanh kiểm tra

- Xu pap và ựòn bẩy: để vòng quay nhỏ và trung bình: tiếng lách tách nhẹ

ựều ở mọi chế ựộ làm việc

- Tiếng bánh răng: để vòng quay nhỏ: tiếng rào rào ựều ựều

Hình 1.7 Vùng cần kiểm tra tiếng gõ

1.4 Pắt tông-xi lanh-xéc măng 2 Cổ biên trục khuỷu và bạc

3 Chốt pắt tông và bạc 5 Các cổ chắnh và bạc

6 Cổ trục cam và bạc 7 Cam và con ựội

8 Con ựội và lỗ con ựội 9 Xu páp và ựế

10 Lỗ ựòn bẩy và trục 11 đòn bẩy và ựuôi xu páp

12 Các bánh răng

Một số phương pháp xác định tình trạng mịn nhĩm piston-xilanh qua việc đo biên độ kiểu mạch động của tiếng va đập (do sự thay đổi chiều chuyển động của pit tơng gây nên) thu được kết quả khá tốt Khi khe hở tăng, biên độ tiếng va đập tăng theo, song khơng thể xác định chính xác giá trị của khe hở

ðể nghe tiếng gõ, một dụng cụ phổ biến là

ống nghe với đầu dị như ống nghe dùng trong

y tế hoặc dụng cụ nghe như hình bên giới thiệu

cĩ thể nhanh chĩng kết luận: Chỗ hư hỏng, mức độ hư hỏng

Với các cụm phức tạp, hình thù đa dạng (ví dụ cụm động cơ) để cĩ thể chẩn đốn đúng, phải tiến hành nhiều lần ở các vị trí khác nhau

1.2.3 Phân tích mơi chất

* Phân tích dầu bơi trơn

Tính dị thường của một quá trình hoặc một trạng thái cấu trúc cĩ thể biểu diễn bởi thành phần hoặc tính chất của mơi chất Trên cơ sở đĩ cĩ thể xây dựng các dấu hiệu chẩn đốn nhờ các phép đo thích hợp và xây dựng các dấu hiệu nhận dạng trạng thái chẩn đốn phù hợp Dầu bơi trơn động cơ là một mơi chất hoạt động chứa rất nhiều thơng tin về hao mịn các bề mặt ma sát trong động cơ cũng như trạng thái hoạt động của động cơ [1]

Phân tích dầu bơi trơn cho phép nhận biết các trạng thái kỹ thuật động

cơ nhờ những biểu hiện sau:

- Lượng hạt mà hoặc mức độ bứt hạt mài: là độ tăng lượng hạt mài theo thời gian cho biết trạng thái tức thời hoặc biểu hiện hư hỏng

- Dạng hạt mài cho biết dạng hư hỏng Hao mịn được nhận biết bởi dạng hạt mài phẳng, mỏng, mỏi vật liệu sẽ biểu hiện bởi nhiều hạt mài dạng gọn hơn

- Loại vật liệu hạt mài cho biết vùng hư hỏng Mạt kim loại màu là dấu hiệu hao mịn ổ trượt, mạt sắt xuất hiện từ mặt răng, vịng găng hoặc ổ lăn, mạt gang từ mài mịn mặt gương xilanh, mạt kim loại nhẹ từ piston…

Việc phân tích hạt mài được thực hiện bằng thiết bị gọn nhẹ, thuận tiện

Từ kết quả phân tích hạt mài động cơ nghiên cứu được đánh giá theo các mức độ: hoạt động an tồn, hoạt động an tồn giới hạn hoặc hoạt động với xác suất

cả những yếu tố đĩ sẽ mơ tả một cách trực tiếp và đầy đủ tình trạng kỹ thuật của một động cơ

Ngày nay, việc phân tích các thành phần khí xả để chẩn đốn động cơ

là một trong những phương pháp được nhiều nhà khoa học quan tâm và họ

cho rằng đây là một trong những hướng nghiên cứu hiện đại Sở dĩ như vậy là

do phương pháp này cĩ rất nhiều ưu điểm mà các phương pháp khác khơng cĩ được: bố trí thí nghiệm đơn giản, chi phí thấp, kết quả thí nghiệm thu được rất nhanh chĩng và đặc biệt tính chất của dịng khí thải chứa rất nhiều thơng tin

về tình trạng kỹ thuật của động cơ

Tuy nhiên trong phương pháp phân tích khí thải để chẩn đốn động cơ lại cịn cĩ rất nhiều hướng nghiên cứu khác nhau nhằm chẩn đốn các loại động cơ khác nhau hoặc nhằm nâng cao tính chính xác của mức độ phản ánh thơng tin tình trạng kỹ thuật của động cơ từ dịng khí thải hoặc cũng cĩ thể là

để đơn giản hĩa, giảm thiểu chi phí về thời gian cũng như tiền của để phát hiện một cách nhanh nhất, chính xác nhất những hư hỏng từ động cơ Theo các hướng đĩ, một số cơng trình của các tác giả trong nước cũng như trên thế giới đã đề cập và giải quyết ở các mức độ khác nhau

Trong khi nghiên cứu, tác giả đã xây dựng được một số phương án thí nghiệm để mơ tả các lỗi của động cơ nhằm mục đích xây dựng các dấu hiệu chẩn đốn như: phương án làm thay đổi mức độ bao kín của buồng đốt (bằng cách xẻ rãnh trên thân bugi, tiến hành thay thế ba lần mỗi lần 4 bugi để xử lý giống nhau để tạo sự “lọt hơi” đồng đều cho các xilanh); phương án tăng sức cản đường nạp (bằng cách bịt đường nạp theo các mức độ khác nhau) Các phương án được thực hiện ở chế độ khơng tải của động cơ Kết quả, tác giả đã xây dựng được một số mối quan hệ giữa các thành phần khí thải và tình trạng hoạt động của động cơ để cĩ những kết luận bước đầu về tình trạng kỹ thuật của động cơ

1.3 Chẩn đốn trực tuyến OBD

Ảnh hưởng quyết định đến sự phát triển kỹ thuật của các hệ thống OBD xuất phát từ California ðể giảm ơ nhiễm mơi trường khơng khí từ các phương tiện giao thơng, tại California đã triển khai 1988 qui định về hệ thống

chẩn ựoán trực tuyến trong tất cả các xe ô tô chạy xăng bên cạnh ựể tự giám sát phát thải cùng với việc thắt chặt qui ựịnh về giá trị phát thải giới hạn Hệ thống OBD I có nhiệm vụ chủ yếu là giám sát tất cả các cảm biến và các bộ phận ựịnh vị kết nối trực tiếp với hệ thống ựiều khiển ựiện tử trên ựộng cơ để lái xe có thể nhận biết các lỗi hoạt ựộng trong mạch ựiều khiển phát thải ựược kiểm tra trong OBD, người ta qui ựịnh lắp ựặt một ựèn báo lỗi trên xe đèn báo lỗi này ựảm nhận việc ựọc các thông tin ựã lưu giữ qua mã lỗi Từ năm

1994 bắt ựầu giai ựoạn chuyển tiếp 2 năm, tiếp theo là qui ựịnh về OBD II đồng thời khi ựó luật khắ thải với hệ thống OBD có hiệu lực trên toàn nước

Mỹ cùng với việc thắt chặt hơn nữa các giá trị giới hạn phát thải, việc giám sát các bộ phận ựơn giản từ lúc này tại Mỹ qui ựịnh giám sát tất cả hệ thống liên quan ựến khoảng giá trị phát thải cho phép Mã ựọc lỗi ựược thay thế bởi một hệ thống truyền dữ liệu tiêu chuẩn qua một cổng chuẩn hóa trên xe ô tô Qua cổng chuẩn hóa này có thể ựọc ựược các số liệu hoạt ựộng của ựộng cơ

ựã ựược lưu giữ bổ sung khi xuất hiện một sai lệch hoặc hư hỏng nào ựó bên cạnh khả năng ựọc mã lỗi

đối với xe con, từ khi thực thi giá trị giới hạn khắ thải cấp III (EURO 3) năm 2000, luật khắ thải cũng yêu cầu lắp ựặt hệ thống giám sát trên các ô tô

có ựộng cơ ựánh lửa cưỡng bức (EOBD) Nội dung của ựạo luật này cơ bản giống với các qui ựịnh tại Mỹ Hệ thống chẩn ựoán OBD tại châu Âu cũng ựược ựịnh hướng tương tự với các hệ thống tại Mỹ Khoảng thời gian cần ựể bảo ựảm hoạt ựộng chuẩn xác của hệ thống giám sát phát thải ựược tắnh theo tuổi thọ tiêu chuẩn của xe ô tô trong ựiều kiện hoạt ựộng tiêu chuẩn là 5 năm hoặc theo quãng ựường chạy là 80.000 km Từ các mẫu xe năm 2003 yêu cầu

cả với xe mới có ựộng cơ tự bốc cháy và từ năm 2005 với các xe tải phải trang

bị ựơn nguyên chẩn ựoán tương ứng

Cả OBD và EOBD đều cĩ các yêu cầu cơ bản sau:

- Giám sát thường xuyên tất cả các bộ phận liên quan đến việc giữ phát thải trong khoảng cho phép

- Nhận biết ngay lập tức sự tăng phát thải

- Lưu giữ thơng tin về sự xuất hiện hư hỏng

-Truyền thơng tin đã lưu giữ đến hệ thống chẩn đốn tại xưởng hoặc trạm bảo dưỡng

Việc xác định các giá trị giới hạn OBD cho khí thải đối với châu Âu và

Mỹ rất khác nhau Tại OBD Mỹ giá trị giới hạn OBD lấy hệ số 1,5 (1,75 khi chẩn đốn Katalysator) so với giá trị phát thải giới hạn theo luật Tại châu Âu việc thực hiện các giá trị giới hạn khơng phụ thuộc lẫn nhau Mục đích của hệ thống OBD và do đĩ yêu cầu về giá trị giới hạn OBD là nhận biết nhanh và chắc chắn các hư hỏng liên quan đến giới hạn phát thải, báo hiệu sư gia tăng đáng kể lượng phát thải Ở đây, các giá trị giới hạn OBD cần được định nghĩa nhỏ hơn mức phát thải đạt được trong trạng thái hoạt động cĩ lỗi ðể đảm bảo giữ các giá trị giới hạn phát thải và tránh phát tín hiệu báo động đồng thời thì khoảng cách giữa giá trị giới hạn OBD và giá trị giới hạn phát thải mang ý nghĩa quyết định Mục đích ở đây là khơng cĩ một xe nào cĩ giá trị phát thải nhỏ hơn giới hạn và lớn hơn giới hạn OBD được thơng báo là cĩ hư hỏng xuất hiện

Bảng 1.1 Các thông số do OBD II và EOBD giám sát

ðộng cơ ñánh lửa cưỡng bức ðộng cơ tự bốc cháy

- Hoạt ñộng của Katalysator

- Hệ thống hồi lưu khí thải

- Thông hơi thùng xăng

- Thông hơi cácte

- Van ổn nhiệt nước làm mát

- Hồi lưu khí thải

- ðiều khiển tự ñộng áp suất khí nạp

Với những lý do trên học viên chọn đề tài luận văn “Xây dựng mơ hình chẩn đốn động cơ xăng trên cơ sở kết quả phân tích thành phần khí thải”

Mục đích của đề tài

Nghiên cứu cơ sở khoa học và xây dựng mơ hình chẩn đốn động cơ xăng, mơ hình biểu diễn mối quan hệ giữa triệu chứng và trạng thái hư hỏng trên cơ sở kết quả phân tích thành phần khí thải, nhằm bổ sung một phương pháp chẩn đốn đơn giản, hiệu quả, tận dụng được các kết quả phân tích khí thải khi ơtơ vào kiểm định

Nhiệm vụ của đề tài

- Phân tích tổng quát về khí thải động cơ đốt trong và các kết quả phân tích khí thải để chẩn đốn động cơ

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mơ hình chẩn đốn với các triệu chứng cơ bản là tính chất biến đổi của các thành phần khí thải và quan

hệ với trạng thái kỹ thuật của động cơ

- Lựa chọn thơng số chẩn đốn và xây dựng hệ thống đo xử lý tín hiệu chẩn đốn

- Phân tích thành phần khí thải của động cơ tại một số chế độ hoạt động

- Phác thảo mơ hình chẩn đốn động cơ trên cơ sở các dấu hiệu nhận dạng đã biết

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Sự hình thành các thành phần khí thải chính

Khi ñộng cơ ñốt trong hoạt ñộng, sản phẩm của quá trình ñốt cháy: Trong trường hợp cháy hoàn toàn sẽ gồm nước và khí cácbonic

Trong trường hợp cháy không hoàn toàn sản phẩm cháy sẽ gồm có:

- Cacbua hidro không cháy CnHm (Paraphin, olephin, aromatic)

- Cacbua hidro không cháy từng phần CnHmCHO(Andehyt), CnHmCO,

CnHmCOOH (Axít cacbon), CO (Ôxít cacbon)

- Các sản phẩm Crackinh nhiệt như C2H2, C2H4, H2, muội than và các thành phần cacbua hydro cao phân tử

Trong khi ñốt cháy nhiên liệu còn kèm theo sự ôxy hóa Nitơ trong không khí tạo thành NO, NO2, ôxy hóa các phụ gia tạo thành ôxít chì hoặc các muối Hanogen của chì ñồng thời ôxy hóa hợp chất lưu huỳnh thành ôxít lưu huỳnh Dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời còn làm xuất hiện các chất tạo thành từ các thành phần khí xả như các peroxit hữu cơ, ozon và các peroxincylnitrat Các thành phần chính của khí xả là khí Cacbonic, Nitơ và hơi nước Các chất này không ñộc, tuy nhiên lượng khí thải CO2 phụ thuộc chủ yếu vào chi phí nhiên liệu sẽ góp phần ñáng kể làm tăng hiệu ứng nhà kính

Các thành phần khác:

- Ôxít cacbon (CO) là khí không màu, không mùi, có vị khó chịu, nếu

có 0,3% theo thể tích không khí ñể thở có thể làm chết người trong 30 phút Khi ñộng cơ chạy không, hàm lượng CO trong khí xả lớn do vậy không cho phép ñộng cơ chạy không trong gara kín

- Mono ôxít nitơ (NO) cũng là khí không màu, không mùi và có vị khó chịu Trong môi trường không khí NO sẽ dần biến thành NO2 Khí NO2 tinh khiết có màu nâu ñỏ là loại khí ñộc Với nồng ñộ lớn trong không khí có thể

làm hỏng da NO và NO2 ñược gọi chung là NOx

- Cacbua hydro trong không khí có nhiều dạng, trong môi trường không khí và ánh sáng mặt trời có thể tạo thành các ôxít và các chất ôxy hóa

- Các sản phẩm không ở thể khí gồm các vật chất (trừ nước không liên kết) mà trong ñiều kiện bình thường ở dạng rắn (tro, muội than) hoặc dạng lỏng trong ống xả

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng ñến thành phần khí thải

2.2.1 Tỷ lệ khí - nhiên liệu lý thuyết

Tỷ lệ khí - nhiên liệu lý thuyết là tỷ số giữa khối lượng không khí trên khối lượng nhiên liệu trong hỗn hợp khí - nhiên liệu Như ta ñã biết, xăng là hỗn hợp của một vài hydro cacbon mà chiếm ưu thế nhất là ốc tan (C8H18) Nếu một lượng nhất ñịnh ốc tan bốc cháy hoàn toàn, nó sẽ kết hợp với ôxy trong không khí theo tỷ lệ ở bên trái mũi tên trong phản ứng hóa học dưới ñây

ñể tạo ra năng lượng

2C8H18 + 25 O2 16CO2 + 18H2O

ðể ñạt ñược kết quả như trên khi ñốt cháy hoàn toàn 1 gam C8H18 cần

15 gam không khí Tỷ lệ khí - nhiên liệu lý thuyết là tỷ lệ không khí trên nhiên liệu sao cho vừa ñủ O2 ñể nhiên liệu cháy hoàn toàn Trong trường hợp

C8H18 nguyên chất tỷ lệ này là 15:1 Tuy nhiên xăng dùng trong phần lớn các ñộng cơ ôtô không phải là ốc tan nguyên chất mà là hỗn hợp giữa ốc tan và các chất hydro cacbon khác Vì lý do này tỷ lệ khí - nhiên liệu cho xăng thường nhỏ hơn 15 một chút Tỷ lệ khí - nhiên liệu lý thuyết ñóng vai trò rất quan trọng Nếu tỷ lệ này của một hỗn hợp cụ thể nhỏ hơn tỷ lệ lý thuyết cho xăng (ví dụ 10:1) hỗn hợp sẽ quá ñậm và sẽ không ñủ O2 trong hỗn hợp cho

sự cháy của tất cả nhiên liệu Mặt khác, nếu tỷ lệ khí - nhiên liệu cao hơn lý thuyết cho xăng (ví dụ 20:1) hỗn hợp sẽ quá nhạt và có quá nhiều ôxy cho sự cháy hoàn toàn

2.2.2 Hydrocacbure

2.2.2.1 Sự phát sinh Hydrocacbure chưa cháy trong khí xả ñộng cơ ñốt trong

Sự phát sinh hydrocacbure chưa cháy HC, hay nói một cách tổng quan

hơn sự hình thành các sản phẩm hữu cơ là do quá trình cháy không hoàn toàn

do một bộ phận nằm ngoài khu vực lan tràn màng lửa ðiều này xảy ra do sự

không ñồng nhất của hỗn hợp hoặc do sự dập tắt màng lửa ở khu vực gần

thành hay trong các không gian chết, nghĩa là khu vực có nhiệt ñộ thấp, khác

với sự hình thành CO và NOx diễn ra trong pha ñồng nhất ở những khu vực có

nhiệt ñộ cao

Hình 2.1 Biến thiên nồng ñộ một số hyñrocacbure

Theo góc quay trục khuỷu

HC bao gồm các thành phần hydrocacbure rất khác biệt, có ñộc tính khác nhau ñối với sức khoẻ con người cũng như có tính phản ứng khác nhau trong quá trình biến ñổi hoá học trong bầu khí quyển Thông thường HC chứa một bộ phận lớn metan Thêm vào ñó chúng còn có các thành phần chứa ôxy

có tính phản ứng cao hơn như aldehyde, xêtôn, phenol Nếu thành phần chứa cacbon chỉ chiếm vài phần trăm trong HC của ñộng cơ ñánh lửa cưỡng bức thì aldehyde có thể ñạt ñến 10% trong HC ñộng cơ Diêzen và trong số aldehyde này formaldehyde chiếm tới 20% tổng số thành phần chứa cacbon

Những chất còn lại trong hỗn hợp sau khi màng lửa ñi qua không phải

là nguồn phát sinh HC ño ñược trên ñường xả của ñộng cơ ñốt trong Hình 2.1 biểu diễn sự biến thiên nồng ñộ các thành phần hydrocacbure theo góc quay trục khuỷu ño ñược trên thành buồng cháy của ñộng cơ một xilanh Chúng ta thấy rằng ngay khi màng lửa ñi qua, nồng ñộ HC ño ñược thấp hơn HC có mặt trong khí xả Vào cuối chu trình nồng ñộ HC lại tăng lên Thật vậy, khi màng lửa ñã lan ñến khu vực gần thành thì nó bị dập tắt và chính HC thoát

ra từ các vùng không bị cháy ñóng vai trò chủ yếu trong việc làm tăng nồng

ñộ HC

2.2.2.2 Cơ chế tôi màng lửa

Tôi màng lửa hay sự dập tắt màng lửa diễn ra khi nó tiếp xúc với thành buồng cháy Quá trình tôi màng lửa có thể xảy ra trong những ñiều kiện khác nhau: màng lửa bị làm lạnh khi tiếp xúc với thành trong quá trình dịch chuyển hoặc màng lửa bị dập tắt trong những không gian nhỏ liên thông với buồng cháy, chẳng hạn như khe hở giữa piston và thành xilanh (Hình 2.2)

Khi màng lửa bị tôi, nó giải phóng một lớp mỏng hỗn hợp chưa cháy hay cháy không hoàn toàn trên các bề mặt tiếp xúc (nắp máy, piston, xilanh, xupap) hay ở những không gian chết

Hình 2.2 Sự hình thành HC do tôi màng lửa trên thành buồng cháy

Bề dày của vùng bị tôi phụ thuộc vào những yếu tố khác nhau: nhiệt ñộ

và áp suất của hỗn hợp khí, tốc ñộ lan tràn màng lửa, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, tình trạng bề mặt của thành buồng cháy, lớp muội than, nhiệt ñộ thành buồng cháy người ta có thể sử dụng những công thức thực nghiệm ñể tính kích thước bé nhất của không gian chết ñể màng lửa có thể ñi qua mà không bị dập tắt

Quá trình tôi màng lửa diễn ra theo hai giai ñoạn: trong giai ñoạn ñầu, màng lửa bị tắt khi nhiệt lượng hấp thụ vào thành buồng cháy cân bằng với nhiệt lượng do màng lửa toả ra vài giây sau khi tôi, do diễn ra sự khuếch tán hay sự ôxy hóa nên nồng ñộ HC tại khu vực này nhỏ hơn nồng ñộ ño ñược khi tôi Mặt khác, những hydrocacbure thoát ra trong quá trình ôxy hoá ban ñầu do màng lửa bị dập tắt có thể bị ôxy hoá trong quá trình giãn nở hay thải

Cuối cùng lớp dầu bôi trơn trên mặt gương xilanh có thể hấp thụ hydrocacbua nhất là các hydrocacbua trước khi bén lửa và thải HC ra hỗn hợp

Vùng màng lửa

bị kẹt

Sản phẩm cháy

Hỗn hợp chưa cháy

cháy trong kì giãn nở Quá trình hấp thụ và thải HC như vừa nêu ñôi khi là nguồn phát sinh HC quan trọng trong khí xả ñộng cơ ñốt trong

2.2.2.3 Sự phát sinh HC trong quá trình cháy của ñộng cơ ñánh lửa cưỡng bức

Khí xả ñộng cơ xăng thường có từ 1000 ñến 3000 ppmC, tương ứng với khoảng từ 1 ñến 2,5% lượng nhiên liệu cung cấp cho ñộng cơ Nồng ñộ HC tăng nhanh theo ñộ ñậm ñặc của hỗn hợp Tuy nhiên khi ñộ ñậm ñặc của hỗn hợp quá thấp, HC cũng tăng nhanh do do sự bỏ lửa hay do sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở một số chu trình công tác Sự hình thành HC trong ñộng

cơ ñánh lửa cưỡng bức có thể ñược giải thích theo cơ chế sau ñây:

- Sự tôi màng lửa khi tiếp xúc với thành buồng ñốt

- Các không gian chết trong buồng ñốt

- Lớp dầu bôi trơn trên mặt gương xilanh hấp thụ hơi nhiên liệu trong giai ñoạn nạp, nén và thải trong giai ñoạn giãn nở và cháy

- Sự cháy không hoàn toàn diễn ra ở một số chu trình làm việc của ñộng cơ (cháy cục bộ hay bỏ lửa) do sự thay ñổi ñộ ñậm ñặc, thay ñổi góc ñánh lửa sớm hay hồi lưu khí xả, ñặc biệt khi tăng giảm tốc ñộ

Mặt khác, muội than trong buồng cháy cũng có thể gây ra sự gia tăng mức ñộ phát sinh ô nhiễm do sự thay ñổi các cơ chế trên ñây Tất cả những quá trình này (trừ trường hợp bỏ lửa) làm gia tăng nồng ñộ HC chưa cháy ở gần thành buồng cháy chứ không phải trong toàn bộ thể tích buồng cháy Trong quá trình thải có thể xuất hiện hai ñỉnh cực ñại của nồng ñộ HC: ñỉnh thứ nhất tương ứng với ñại bộ phận HC sinh ra trong quá trình cháy chính, ñỉnh thứ hai xuất hiện vào cuối kì thải ở thời ñiểm những bộ phận HC cuối cùng thoát ra khỏi xilanh trong ñiều kiện lưu lượng khí xả ñã giảm