Đánh giá ảnh hưởng của cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải động cơ đánh lửa nạp đồng nhất sử dụng nhiên liệu LPG

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và làm luận văn cao học với nội dung “Đánh giá ảnh hưởng của cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải động cơ đánh lửa nạp đồng nhất sử dụng nhiên liệu LPG

- -

NGUY ỄN VĂN TUYỂN

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CHÁY NGHÈO

ĐẾN HIỆU SUẤT VÀ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự

hướng dẫn của Tiến sĩ Trần Anh Trung Đề tài được thực hiện tại Bộ

môn Động cơ đốt trong Viện Cơ khí động lực Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào

T¸c gi¶ luËn v¨n

Nguyễn Văn Tuyển

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và làm luận văn cao học với nội dung “Đánh giá

ảnh hưởng của cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải động cơ đánh lửa nạp đồng nhất sử dụng nhiên liệu LPG” Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô

trong Bộ môn Động cơ đốt trong – Viện Cơ khí Động lực, Viện đào tạo Sau đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và các bạn học viên lớp 2012A Hưng Yên, đã trang bị cho em những kiến thức cần thiết trong quá trình học tập, tạo điều kiện về cơ sở vật chất và giúp đỡ em trong thời gian học tập và làm luận văn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn Tiến sĩ Trần Anh Trung, người đã hướng dẫn em hết sức tận tình và chu đáo về chuyên môn

để em hoàn thành bản Luận văn này

Do thời gian, trình độ còn hạn chế và đây cũng là lĩnh vực nghiên cứu còn khá mới, đề tài không thể tránh được thiếu sót nhất định, kính mong được sự quan tâm, góp ý kiến của các Thầy Cô và các Chuyên gia để đề tài được đầy đủ

và hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu phát triển đề tài tiếp theo

Hµ Néi, th¸ng 03 n¨m 2014

Häc viªn: NguyÔn V¨n TuyÓn

MỤC LỤC

L ỜI CAM ĐOAN i

L ỜI CẢM ƠN ii

M ỤC LỤC iii

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH M ỤC CÁC BẢNG vi

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ vii

L ỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ HI ỆU SUẤT ĐỘNG CƠ 4

1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường 4

1.2 Các nghiên cứu trên thế giới để làm tăng hiệu suất động cơ 14

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ CHÁY NGHÈO 17

2.1 Quá trình cháy của động cơ châm cháy cưỡng bức 17

2.2 Quá trình nạp 22

2.3 Nạp hỗn hợp đồng nhất 27

2.4 Động cơ cháy nghèo 27

2.5 Phương pháp mở rộng giới hạn cháy nghèo 28

2.6 Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ 29

2.6.1 Sản phẩm cháy 29

2.6.2 Các thành phần độc hại chính và ảnh hưởng của chúng 30

2.6.3 Tỷ lệ các chất độc hại trong khí thải 32

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 38

3.1 Thiết lập động cơ thử nghiệm 38

3.1.1 Động cơ thử nghiệm 38

3.1.2 Các chế độ thử nghiệm động cơ 40

3.2 Thiết bị thử nghiệm 41

CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY 48

4.1 Trường hợp nhiệt dung riêng không đổi 49

4.2 Trường hợp nhiệt dung riêng biến thiên 52

CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CHÁY NGHÈO ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ 58

5.1 Khả năng cháy nghèo: 58

5.2 Quá trình cháy 61

5.3 Đánh giá chất lượng khí thải của động cơ cháy nghèo 65

5.3.1 Hydro cacbon (HC): 65

5.3.2 Monoxit Cacbon (CO): 66

5.3.3 Nitrogen oxit (NOx): 67

5.3.4 Mức tiêu hao nhiên liệu: 68

5.4 K ẾT LUẬN 69

K ẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 71

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CO Khí mô nô xít các bon

CFC Clo rô flu rô các bon

NO Khí mô nô xít ni tơ

NO2 Khí đi ô xít ni tơ

NOx Các loại ô xít ni tơ

LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquefied Ptroleum Gas )

WHO Tổ chức y tế thế giới

ASEAN Hiệp hội các nước Đông Nam Á

λ Hệ số dư lượng không khí

Vc Thể tích buồng cháy

P Áp suất trong xylanh

AFR Tỷ lệ không khí - nhiên liệu

GDI Động cơ phun xăng trực tiếp

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn khí thải đối với xe máy của Mỹ (HC - CO) 7

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn khí thải đối với xe máy ở Châu Âu 7

Bảng 1.3 Tiêu chuẩn khí thải cho xe máy tại Mỹ và Châu Âu 8

Bảng 3.1 Bảng thông số động cơ 38

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật băng thử công suất kiểu dòng xoáy 42

Bảng 3.3 Bảng thông số kỹ thuật của thiết bị phân tích khí thải 44

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của cảm biến góc quay 46

DANH MỤC CÁC HèNH VẼ

Hỡnh 1.1 Bộ xỳc tỏc ba chức năng 10

Hỡnh 1.2 Quan hệ giữa tốc độ động cơ và tỷ lệ ma sỏt 14

Hỡnh 1.3 Tỷ lệ nộn và hiệu suất nhiệt 16

Hình 2.1 Qúa trình cháy trong động cơ xăng châm cháy cưỡng bức 18

Hỡnh 2.2 Sơ đồ lan tràn màng lửa 20

Hỡnh 2.3 Sơ đồ phõn bố màng và tốc độ màng lửa 21

Hỡnh 2.4 Sự xoỏy rối bờn trong buồng chỏy 23

Hỡnh 2.5 Hỡnh ảnh dũng chảy trong xylanh 24

Hỡnh 2.6 Tỷ lệ (khối lượng) cỏc chất độc hại trong khớ thải động cơ xăng 32

Hỡnh 2.7 Đặc tớnh cỏc thành phần độc hại của động cơ xăng theo λ 33

Hỡnh 2.8 Nồng độ cỏc chất sau phản ứng chỏycacbon phụ thuộc λ 35

Hỡnh 3.1 Sơ đồ thớ nghiệm 39

Hỡnh 3.2 Thiết bị ECU 555-80 40

Hỡnh 3.3 Băng thử cụng suất kiểu dũng xoỏy FE150-S 41

Hỡnh 3.4 Kết cấu của thiết bị đo lưu lượng 43

Hỡnh 3.5 Thiết bị phõn tớch khớ thải HORIBA MEXA 854L 43

Hỡnh 3.6 Hệ thống thu thập dữ liệu AVL 45

Hỡnh 3.7 Cảm biến xỏc định gúc tương đối H25 46

Hỡnh 4.1 Cỏc thụng số quỏ trỡnh chỏy được xỏc định từ ỏp suất xy lanh 49

Hỡnh 4.2 Hệ thống kớn sử dụng trong mụ hỡnh nhiệt động học đảo 50

Hỡnh 4.3 Biến thiờn tỷ nhiệt γ = cp / cv theo nhiệt độ chỏy (0K),thành phần hũa khớ φ và phần trăm hỗn hợp đó chỏy (xb) 53

Hỡnh 4.4 So sỏnh tỷ lệ chỏy trong hai trường hợp tỷ nhiệt khụng đổi và tỷ nhiệt biến thiờn 54

Hỡnh 5.1 Quan hệ của COV và lambda 58

Hình 5.2 Giới thiệu biến thiên góc đánh lửa sớm theo lambda 59

Hình 5.3 Biến thiên áp suất xy lanh tại 4500 vg/ph và lambda thay đổi từ 0,9 đến 1,3 61

Hình 5.4 Biến thiên áp suất xy lanh tại 5300 vg/ph và lambda thay đổi từ 0,9 đến 1,4 62

Hình 5.5 Tỷ lệ cháy theo góc quay trục khuỷu tại 4500 vg/ph và lambda thay đổi từ 0,9 đến 1,3 63

Hình 5.6 Tỷ lệ cháy theo góc quay trục khuỷu tại 5300 vg/ph và lambda thay đổi từ 0,9 đến 1,4 64

Hình 5.7 Biến thiên góc cháy trễ và góc cháy nhanh theo hệ số dư lượng không khí tại tốc độ 4500 và 5300 vg/ph 64

Hình 5.8 Giới thiệu biến thiên của HC và lambda 65

Hình 5.9 Giới thiệu biến thiên của khí CO theo lambda 66

Hình 5.10 Giới thiệu biến thiên của NOx theo Lambda 67

Hình 5.11 Giới thiệu biến thiên của suất tiêu hao nhiên liệu theo lambda 68

LỜI NÓI ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Động cơ đốt trong là nguồn động lực chính trên các phương tiện giao thông vận tải, máy nông nghiệp và đóng vai trò quan trong trong nhiều lĩnh vực khác trong các ngành công nghiệp Tuy nhiên động cơ đốt trong lại tiêu thụ rất nhiều nhiên liệu trong khi nguồn nhiên liệu dầu mỏ ngày càng cạn kiệt đồng thời khí thải từ động cơ lại có rất nhiều các chất độc hại, gây ô nhiễm môi trường và làm ảnh hưởng lớn đến đời sống, sức khỏe con người

Theo các số liệu thống kê đến cuối năm 2013, trên thế giới có khoảng một

tỷ xe đang lưu hành, chủ yếu tập trung ở một số nước phát triển như Mỹ, Trung Quốc, Nhật…Ở Việt Nam số lượng ô tô, xe máy tăng rất nhanh tập trung chủ yếu ở hai thành phố lớn là Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, tính đến cuối năm 2013 cả nước khoảng 2 triệu xe ô tô và hơn 30 triệu mô tô và xe máy Tốc

độ tăng trung bình về số lượng xe ô tô là khoảng 10%, đó là nguyên nhân chính của việc tăng nhanh lượng tiêu thụ nhiên liệu và gây ô nhiễm môi trường Xét trên phương diện tiêu thụ và phát thải thì xe máy chỉ bằng 1/4 so với ô tô tuy nhiên ở nước ta số lượng xe máy lại quá nhiều hơn nữa trong đó có rất nhiều xe

đã cũ, chất lượng kém nên đây là là nguồn phát thải khí ô nhiễm lớn vào môi trường

Hàm lượng phát thải của động cơ đốt trong phụ thuộc rất nhiều các yếu tố khác nhau như: loại nhiên liệu, các chế độ làm việc, kiểu loại động cơ, cách vận hành sử dụng, điều kiện địa hình…Từ khi ra đời tới nay động cơ đốt trong luôn luôn được các nhà khoa học, nhà sản xuất cải tiến và phát triển để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của xã hội

Mục tiêu phát triển của xe ôtô trong tương lai là giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm khí thải ô nhiễm môi trường trong khi phải giữ được hiệu suất động cơ Vấn đề này đã được các nhà khoa học nghiên cứu từ rất lâu, vì vậy em chọn đề

tài “ Đánh giá ảnh hưởng của cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải động cơ đánh lửa nạp đồng nhất sử dụng nhiên liệu LPG” Luận văn này giới thiệu

một phương pháp làm tăng hiệu suất động cơ và giảm ô nhiễm khí thải bằng biện pháp sử dụng hỗn hợp cháy nghèo cho động cơ 4 kỳ 4 xupáp phun nhiên liệu LPG trên đường ống nạp Động cơ thực nghiệm được kiểm tra ở tốc độ

4500 và 5300 vòng/phút Kết quả thực nghiệm thu được bao gồm mômen động cơ; suất tiêu hao nhiên liệu; khí thải và đặc điểm quá trình cháy, từ đó cho thấy việc sử dụng hỗn hợp đồng nhất giới hạn cháy nghèo có thể đạt đến lambđa là 1,4 trong khi tiêu hao nhiên liệu giảm và hệ số dao động của động cơ nằm trong giới hạn cho phép Kết quả của khí thải cho thấy CO và NOx giảm mạnh, tuy nhiên HC tăng lên đặc biệt ở vùng giới hạn cháy nghèo

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Mục đích

Xác định khả năng giới hạn cháy nghèo của động cơ, đánh giá ảnh hưởng của cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải động cơ đánh lửa nạp đồng nhất sử dụng nhiên liệu LPG từ các số liệu đo theo thử nghiệm trên động cơ thực tế Từ

đó tìm ra các phương án thay thế bộ xúc tác khí thải nhằm mục đích giảm chi phí sản xuất, giảm giá thành sản phẩm mà vẫn đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật

và môi trường

b Đối tượng nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu với loại nhiên liệu LPG trên động cơ xe máy125cc 4 kỳ

4 xupáp, 1 xylanh của hãng SANYANG

c Phạm vi nghiên cứu

Tính toán khả năng cháy nghèo của động cơ, đánh giá ảnh hưởng của cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải động cơ đánh lửa nạp đồng nhất sử dụng nhiên liệu LPG trên động cơ xe máy125cc của hãng SANYANG ở hai chế độ tốc độ là 4500 vòng/phút và 5300 vòng/phút

Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Xây dựng quan hệ giữa lượng phát thải và hệ số dư lượng không khí Lambda của động cơ xe máy từ các kết quả đo thực nghiệm

Tính toán, đánh giá ảnh hưởng của cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải động cơ đánh lửa nạp đồng nhất sử dụng nhiên liệu LPG trên động cơ xe máy125cc của hãng SANYANG qua đó bước đầu đóng góp vào các kết quả nghiên cứu việc sử dụng nhiên liệu LPG trên động cơ nạp đồng nhất và sự ảnh hưởng của cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải động cơ

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thực nghiệm với động cơ loại 125cc hãng SANYANG trên băng thử Sử dụng các kết quả đo từ thực nghiệm của Tiến sĩ Trần Anh Trung Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện tại Đại học Công nghệ Quốc gia Đài Bắc

Xây dựng các đồ thị thể hiện quan hệ giữa hệ số dư lượng không khí lambda với các yếu tố liên quan tới hiệu suất và khí thải động cơ ở hai chế độ

4500 vòng/phút và 5300 vòng/phút, từ đó đưa ra các đánh giá nhận xét về quá trình làm việc ở chế độ cháy nghèo của động cơ khi sử dụng nhiên liệu LPG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ

ĐỐT TRONG VÀ HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ

1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường

Ngày nay hàng trăm triệu người đang phải thở không khí ô nhiễm đặc biệt

là trong các thành phố lớn, tại thành phố này khí thải đã vượt quá giới hạn cho phép của tổ chức Sức Khỏe Thế Giới (WHO) Không khí ô nhiễm được hiểu là không khí trong đó có chứa các chất độc có hạt Những chất ô nhiễm chính trong không khí có thể kể ra như: Sunfua dioxit (SO2), Nitrogen oxit (NO), Cacbon monoxit (CO), Hydro cacbon (HC) và các hạt siêu nhỏ muội than

Ô nhi ễm môi trường không khí là sự có mặt một chất lạ hoặc một sự biến đổi

quan trọng trong thành phần không khí, làm cho không khí không sạch hoặc có mùi khó chịu, giảm thị lực khi nhìn xa do bụi Hiện nay, ô nhiễm khí quyển là vấn đề thời sự nóng bỏng của cả thế giới chứ không phải riêng của một quốc gia nào Môi trường khí quyển đang có nhiều biến đổi rõ rệt và có ảnh hưởng xấu đến con người và các sinh vật Ô nhiễm khí quyển đến từ con người lẫn tự nhiên Trong đó, ô nhiễm từ khí thải của các loại động cơ sử dụng nhiên liệu hóa thạch là tác nhân không nhỏ

Ô nhiễm môi trường khí quyển tạo nên sự ngột ngạt và “sương mù”, gây nhiều bệnh cho con người Nó còn tạo ra các cơn “mưa axít” hủy diệt các khu

rừng và các cánh đồng Điều đáng lo ngại nhất là việc chính con người đã thải vào không khí các loại khí độc như: CO2, NOx, CO, HC Theo nghiên cứu thì khí CO2 là thủ phạm chính gây hiệu ứng nhà kính, nó đóng góp 50% vào việc gây hiệu ứng nhà kính; CH4 là 13%, nitơ là 5%, CFC là 22%, hơi nước ở tầng bình lưu là 3%, …

Nếu như chúng ta không ngăn chặn được hiện tượng hiệu ứng nhà kính thì trong vòng 30 năm tới mặt nước biển sẽ dâng lên từ 1,5(mét) đến 3,5(mét) Có

nhiều khả năng lượng CO2 sẽ tăng gấp đôi vào nửa đầu thế kỷ sau Điều này sẽ thúc đẩy quá trình nóng dần lên của Trái Đất diễn ra nhanh chóng Nhiệt độ trung bình của Trái Đất sẽ tăng khoảng 3,60 và mỗi thập kỷ sẽ tăng 0,30C Theo các tài liệu quốc tế, trong vòng hơn 130 năm qua nhiệt Trái Đất tăng 40C Tại hội nghị khí hậu tại Châu Âu được tổ chức gần đây, các nhà khí hậu học trên thế giới đã đưa ra dự báo rằng đến năm 2050 nhiệt độ của Trái Đất sẽ tăng thêm 1,50C đến 4,50C nếu như con người không có biện pháp hữu hiệu để khắc phục

hiện tượng hiệu ứng nhà kính Một hậu quả nữa của ô nhiễm khí quyển là hiện tượng “lỗ thủng tầng ôzôn” Khí CFC là “kẻ phá hoại” chính của tần ôzôn Sau khi chịu tác động của khí CFC và một số loại chất độc hại khác thì tần ô zôn sẽ

bị mỏng dần rồi thủng

Theo Tổ chức Y tế Thế giới, ô nhiễm không khí đô thị làm khoảng 800,000 người chết và 4,6 triệu người giảm tuổi thọ trên thê giới mỗi năm 2/3 số người chết và giảm tuổi thọ do ô nhiễm không khí thuộc các đang phát triển ở châu Á

Nguồn không khí bị ô nhiễm nặng do hoạt động của con người thải ra môi trường

tự nhiên tại Thành phố Bắc Kinh - Trung Quốc - Ảnh minh họa

Ngoài vấn đề ô nhiễm không khí rất đáng lo ngại, chúng ta cần quan tâm đến các vấn đề ô nhiễm sau:

Ô nhi ễm nước xảy ra khi nước bề mặt chảy qua rác thải sinh hoạt, nước rác

công nghiệp, các chất ô nhiễm trên bề mặt đất, rồi thấm xuống nước ngầm

Ô nhi ễm đất xảy ra khi đất bị nhiễm các chất hóa học độc hại (nồng độ vượt

quá giới hạn thông thường) do các hoạt động chủ động của con người như khai thác khoáng sản, sản xuất công nghiệp, sử dụng phân hóa học hoặc thuốc trừ sâu quá nặng,…hoặc do rò rỉ từ các thùng chứa ngầm Phổ biến nhất trong các loại chất ô nhiễm đất là hydrocacbon, kim loại nặng, v.v

Ô nhi ễm phóng xạ là do các chất phóng xạ dùng trong lĩnh vực hạt nhân

nguyên tử, trong y học, trong các lĩnh vực quân sự hay công nghiệp…mà sự tác

dụng của nó ảnh hưởng đến môi trường tự nhiên, gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người

Ô nhi ễm tiếng ồn bao gồm tiếng ồn gây ra bởi các loại ô tô xe máy, tiếng ồn do

các hoạt động công nghiệp

Đối với sức khỏe con người: Không khí ô nhiễm có thể giết chết nhiều cơ thể

sống trong đó có con người Ô nhiễm ôzôn có thể gây bệnh đường hô hấp, bệnh tim mạch, viêm họng, đau ngực, tức thở Ô nhiễm nước gây ra xấp xỉ 14,000 cái chết mỗi ngày, chủ yếu ăn uống bằng nước bẩn chưa được xử lý ở các nước đang phát triển Ước tính có khoảng 500 triệu người Ấn Độ không có nhà vệ sinh đúng cách, và khoảng 580 người Ấn Độ chết mỗi ngày vì ô nhiễm nước Gần 500 triệu người Trung Quốc thiếu nguồn nước uống an toàn Một phân tích năm 2010 ước tính bằng 1,2 triệu người chết sớm/yểu một năm ở Trung Quốc

do ô nhiễm không khí Năm 2007, ước tính ở Ấn Độ, ô nhiễm không khí được cho là gây ra nên 527,700 ca tử vong Các nghiên cứu ước tính số người chết hàng năm ở Hoa Kỳ có thể hơn 50.000 người Các chất hóa học và kim loại nặng nhiễm trong nước uống có thể gây ung thư không thể chữa trị

Đối với sinh thái

- Lưu huỳnh điôxít và các ôxít của nitơ có thể gây mưa axít làm giảm độ

Các điều luật về ô nhiễm khí thải ngày càng được thắt chặt không chỉ đối với phương tiện vận tải lớn mà còn được áp dụng cho cả xe máy Bảng 1.1 và bảng 1.2 giới thiệu tiêu chuẩn khí thải cho xe máy tại Mỹ và Châu Âu

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn khí thải đối với xe máy của Mỹ (HC - CO)

T iêu chuẩn khí thải EURO III đã bắt đầu thực hiện từ năm 2006

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn khí thải đối với xe máy ở Châu Âu

Năm Dung tích< 20cc 20cc ≤ Dung tích < 50cc Dung tích≥ 50cc

Tiêu chuẩn khí thải EURO 3 đã bắt đầu thực hiện từ năm 2006, tuy nhiên ở đa

số các nước trong khối ASEAN lượng khí thải xe máy lớn hơn nhiều so với các phương tiện vận tải khác, những xe máy này hiện tại mới chỉ đạt mức tiêu chuẩn thấp nhất Việt Nam hiện vẫn đang áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO 2 cho xe máy và EURO 3 mới được áp dụng năm 2007 Hiện tại trên thế giới đã áp dụng tiêu chuẩn EURO 4 còn Đài Loan đang áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO 3 cho xe máy và chuẩn bị áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO 4 Bảng 1.3 so sánh tiêu chuẩn khí thải EURO3 và EURO4, điều này cho thấy giới hạn của khí thải ngày càng giảm trong đó đặc biệt là khí thải NOx

B ảng 1.3 Tiêu chuẩn khí thải cho xe máy tại Mỹ và Châu Âu

Đã có nhiều nghiên cứu nhằm làm giảm tác hại của khí thải, trước đây người ta đã sử dụng bộ xúc tác khí thải ba thành phần cho động cơ xăng, nó có thể giảm đa số thành phần độc hại trong khí thải như: NOx, HC, CO

Bộ xúc tác ba chức năng là bộ xúc tác cho phép xử lí đồng thời CO, HC và

NOx bởi các phản ứng ôxy hóa – khử (hai chất đầu tiên bị ôxy hóa còn chất thứ

Trong cùng điều kiện về nhiệt độ, việc ôxy hóa NO, HC và khử NOx (nghĩa

là 5 phản ứng kể trên phải diễn ra cùng lúc với tốc độ đủ lớn), chỉ có thể diễn ra một cách đồng thời khi hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp nạp vào động cơ

xấp xỉ bằng 1 Đó là lí do giải thích tại sao tất cả ô tô có bộ xúc tác ba chức năng

phải làm việc với tỉ lệ hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết và tỉ lệ này được điều chỉnh nhờ cảm biến lambda Tỉ lệ biến đổi các chất ô nhiễm qua bộ xúc tác rất nhạy cảm đối với sự thay đổi tỉ lệ hỗn hợp

Khử

Mặt khác, việc duy trì thành phần hỗn hợp có f = 1 ngoài việc tăng tỉ lệ

biến đổi các chất ô nhiễm nó còn hạn chế các phản ứng “nhiễu” tạo N2O (protoxyde nitơ):

2NO + CO → N2O + CO2 (1.3)

2NO + H2 → N2O + H2O (1.4)

2NO + hydrocarbure → N2O + H2O + CO2 (1.5)

Cường độ các phản ứng này nhỏ nhất khi độ đậm đặc của hỗn hợp xấp xỉ bằng 1

Bộ xúc tác bao gồm gộp đỡ (support) và lớp kim loại hoạt tính

Ngày nay, gộp bằng gốm hay kim loại liền khối, gọi là monolithe được dùng

rộng rãi nhất Gộp đỡ monolithe là những ống trụ tiết diện tròn hay ovale bên trong được chia nhỏ bởi những vách ngăn song song với trục Mặt cắt của bộ phận công tác vì vậy có dạng tổ ong với tiết diện tam giác hay vuông Đối với động cơ có công suất khoảng 100kW, tiết diện tổng cộng cần thiết của các phần

Hình 1.1 Bộ xúc tác ba chức năng

tử công tác khoảng 130cm và thể tích tổng cộng của monolithe khoảng 2 – 3 lít (0,02 – 0,03 dm3/kW)

Vật liệu gộp dùng phổ biến là cordiérite: 2MgO, 2Al2O3, 5SiO2 Vật liệu này có ưu điểm là nhiệt độ nóng chảy cao (14000C) do đó nó có thể chịu đựng được nhiệt độ khí xả và nhiệt độ xúc tác (đôi lúc lên đến 11000C)

Gộp đỡ monolithe kim loại ngày nay có nhiều ưu thế hơn Nó được chế tạo bằng thép lá không rỉ có bề dày rất bé Ưu điểm của kim loại là dẫn nhiệt tốt cho phép

giảm được thời gian khởi động hệ thống xúc tác

Lớp hoạt tính là nơi diễn ra các phản ứng xúc tác được chế tạo bằng những kim loại quý mạ thành lớp rất mỏng trên vật liệu nền Vật liệu nền rất cần thiết

vì gộp đỡ (kim loại hay gốm) có diện tích bề mặt riêng thấp Vật liệu nền chủ

yếu là một lớp nhôm gamma, bề dày khoảng 20 – 50 micro được tráng trên bề mặt của rãnh gộp Sự hiện diện của nó cho phép làm tăng bề mặt riêng của gộp

do đó thuận lợi cho hoạt tính xúc tác của kim loại quý Ngoài nhôm ra, vật liệu nền còn chứa những thành phần ổn định cũng như những thành phần ổn định cũng như những kim loại khởi động cho hoạt tính xúc tác

Có 3 loại kim loại quý thường được dùng để tráng lên bề mặt của vật liệu nền: Platine (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) Hai chất đầu tiên (Pt, Pd) dùng cho các phản ứng xúc tác ôxy hóa trong khi đó Rh cần thiết cho phản ứng xúc tác khử NOx thành N2 Thành phần Pt/Pd được lựa chọn dựa trên một số yêu cầu

về tính năng của bộ xúc tác: hiệu quả xúc tác ở nhiệt độ thấp, độ bền, tuổi thọ… Khối lượng kim loại quý dùng cho mỗi bộ xúc tác rất thấp, khoảng 1 đến 2 gam cho mỗi ô tô

Ngoài ra, bộ xúc tác cũng chứa những chất khác như kền, cérium, lanthane, baryum, zirconium, sắt, silicium,…với hàm lượng nhỏ Những chất này tăng cường thêm hoạt tính xúc tác, tính ổn định và chống sự lão hóa của kim loại quý

• Khởi động bộ xúc tác

Bộ xúc tác ba chức năng chỉ phát huy tác dụng khi nhiệt độ làm việc lớn hơn 2500C Khi vượt qua ngưỡng nhiệt độ này, tỉ số biến đổi những chất ô nhiễm của bộ xúc tác tăng rất nhanh, đạt tỉ lệ lớn hơn 90% Do đó, trên xe ô tô

bộ xúc tác chỉ tác động sau một khoảng thời gian khởi động nhất định để nhiệt

độ của bộ xúc tác đạt được giá trị ngưỡng này Trong khoảng thời gian đó, các chất ô nhiễm trong khí xả hầu như không được xử lí Thực nghiệm cho thấy bộ xúc tác đạt được nhiệt độ ngưỡng sau khi ô tô chạy được từ 1 đến 3 km trong thành phố

Nhiệt độ khởi động bộ xúc tác được định nghĩa là nhiệt độ mà ở đó tỉ lệ biến đổi các chất ô nhiễm đạt 50%

Một biện pháp dùng để giảm thời gian khởi động là sấy bộ xúc tác bằng điện Biện pháp này tốn kém, công suất cần thiết của thiết bị sấy tương đối cao (khoảng 5,5kW để đạt được nhiệt độ sấy từ 300 đến 3500C trong 15 giây)

Vì vậy, phải tránh việc sử dụng xăng pha chì đối với động cơ có ống xả xúc tác Tuy nhiên, xăng pha chì không hủy hoàn toàn hoạt tính xúc tác Tính xúc tác có thể được phục hồi lại một phần khi sử dụng xăng không pha chì

- Tác động của photsphore

Sự hiện diện của photsphore trong nhiên liệu gây ảnh hưởng rất nghiêm

trọng đến bộ xúc tác Photsphore một mặt gây ra sự sai lệch tín hiệu của cảm

biến lambda và mặt khác, làm giảm hiệu quả bộ xúc tác, nhất là đối với việc ôxy hóa CO

Trong thực tế, nhiên liệu thông thường có hàm lượng photsphore nhỏ hơn 0,02ppm Mặt khác, photsphore trong khí xả cũng có thể bắt nguồn từ chất

chống mòn pha trong dầu bôi trơn Tuy nhiên, hàm lượng đó không đủ gây ra những tác hại đáng kể đối với bộ xúc tác

Lưu huỳnh hiện diện trong xăng có tác hại làm trơ hóa dần bộ xúc tác ba

chức năng, đặc biệt là trong điều kiện hỗn hợp tương đối giàu Tuy nhiên sự trơ hóa do lưu huỳnh gây ra có thể phục hồi khi sử dụng xăng có thành phần lưu huỳnh rất thấp

Lưu huỳnh trong xăng còn có thể gây ra một hiện tượng bất lợi khác: phát sinh những bọng khí H2S trong một số điều kiện làm việc, chẳng hạn như khởi động ở trạng thái nguội hay khi chạy không tải sau giai đoạn giảm tốc Thật vậy, khi động cơ làm việc với hỗn hợp tương đối nghèo, lưu huỳnh được lưu trữ dưới dạng sulfate, chủ yếu là sulfate cerium Hợp chất này sau đó biến thành H2S khi thành phần nhiên liệu – không khí tức thời chuyển sang giàu Để chống lại hiện tượng này, người ta pha vào kim loại xúc tác một hàm lượng kiềm rất nhỏ

Khi ô tô có bộ xúc tác ba chức năng được sử dụng thường xuyên trên những quãng đường ngắn, sự lặp lại thường xuyên quá trình khởi động, quá trình đòi hỏi hỗn hợp giàu, có thể gây ra một lớp than đáng kể bám trên ống xả xúc tác Khi đó cần một nhiệt độ cao thì bộ xúc tác mới khởi động được Tuy nhiên, tác động của lớp than đến bộ xúc tác có thể khử đi khi đốt cháy nó bằng nhiệt độ cao Bộ xúc tác trở lại tính năng ban đầu sau khi hết lớp than Tuy nhiên

bộ xúc tác khí thải này khá đắt để có thể áp dụng cho xe máy và nó không thể giảm được CO2 Do đó vấn đề của xe máy là phải giảm khí hiệu ứng nhà kính và giảm khí thải độc hại với giá thành sản xuất có thể chấp nhận được

1.2 Các nghiên cứu trên thế giới để làm tăng hiệu suất động cơ

Đã có khá nhiều cách để làm giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính như: tăng hiệu suất động cơ hoặc tối ưu hóa thiết kế của xe Tuy nhiên hiện nay hướng tăng hiệu suất động cơ đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu Hiệu suất động cơ xăng có thể tăng lên bằng cách giảm tổn thất ma sát và tăng hiệu quả quá trình cháy Tổn thất ma sát bao gồm: tổn thất hệ thống điện, tổn thất công hút, tổn thất cho quạt làm mát, tổn thất cho trục cam và xupap và tổn

thất cho xéc măng, trục khuỷu (được thể hiện ở hình 1.2 sau đây)

Hình 1.2 Quan hệ giữa tốc độ động cơ và tỷ lệ ma sát

Trong các tổn thất này thì tổn thất công hút và tổn thất do xéc măng với thành xylanh là những hướng chính mà các nhà chế tạo đang tập trung nghiên cứu Việc làm giảm tổn thất do xéc măng là rất khó để nâng hiệu suất động cơ lên cao, nếu giảm được 40% tổn thất do ma sát của xéc măng thì hiệu suất động

cơ chỉ có thể tăng lên được 4% SATO cùng các cộng sự có thể nâng được hiệu suất nhiên liệu lên tới 0,9% bằng cách giảm độ cứng của xéc măng Giảm công hút có nghĩa là giảm tổn thất qua bướm ga tại chế độ tải thấp và nửa tải cho động cơ xăng Các biện pháp để giảm tổn thất này có thể kể tới như: động cơ nạp đồng nhất cháy do nén (HCCI) và động cơ cháy nghèo Động cơ HCCI là công nghệ mới của ngành động cơ đốt trong tuy nhiên lại có khá nhiều rào cản trước khi có thể đưa ra thị trường như: loại nhiên liệu, điều khiển kích nổ và điều khiển thời điểm cháy Với động cơ cháy nghèo, nếu tăng tỷ lệ không khí – nhiên liệu từ 14,7 lên 21,9 thì hiệu suất nhiệt tăng lên tới 6%, ở tại giới hạn cao nhất của việc tăng tỷ lệ này thì hiệu suất có thể đạt tới 18% Hình 1.3 sau đây thể hiện rõ điều này Động cơ phun xăng trực tiếp có thể đạt được hiệu quả này

Hình 1.3 Tỷ lệ nén và hiệu suất nhiệt

Từ những nhận định trên cho thấy động cơ phun xăng trực tiếp có thể đạt được khả năng cháy nghèo cao làm tăng hiệu suất động cơ và giảm khí CO2 Tuy nhiên hệ thống nhiên liệu của động cơ GDI rất khó áp dụng cho xe máy do kích thước xe máy nhỏ và giá thành hệ thống nhiên liệu động cơ GDI rất cao Nghiên cứu này nhằm đánh giá khả năng cháy nghèo của động cơ xăng dùng nhiên liệu LPG tới các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ xe máy

CHƯƠNG 2 ĐỘNG CƠ CHÁY NGHÈO

2.1 Quá trình cháy của động cơ châm cháy cưỡng bức

Trong động cơ châm cháy cưỡng bức, quá trình cháy được bắt đầu từ nguồn lửa xuất hiện ở bugi trong môi trường hòa khí đều được trộn trước, sau đó xuất hiện màng lửa lan truyền theo mọi hướng tới khắp không gian buồng cháy Trong quá trình cháy hóa năng của

Diễn biến bình thường của quá trình cháy trong động cơ châm cháy cưỡng bức

Diễn biến bình thường của quá trình cháy động cơ châm cháy cưỡng bức đều bắt đầu từ cực bugi, tạo nên màng lửa rồi lan truyền với tốc độ tăng dần theo mọi hướng tới khi đốt hết hòa khí

Có nhiều phương pháp nghiên cứu quá trình cháy trong buồng cháy động

cơ, thường dùng nhất là vẽ đồ thị công P – φ, tức là đồ thị thể hiện biến thiên

của áp suất P trong xilanh theo góc quay φ của trục khuỷu Trên nắp xilanh có lắp một bộ cảm biến áp suất, góc quay trục khuỷu đặt trên trục khuỷu, dao động

ký ghi lại sự biến thiên của áp suất trong xilanh P theo góc quay trục khuỷu φ

Dựa vào biến thiên của P = f(φ) có thể biết tình hình tiến triển của quá trình

cháy Phương pháp này tuy không cho biết rõ cơ lý của quá trình cháy cũng như tình hình lan truyền màng lửa, nhưng cho biết rõ hiệu quả thực tế quả quá trình,

về mặt kỹ thuật thì đây là một phương pháp hữu hiệu đơn giản

Ngoài phương pháp xác định đồ thị công P = f(φ), người ta còn dùng

phương pháp chụp ảnh nhanh quá trình cháy: dựa vào một dãy các bức ảnh liên tiếp chụp được sẽ biết tình hình tiến triển của quá trình cháy trong xilanh

Đồ thị P – φ điển hỡnh của quỏ trỡnh chỏy bỡnh thường thể hiện trờn hỡnh 1.4; điểm 1 – bắt đầu đỏnh lửa, cỏch ĐCT một gúc θ được gọi là gúc đỏnh lửa sớm; điểm 2 – là thời điểm đường ỏp suất tỏch khỏi đường nộn; điểm 3 – là thời điểm đạt ỏp suất cực đại Điểm ỏp suất cực đại và điểm nhiệt độ cực đại khụng trựng nhau Điểm nhiệt độ cực đại thường xuất hiện muộn hơn so với ỏp suất

cực đại Dựa vào đặc trưng biến thiờn ỏp suất trờn đồ thị P – φ, người ta chia quỏ trỡnh chỏy của động cơ chõm chỏy cưỡng bức thành ba thời kỳ

Hình 2.1 Qúa trình cháy trong động cơ xăng châm cháy cưỡng bức

I- cháy trễ; II- cháy nhanh; III- cháy rớt;

1- đánh lửa; 2- hình thành màng lửa trung tâm;

3- áp suất lớn nhất pz

a, Thời kỳ cháy trễ I (từ điểm 1 đến điểm 2) tính từ lúc đánh lửa đến khi

áp suất p tăng đột ngột Trong quá trình này, áp suất trong xilanh thay đổi tương

tự như trường hợp không đánh lửa, phân tích các bức ảnh chụp được cũng thấy thời kỳ này được tính từ lúc bắt đầu đánh lửa, qua một thời gian ngắn đến lúc xuất hiện nguồn lửa được gọi là màng lửa trung tâm Thời điểm xuất hiện màng lửa trung tâm không nhất thiết xuất hiện trước một chút so với thời điểm tăng

đột ngột của P Nhưng nhiều khi để đơn giản người ta không cần phân biệt rõ

hai thời điểm này

Phân tích thời kỳ cháy trễ thấy rằng, sau khi bugi đã bật tia lửa điện, hòa khí trong xilanh không cháy ngay mà phải thực hiện một loạt phản ứng sơ bộ tạo nên sản vật trung gian v.v…Trong thời kỳ này nhiệt lượng nhả ra của các phản ứng rất nhỏ, vì vậy không thấy rõ sự khác biệt của nhiệt độ và áp suất so với trường hợp không đánh lửa

b, Thời kỳ cháy nhanh II được tính từ điểm 2 đến điểm 3 (điểm có áp suất

cực đại) Thời kỳ này cũng tương ứng với thời kỳ lan truyền của màng lửa tính

từ lúc xuất hiện màng lửa trung tâm tới khi màng lửa lan truyền khắp buồng cháy Màng lửa của động cơ châm cháy cưỡng bức hầu hết là màng lửa chảy rối Trong quá trình lan truyền, màng lửa có dạng hình cầu nhấp nhô lồi lõm Trong thời kỳ này màng lửa được được lan truyền với tốc độ tăng dần, hòa khí trong xilanh có phản ứng ôxy hóa ngày một mãnh liệt và nhả ra một số lượng, trong khi dung tích xilanh thay đổi ít làm cho áp suất và nhiệt độ môi chất tăng nhanh Thời kỳ cháy nhanh là giai đoạn chính trong quá trình cháy hòa khí của động cơ xăng, phần lớn nhiệt lượng được nhả ra trong giai đoạn này; quy luật nhả nhiệt

sẽ quyết định việc tăng áp suất, tức là quyết định khả năng đẩy pittông sinh công, vì vậy thời kỳ này có ảnh hưởng quyết định tới tính năng của động cơ xăng

Nhìn từ khía cạnh nâng cao hiệu suất nhiệt của chu tình, thì thời gian cháy càng nhanh càng tốt Muốn rút ngắn thời gian cháy phải nâng cao tốc độ cháy,

làm cho áp suất cực đại và nhiệt độ cực đại xuất hiện tại vị trí gần sát ĐCT, khiến số nhiệt lượng nhả ra được lợi dụng đầy đủ, làm tăng công suất và hiệu suất động cơ

Khi phân tích quá trình cháy cần phân biệt rõ hai khái niệm: tốc độ lan truyền màng lửa Sr (m/s) và tốc độ cháy U (kg/m2.s) Sr thể hiện tốc độ chuyển dịch của màng lửa theo theo hướng pháp tuyến, còn U thể hiện khối lượng hòa khí được một đơn vị diện tích màng lửa đốt cháy trong một đơn vị thời gian Mối quan hệ giữa Srvà U như sau:

r

Trong đó: – Khối lượng riêng của hòa khí (kg/m3)

Số nhiệt lượng Q nhả ra trong một đơn vị thời gian:

Q = U.FT.Hm = Sr.FT.Hm (kj/s);

Trong đó: FT – diện tích màng lửa (m2);

Hm – nhiệt trị của hòa khí (kj/kg)

Từ đó thấy rằng quy luật nhả nhiệt của thời kỳ cháy nhanh, tức quy luật biến thiên của Q phụ thuộc tốc độ lan truyền màng lửa Sr, diện tích màng lửa FT

và mật độ môi chất Màng lửa lan càng rộng, càng lớn vì lúc ấy số hòa khí chưa cháy phải chịu sự chèn ép của phần đã cháy gây ra Số hòa khí cháy cuối cùng bị chèn ép tới 7÷ 8 lần ( hình 2.2)

Trường hợp cháy bình thường, tốc độ lan màng lửa vào khoảng 10 ÷ 30 m/s; diện tích màng lửa thay đổi theo quy luật phân bố dung tích của buồng cháy; đặc điểm lưu động của môi chất, vị trí đặt bugi v.v…

Hình 2.3 Sơ đồ phân bố màng và tốc độ màng lửa a) Chuyển động dòng khí rất yếu b) Chuyển động xoáy mạnh của dòng khí Hình 2.3 giới thiệu sơ đồ phân bố này và tốc độ lan màng lửa Sơ đồ a với

Sr ≤ 16 m/s, sơ đồ b với Sr tới 45 m/s Tốc độ lan truyền và sẽ làm cho tốc độ cháy, tốc độ nhả nhiệt, áp suất và nhiệt độ môi chất trong xilanh lên càng nhiều làm cho công suất và hiệu suất động cơ đều được cải thiện tốt hơn Tuy vậy tốc

độ cháy không làm tăng nhanh tốc độ tăng áp suất, gây va đập cơ khí, tăng tiếng

ồn làm cho hoạt động của động cơ trở nên khốc liệt, gây tăng mài mòn chi tiết

và giảm tuổi thọ sử dụng động cơ Tốc độ tăng áp suất trung bình của thời kỳ cháy nhanh được thể hiện qua ( = ), còn giá trị tức thời là Thông thường phải hạn chế trong giới hạn (1,75 ÷ 2,5) x 105Pa/độ góc quay trục khuỷu, mặt khác phải điều khiển để áp suất cực đại (điểm 3, hình 2.1) được xuất hiện sau ĐCT khoảng 100 ÷ 150 góc quay trục khuỷu, lúc ấy động cơ sẽ chạy

êm, nhẹ nhàng và có tính năng động lực tốt

c, Thời kỳ cháy rớt III được tính từ điểm 3 (điểm áp lực cực đại) trở đi

Mặc dù cuối thời kỳ II màng lửa đã llan khắp buồng cháy, nhưng do hòa khí phân bố không thật đều, điều kiện áp suất và nhiệt độ ở mọi khu vực trong buồng cháy không hoàn toàn giống nhau, nên ta có những khu vực nhiên liệu chưa cháy hết Trong quá trình cháy giãn nở, do điều kiện hòa trộn thay đổi sẽ làm cho số nhiên liệu chưa cháy được hòa trộn và bốc cháy tiếp tạo nên thời kì cháy rớt Trong thời kì này, nhiệt lượng nhả ra tương đối ít, dung tích động cơ lại tăng nhanh nên áp suất trong xilanh sẽ giảm dần theo góc quay trục khuỷu Thời kì cháy rớt dài hay ngắn là tùy thuộc vào số hòa khí cháy rớt, nhìn chung đều mong muốn rút ngắn thời kì cháy rớt Nhưng cũng có trường hợp cháy rớt còn kéo dài sang cả quá trình thải, thậm chí đến khi bắt đầu đầu cháy hòa khí tại đây, đó là hiện tường hồi hỏa của động cơ xăng (nổ trên đường nạp) Nói chung thời kỳ cháy rớt của động cơ xăng thường ngắn

2.2 Quá trình nạp

Quá trình nạp trong động cơ tác động đến nhiều khía cạnh quan trọng của dòng khí nạp vào trong xylanh Trong các động cơ 4 kỳ, tiết diện thông qua xupáp nạp là một hàm của thời gian nhưng nó luôn là khu vực có diện tích nhỏ nhất của dòng chảy nên vận tốc của dòng khí tại khu vực qua vị trí này của xupáp là cao nhất trong quá trình nạp Dòng khí đi qua xupáp đang mở và đi vào trong xylanh có dạng hình côn, với vận tốc hướng trục và hướng kính trong khu vực này gấp khoảng 10 lần vận tốc trung bình của piston

Sự va chạm của dòng khí với thành vách xylanh sinh ra các kiểu chuyển động quay tròn với mức độ lớn đối với dòng khí bên trong xylanh Để dễ hình dung nhất có thể làm đơn giản hóa hình dạng hình học của động cơ sao cho dòng chảy trong xylanh là đối xứng trục Hình ảnh trong hình 2.4 là hình mô phỏng quá trình nạp và sự xoáy rối bên trong buồng cháy

Hình 2.4 Sự xoáy rối bên trong buồng cháy Hình 2.4 mô phỏng hiện tượng xoáy của khí nạp bên trong buồng cháy thời kỳ nén được mô phỏng bằng phần mềm CFD Xupáp được đặt tại tâm của nắp xylanh và dòng khí đi qua xupáp dọc theo trục đường tâm xylanh Các thông

số thử nghiệm đã được tỉ lệ hóa sao cho các thông số không thứ nguyên có ảnh hưởng tới dòng chảy, số Reynolds và Strouhal được giữ bằng với giá trị thông thường của động cơ Hình ảnh này cho thấy các đặc điểm chính của dòng khí nạp trong một mặt phẳng mỏng được chiếu sáng theo trục xylanh động cơ Những vệt sọc là hình ảnh của các hạt tạo thành đường trong dòng chảy trong quá trình cửa chớp máy ảnh mở Không gian trong xylanh khi piston chuyển động đi xuống được điền với các vòng xoáy lớn với tâm di chuyển xuống phía dưới và được giữ ở khoảng giữa piston và nắp xylanh Góc phía trên của xylanh bao gồm các xoáy lốc nhỏ hơn, xoáy tròn theo các hướng ngược nhau Những xoáy lốc này duy trì gần tới khi kết thúc hành trình nạp, khi đó các xoáy lốc trở lên không ổn định và tan rã Với vị trí của xupáp nạp và hình dạng họng nạp

thông thường của các động cơ thực tế thì dòng nạp được tạo ra phức tạp hơn Tuy nhiên việc hiện diện của các khu vực có dòng chảy chuyển động quay phạm

vi lớn cũng vẫn có thể thấy được

Hình 2.5 Hình ảnh dòng chảy trong xylanh

a) Ảnh (a) các vệt mô phỏng với dòng nước trong xylanh tạo ra trong quá trình nạp trong động cơ mô hình với xupáp nạp lệch so với đường tâm xylanh tại

90 độ sau điểm chết trên

b) Ảnh (b) các vết của dòng chảy trong mặt phẳng đi qua tâm, cách mặt

nắp xylanh 30cm, với họng nạp và hình dạng hình học xupáp như đã thấy, dòng nước chảy vào trong xylanh ổn định, độ nâng xupáp là 4mm

Hình 2.5a cho thấy ảnh hưởng của vị trí xupáp đặt lệch trục (với dòng khí nạp đi qua xu páp vẫn song song với đường tâm xylanh và trục xupáp) Ít nhất

trong nửa đầu của hành trình nạp, hình dạng dòng chảy có đặc tính giống với đặc tính đã thấy ở hình 2.4 Tuy nhiên dòng khí chuyển động quay diễn ra ở một bên và các mặt phẳng qua các trục của chuyển động quay không còn vuông góc với trục xylanh mà tạo thành một góc nào đó Các dòng quay trở lên không ổn định và tan rã trong hành trình nạp sớm hơn so với trường hợp dòng chảy đối xứng

Hình 2.5b là dạng dòng chảy quan sát được trong mô hình dòng nước trong xylanh mặt phẳng cách nắp xylanh 30mm (1/3 đường kính xylanh), với kết cấu họng nạp tiêu chuẩn Hướng của dòng chảy của cặp dòng chuyển động quay này là hướng bên trái so với tâm xylanh Hình dạng dòng chảy này xảy ra như vậy do thành xylanh gần nhất với xupáp ngăn cản dòng chảy ra khỏi xupáp và đẩy dòng chảy sang một trong hai phía của mặt phẳng đi qua xupáp và trục xylanh để tuần hoàn xung quanh xylanh theo các hướng ngược nhau Dòng xoáy phía trên theo hướng dòng chảy của họng và trở lên lớn hơn khi độ nâng xupáp tăng lên Đặc điểm cụ thể về khía cạnh này của dòng nạp phụ thuộc vào kết cấu họng nạp, hướng của thân xupáp và độ nâng xupáp Với kết cấu hợp lý của họng nạp và nắp xylanh có thể tạo ra dòng chuyển động quay trong phạm vi thể tích xylanh

Tóm lại, đặc tính dòng nạp tương tác với thành xylanh và chuyển động của piston tạo ra dòng chuyển động quay trên phạm vi lớn trong xylanh Đặc điểm cụ thể của những dòng chảy này phụ thuộc nhiều vào kết cấu họng nạp, xupáp và hình dạng nắp xylanh Các dòng chảy này trở lên không ổn định hoặc trong quá trình nạp hoặc trong quá trình nén

Quá trình chuy ển động của dòng khí nạp

Đa số động cơ cháy cưỡng bức, làm việc ở thành phần hòa khí chuẩn và thường không làm việc ở chế độ cháy nghèo Tuy nhiên tại tải cao thì sự hình thành hòa khí giàu lại nhằm giúp cho động cơ đạt hiệu suất lớn nhất

Có một vài cách để hòa trộn không khí với nhiên liệu Thông thường là hòa trộn trên đường ống nạp Tuy nhiên với động cơ động cơ phun xăng trực tiếp (GDI) thì nhiên liệu được phun vào trong xylanh trong suốt qúa trình nạp hoặc quá trình nén Ở chế độ cháy phân lớp của động cơ (GDI), nhiên liệu được phun vào cuối quá trình nén để đạt được giới hạn cháy nghèo cao nhất Ở tải cao, quá trình phun được diễn ra suốt quá trình nạp để đảm bảo hỗn hợp đồng nhất Điều này cũng giúp cho lượng không khí nạp vào tăng lên do xăng bay hơi làm tăng mật độ không khí nạp bên trong xylanh Đa số động cơ nén nổ hiện đại ngày nay sử dụng biện pháp điều khiển chuyển động dòng khí nhằm tăng khả năng hòa trộn, cháy và giảm dao động của động cơ ở chế độ tải thấp

Các biện pháp để điều khiển được dòng khí có thể kể đến như: Điều khiển đóng mở cửa van, điều khiển dòng khí trên đường ống nạp, sử dụng xupáp có hướng nắn dòng hoặc sử dụng hệ thống điều khiển đóng mở xupáp Đa số động

cơ hiện đại sử dụng thêm biện pháp thay đổi chiều dài đường ống nạp để tăng áp suất nạp trước cửa xupáp ở cuối kỳ nạp

a) Nạp phân lớp: chế độ nạp phân lớp được sử dụng khi động cơ làm việc ở chế độ tải nhỏ và vừa Tại chế độ này, công suất động cơ không bị ảnh

hưởng bởi lượng khí nạp vào trong xylanh mà phụ thuộc lượng nhiên liệu phun vào Điều này giúp cho hỗn hợp ở gần bugi vẫn nằm trong giới hạn cháy cho phép và các khu vực bên ngoài thì hỗn hợp nhạt hoặc không có nhiên liệu

Để thực hiện được điều này, đỉnh piston và hướng chuyển động dòng khí được thiết kế sao cho nhiên liệu khi phun ra sẽ được đẩy tập trung về phía bugi Thời điển phun cũng có ảnh hưởng rất lớn tới việc hình thành hỗn hợp này Nếu thời điểm phun quá sớm nhiên liệu sẽ phân tán và rất khó tập trung tại khu vực bugi Nhờ có biện pháp này mà giúp cho thành phần hòa khí có thể đạt tới mức

độ tiêu chuẩn hoặc giàu hơn

b) Nạp đồng nhất nghèo: Ở chế độ này khá giống như chế độ cháy phân

lớp Tuy nhiên nhiên liệu được phun vào ở gần cuối quá trình nạp, giúp cho

nhiên liệu và không khí hòa trộn đồng nhất Chế độ này giúp cho động cơ làm việc ở chế độ chuyển tiếp giữa phân lớp và đồng nhất ổn định hơn

2.3 N ạp hỗn hợp đồng nhất

Chế độ này tương tự như động cơ phun xăng gián tiếp Lúc này bướm ga

sẽ điều khiển lượng không khí đi vào xylanh và lượng nhiên liệu phun phụ thuộc vào lượng không khí nạp để đảm bảo được nạp hỗn hợp đồng nhất Ưu điểm của chế độ này là cho phép động cơ sử dụng bộ xúc tác 3 thành phần

Để đạt được hỗn hợp đồng nhất trong động cơ phun trên đường ống nạp, nhiên liệu cần phải phun càng sớm càng tốt để đảm bảo thời gian hòa trộn và bay hơi của nhiên liệu và không khí Trong động cơ phun xăng trực tiếp thời điểm phun ở gần đầu quá trình nạp giúp cho nhiên liệu có thời gian hòa trộn với không khí tốt hơn

2.4 Động cơ cháy nghèo

Chế độ cháy nghèo là cơ sở cho việc giảm độc hại trong khí thải Tuy nhiên chế độ cháy nghèo bị giới hạn bởi tính ổn định trong quá trình cháy Tính

ổn định quá trình cháy ở chế độ hỗn hợp nghèo có thể tăng lên bằng biện pháp cải thiện đặc tính vận động dòng khí trong xylanh động cơ

Các định nghĩa liên quan đến động cơ cháy nghèo:

- Tỷ lệ không khí nhiên liệu Tỷ lệ này thường được sử dụng để đánh giá nồng độ hỗn hợp bên trong động cơ Ký hiệu là AFR

air

fuel

m AFR

m

=

Đây là tỷ lệ giữa khối lượng không khí và khối lượng nhiên liệu trong hỗn hợp giữa nhiên liệu và khí khi nạp vào trong xylanh động cơ Khi tất cả nhiên liệu trong xylanh phản ứng với toàn bộ ôxy trong buồng cháy thì được gọi là thành phần hòa khí tiêu chuẩn Hỗn hợp nghèo là hỗn hợp có tỷ lệ AFR cao hơn

tỷ lệ AFR tiêu chuẩn

- Dao động chu trình và định nghĩa giới hạn cháy nghèo

( 2.1)

Một trong những thông số quan trọng trong đánh giá động cơ cháy nghèo

là dao động chu tình Giá trị này được xác định từ biến thiên của áp suất chỉ thị trung bình trong 100 chu kỳ làm việc của động cơ được xác định bởi công thức 2.2

Giới hạn cháy nghèo được định nghĩa là giá trị tỷ lệ không khí - nhiên liệu cao nhất mà tại đó giá trị COV đạt giới hạn

2.5 Phương pháp mở rộng giới hạn cháy nghèo

Thông thường có khá nhiều biện pháp, tuy nhiên các nghiên cứu tập trung vào hai hướng chính là cháy nghèo của hỗn hợp đồng nhất và cháy nghèo của hỗn hợp phân lớp

Để nâng cao khả năng cháy nghèo của hai biện pháp này thì ta kể ra như sau:

- Vị trí đặt bugi: vật liệu của điện cực, năng lượng đánh lửa, đánh lửa nhiều điểm, tối ưu thời điểm đánh lửa

- Tăng tỷ số nén, làm tăng tốc độ lan truyền ngọn lửa Tuy nhiên biện pháp này bị giới hạn bởi khí xả NOx tăng

- Dùng buồng cháy phụ: là phun nhiên liệu vào và cho cháy trong buồng cháy phụ

- Tối ưu vận tốc của hỗn hợp nhằm đạt được tốc độ cháy cao

- Kết cấu buồng cháy để tạo được vận động rối (dọc hoặc ngang) cao

- Phủ chất xúc tác lên bề mặt buồng cháy hoặc dùng vật liệu xúc tác trong

buồng cháy

- Chuyển đổi bộ chế hòa khí sang phun xăng

(2.2)

- Tối ưu phương pháp đánh lửa như sử dụng năng lượng Plasma Vì khe giới

hạn đánh lửa lớn hơn làm tăng khả năng đánh lửa đốt cháy nhiên liệu

- Dùng phụ gia nhiên liệu

- Nạp phân lớp: Có rất nhiều các công trình nghiên cứu về công nghệ cháy hỗn hợp nghèo như: động cơ hãng HONDA sử dụng cháy phân lớp; động cơ dùng buồng cháy phụ của hãng TOYOTA (ký hiệu là TGP – buồng tạo dòng xoáy)

Để tăng khả năng cháy nghèo cho hỗn hợp đồng nhất thì yêu cầu là hỗn hợp giữa không khí và nhiên liệu phải là đồng nhất trong toàn bộ buồng cháy Vì thế trong động cơ phun xăng trên đường ống nạp thời điểm phun có thể tăng lên càng sớm càng tốt để đảm bảo nhiên liệu có đủ thời gian bay hơi hoàn toàn

Một số nghiên cứu đã sử dụng biện pháp giảm đường kính của hạt nhiên liệu

để rút ngắn thời gian bay hơi

2.6 Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ

CO2, H2O, H2, CO, O2 (dư), -CHO (andehyt), HC (hydrocacbon, hay còn viết tắt là HC), NOx, các chất thải dạng hạt (Particulale Matter viết tắt là P-M), các hợp chất chứa chì Pb (đối với động cơ dùng xăng pha chì), các hợp chất chứa lưu huỳnh (chủ yếu đối với động cơ diesel) Trong số này có một số thành phần có tính độc hại đối với môi trường và sức khoẻ của con người nên được gọi

là thành phần độc hại

2.6.2 Các thành ph ần độc hại chính và ảnh hưởng của chúng

• CO: Monoxit cacbon là sản phẩm cháy của Cacbon trong nhiên liệu trong

điều kiện thiếu ôxy Monoxit cacbon ở dạng khí không màu, không mùi Khi kết hợp với sắt có trong sắc tố của máu sẽ tạo thành một hợp chất ngăn cản quá trình hấp thụ oxy của hemoglobin trong máu, làm giảm khả năng cung cấp oxy cho các tế bào trong cơ thể Monoxit cacbon rất độc, chỉ với một hàm lượng nhỏ trong không khí có thể gây cho con người tử vong Hàm lượng cực đại cho phép [CO] = 33 mg/m3

• HC: (hydrocacbon, đôi khi còn được ký hiệu là CmHn) là các loại hydrocacbon có trong nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn không cháy hết chứa trong khí thải Hydrocacbon có rất nhiều loại Mỗi loại có mức độ độc hại khác nhau nên không thể đánh giá chung một cách trực tiếp Ví dụ, parafin và naphtalin có thể coi là vô hại Trái lại, các loại hydrocacbon thơm thường rất độc, ví dụ như hydrocacbon có nhân benzen có thể gây ung thư Để đơn giản khi đưa ra các tiêu chuẩn về môi trường, người ta chỉ đưa ra thành phần hydrocacbon tổng cộng trong khí thải (Total Hydrocacbon viết tắt là TH) Hydrocacbon tồn tại trong khí quyển còn gây ra sương mù, gây tác hại cho mắt và niêm mạc đường hô hấp

• NO x: oxit nitơ là sản phẩm oxy hoá nitơ có trong không khí (một thành phần của khí nạp mới vào động cơ) trong điều kiện nhiệt độ cao Do nitơ có nhiều hoá trị nên oxit nitơ tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, được gọi chung là

NOx Trong khí thải của động cơ đốt trong NOx tồn tại ở hai dạng chủ yếu là

NO2 và NO

• NO 2: dioxit nitơ là một khí có mùi gắt và mầu nâu đỏ Với một hàm lượng nhỏ cũng có thể gây tác hại cho phổi, niêm mạc Khi tác dụng với hơi nước sẽ tạo thành axit gây ăn mòn các chi tiết máy và đồ vật [NO2] = 9mg/m3

• NO: monoxit nitơ NO là thành phần chủ yếu của NOx trong khí thải NO

là một khí không mùi, gây tác hại cho hoạt động của phổi, gây tổn thương niêm

mạc Trong khí quyển, NO không ổn định nên bị ôxy hoá tiếp thành NO2 và kết hợp với hơi nước tạo thành axit nitơric HNO3 [NO] = 9 mg/m3

• Andehyt: có nhiều dạng khác nhau nhưng có chung một công thức tổng

quát là -CHO Andehyt có có tác dụng gây tê và có mùi gắt Một số loại andehyt

có thể gây ung thư Đối với formaldehyt, hàm lượng cực đại cho phép là 0,6mg/m3

• Chì: chì rất độc đối với tế bào sống, làm giảm khả năng hấp thụ oxy trong

máu, gây ung thư, làm giảm chỉ số thông minh [Pb] = 0,1 mg/m3

• SO 2: là một khí không màu, có mùi gắt và gây tác hại đối với niêm mạc Khi kết hợp với nước tạo thành axit yếu H2SO3 [SO2] = 2ml/m3

• P-M: theo định nghĩa của Tổ chức Bảo vệ môi trường bang Carlifornia

thì P- M là những thực thể (trừ nước) của khí thải sau khi được hoà trộn với

lọc qui định Với định nghĩa như vậy, P-M gồm các hạt rắn và các chất lỏng bám

theo Các hạt rắn gồm: cacbon tự do và tro còn gọi là bồ hóng (soot), các chất phụ gia dầu bôi trơn, các hạt và vảy tróc do mài mòn Chất lỏng bám theo gồm

có các thành phần trong nhiên liệu và dầu bôi trơn Các hạt rắn gây độc hại với con người trước hết đối với đường hô hấp Ngoài ra một số loại hydrocacbon thơm bám vào muội than có thể gây ung thư Đối với môi trường, P-M còn là tác nhân gây sương mù, ảnh hưởng đến giao thông và sinh hoạt của con người

• CO 2: là sản phẩm cháy hoàn toàn của cacbon với ôxy Tuy CO2 không độc đối với sức khoẻ con người nhưng với nồng độ quá lớn sẽ gây ngạt, hàm lượng cực đại cho phép với [CO2] = 9000 mg/m3 Ngoài ra, CO2 là thủ phạm chính gây ra hiệu ứng nhà kính