Đánh giá ảnh hưởng của quá trình cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải động cơ xăng nạp đồng nhất

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 vg/phút và 5300 vg/phút, từ đó đưa

Trang 1

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH

CHÁY NGHÈO ĐẾN HIỆU SUẤT VÀ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ

XĂNG NẠP ĐỒNG NHẤT

Mã s ố: CA120133

Người hướng dẫn khoa học

TS TR ẦN ANH TRUNG

Hà N ội - 2014

Trang 2

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

i

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

chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào

H ọc viên

Nguy ễn Tất Hùng

Trang 3

ii

Với những tình cảm chân trọng nhất, em xin gửi tấm lòng biết ơn

tình giúp em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo – TS Trần Anh Trung

đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này./

H ọc viên

Nguy ễn Tất Hùng

Trang 4

iii

M ỤC LỤC

L ỜI CAM ĐOAN i

L ỜI CẢM ƠN ii

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH M ỤC CÁC BẢNG vi

DANH M ỤC CÁC HÌNH, VẼ ĐỒ THỊ vii

L ỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 3

1.1 V ấn đề ô nhiễm môi trường 3

1.2 Các nghiên c ứu trên thế giới để làm tăng hiệu suất động cơ 15

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ CHÁY NGHÈO 18

2.1 Quá trình cháy c ủa động cơ châm cháy cưỡng bức 18

2.2 Quá trình n ạp 23

2.3 N ạp hỗn hợp đồng nhất 28

2.4 Động cơ cháy nghèo 28

2.5 Phương pháp mở rộng giới hạn cháy nghèo 29

2.6 S ự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ 30

2.6.1 S ản phẩm cháy 30

2.6.2 Các thành ph ần độc hại chính và ảnh hưởng của chúng 31

2.6.3 T ỷ lệ các chất độc hại trong khí thải 33

v ới động cơ xăng 33

CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 39

3.1 Thi ết lập động cơ thử nghiệm 39

3.1.1 Động cơ thử nghiệm 39

3.1.2 Ch ế độ thử nghiệm 41

3.2 Thi ết bị thử nghiệm 42

Trang 5

iv

CHƯƠNG IV XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ QUÁ TRÌNH CHÁY 47

4.1 Trường hợp nhiệt dung riêng không đổi 49

4.2 Trường hợp nhiệt dung riêng biến thiên 52

CHƯƠNG V: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CHÁY NGHÈ O ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ 57 5.1 Kh ả năng cháy nghèo: COV 57

5.2 Quá trình cháy 59

5.3 Đánh giá chất lượng khí thải của động cơ cháy nghèo 62

5.3.1 Hydro cacbon (HC) 62

5.3.2 Cacbon Monoxit (CO) 63

5.3.3 Nitrogen oxides (NO x ) 64

5.3.4 M ức tiêu hao nhiên liệu 65

5.4 K ết luận 66

K ẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 69

Trang 6

v

Trang 7

SANYANG 39

xoáy FE150-S 43 Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật của thiết bị phân tích khí thải HORIBA

MEXA 854L 45

Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật của cảm biến góc tương đối H25 47

Trang 8

vii

Hỡnh 1.1: Nguồn khụng khớ bị ụ nhiễm nặng do hoạt động của con người thải ra

mụi trường tự nhiờn tại Thành phố Bắc Kinh - Trung Quốc - Ảnh minh họa 4

Hỡnh 1.2: Tiờu chuẩn khớ thải cho xe mỏy tại Mỹ và Chõu Âu 10

Hỡnh 1.3: Bộ xỳc tỏc ba chức năng 11

Hỡnh 2.1: Qúa trình cháy trong động cơ xăng châm cháy cưỡng bức 19

Hỡnh 2.2: Sơ đồ lan tràn màng lửa 22

Hỡnh 2.3: Sơ đồ phõn bố màng và tốc độ màng lửa 22

Hỡnh 2.4 - Sự xoỏy rối bờn trong buồng chỏy 24

Hỡnh 2.5: Thể hiện cỏc hỡnh ảnh của dũng chảy 25

Hỡnh 2.6: Tỷ lệ cỏc chất độc hại trong động cơ xăng 33

Hỡnh 2.7: Quan hệ cỏc chất độc hại và hệ số dư lượng khụng khớ 34

Hỡnh 2.8: Nồng độ cỏc chất sau phản ứng chỏy 36

Hỡnh 3.1: Sơ đồ thớ nghiệm 41

Hỡnh 3.2: Thiết bị phõn tớch khớ thải ECU 555-80 của hóng Woodward MotoHawk 41

Hỡnh 3.4: Kết cấu của thiết bị đo lưu lượng kiểu trọng lực 44

Hỡnh 3.5: Thiết bị phõn tớch khớ thải HORIBA MEXA 854L 45

hỡnh 3.6: Hệ thống thu thập dữ liệu AVL 46

Hỡnh 3.7: Cảm biến xỏc định gúc tương đối H25 47

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 52

Trang 9

viii

Hình 4.4: So sánh tỷ lệ cháy trong hai trường hợp tỷ nhiệt không đổi và tỷ nhiệt

biến thiên 53

Hình 5.1: Biến thiên của COV theo Lamda 57

Hình 5.2: Biến thiên của 0VA theo Lamda 58

Hình 5.3: Biến thiên áp suất xy lanh tại 5300 vg/ph và lambda thay đổi từ 0,9 đến 1,4 60

Hình 5.4: Tỷ lệ cháy theo góc quay trục khuỷu tại 4500 vg/ph và lambda thay đổi từ 0,9 đến 1,4 61

Hình 5.5: Tỷ lệ cháy theo góc quay trục khuỷu tại 5300 vg/ph và lambda thay đổi từ 0,9 đến 1,4 62

Hình 5.6: Biến thiên góc cháy trễ và góc cháy nhanh theo hệ số dư lượng không khí tại tốc độ 4500 vg/ph và 5300 vg/ph 62

Hình 5.7: Biến thiên của HC theo Lamda 63

Hình 5.8: Biến thiên của CO theo Lamda 64

Hình 5.9: Biến thiên của NOx theo Lamda 65

Hình 5.10: Biến thiên của mức tiêu hao nhiên liệu theo Lamda 66

Trang 10

1

L ỜI NÓI ĐẦU

1 Lý do ch ọn đề tài

Ngày nay, môi trường sống đang bị hủy hoại nghiêm trọng từ nhiều nguồn

ô nhiễm khác nhau Một trong những nguồn ô nhiễm chủ yếu là do khí thải động

cơ đốt trong gây ra Vì vậy, nhiệm vụ đặt ra cho các nhà nghiên cứu và chế tạo động cơ là phải nghiên cứu, chế tạo và áp dụng các biện pháp tối ưu hóa thiết kế cũng như xử lý khí thải để giảm thiểu các thành phần độc hại trong khí thải cũng như giảm lượng tiêu hao nhiên liệu của động cơ

Mục tiêu phát triển động cơ tương lai là giảm tiêu hao nhiên liệu, ô nhiễm khí

nhà khoa học nghiên cứu từ rất lâu Việc chọn đề tài “Đánh giá ảnh hưởng của

quá trình cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải động cơ xăng nạp đồng nhất”

làm luận văn thạc sĩ cũng là để hướng tới giải quyết các vấn đề nói trên

Luận văn này giới thiệu một phương pháp làm tăng hiệu suất động cơ và

kỳ 4 xupáp phun xăng trên đường ống nạp Động cơ thử được kiểm tra tại tốc độ

2.2 Đối tượng nghiên cứu

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

4 xupáp, 1 xy lanh của hãng SANYANG

Trang 11

3 Phương pháp nghiên cứu

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 vg/phút và 5300 vg/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 xăng

Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn, Tiến sĩ Trần Anh Trung

đã nhiệt tình giúp đỡ trong quá trình làm luận văn Em cũng chân thành cảm ơn

Nội cũng như các cộng sự đã tạo điều kiện giúp đỡ và đóng góp ý kiến cho 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

Trang 12

hiểu là khí trong đó có chứa các chất độc có hại Những chất ô nhiễm chính trong không khí có thể kể ra như Oxit nitơ (NOx), Monoxit carbon (CO), Hydrocarbon (HC) và các hạt siêu nhỏ như 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

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

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

Trang 13

4

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 thế 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

Hình 1.1: 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

Trang 14

5

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

14000 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

tin 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 50000 Các chất hóa học và kim loại nặng nhiễm

Trang 15

6

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

pH của đất

- Đất bị ô nhiễm có thể trở nên cằn cỗi, không thích hợp cho cây trồng Điều này sẽ ảnh hưởng đến các cơ thể sống khác trong lưới thức ăn

thực hiện quá trình quang hợp

- Các loài động vật có thể xâm lấn, cạnh tranh chiếm môi trường sống và làm nguy hại cho các loài địa phương, từ đó làm giảm đa dạng sinh học

Hơn nữa trái đất đang nóng lên do hiệu ứng nhà kính là vấn đề nghiêm trọng Nguyên nhân chính bắt nguồn từ khí thải CO2 được tạo thành từ quá trình cháy của nhiên liệu hóa thạch, khí thải ô tô là những nguyên nhân làm tăng lượng khí này Việc giảm khí CO2 của phương tiện vận tải đang ngày càng trở lên quan trọng và biện pháp hiệu quả nhất là giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu

trọng Nguyên nhân chính bắt nguồn từ khí thải CO2 được tạo thành từ quá trình cháy của nhiên liệu hóa thạch, khí thải của ô tô là nguyên nhân làm tăng lượng khí này Trong môi trường, dưới tác dụng của nhiệt độ và ánh sáng sẽ xảy ra các

nước, theo nước mưa rơi xuống làm ô nhiễm đất, nguồn nước và xâm hại thảm thực vật Một số chất phân hủy nhanh như CO, NOx, SO2, … nhưng cũng có một

số chất bị phân giải rất chậm như CH4, CO2, …với nồng độ tích tụ ngày càng

lớn, gây ảnh hưởng to lớn đến khí hậu của trái đất thông qua hiệu ứng nhà kính đặc biệt là khí CO2 Vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa thành phần carbon

Trang 16

7

Theo các chuyên gia môi trường, thời gian qua hoạt động giao thông vận

tải đã có những đóng góp quan trọng vào công cuộc phát triển kinh tế – xã hội

của cả nước Tuy nhiên, việc tăng cường các hoạt động giao thông vận tải làm phát sinh không ít các vấn đề môi trường không khí

Theo báo các của Bộ Tài nguyên và Môi trường, trong quá trình hoạt động các phương tiện giao thông vận tải thải lượng lớn các chất như: Bụi, CO, NOx, SOx,

hơi xăng dầu, bụi chì, benzen… vào môi trường không khí

Lượng khí thải, bụi… gây ô nhiễm đang tăng lên hàng năm cùng với sự phát triển về số lượng các phương tiện giao thông đường bộ Cụ thể, nồng độ bụi trong không khí ở các thành phố như: Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng… tại các nút giao thông cao hơn tiêu chuẩn cho phép từ 3 – 5 lần; nồng độ khí CO, NO2 trung bình ngày ở một số nút giao thông lớn đã vượt tiêu chuẩn cho phép từ 1,2 – 1,5 lần

Theo số liệu từ Cục Đăng kiểm Việt Nam, thời gian trước năm 2010, cả nước có khoảng 20 triệu ô tô và xe máy; năm 2010 đã tăng lên khoảng 24 triệu

xe Và đến năm 2015, dự báo lượng xe lưu hành trong cả nước khoảng 31 triệu

xe Hàng ngày, chỉ cần một nửa số phương tiện trên hoạt động cũng đã xả ra môi trường một lượng lớn các khí độc hại, trong đó có nhiều thành phần gây nên hiệu ứng nhà kính, gây ra các loại bệnh như: Viêm nhiễm đường hô hấp do nhiễm khuẩn, hen suyễn, viêm phế quản mạn tính, viêm mũi…

Đặc biệt, tiếng ồn phát sinh từ các hoạt động giao thông cũng đóng vai trò chủ yếu trong việc gây ô nhiễm Có 60% – 80% các nguyên nhân do tiếng ồn từ động cơ như: Do ống xả, do rung động các bộ phận xe, đóng cửa xe, còi xe, phanh xe, do sự tương tác giữa lốp xe và mặt đường… Tiếng ồn gây tác hại rất

lớn đến toàn bộ cơ thể con người nói chung và cơ quan thính giác nói riêng

Tiếng ồn mạnh, thường xuyên gây nên bệnh đau đầu, chóng mặt, trạng thái tâm thần bất ổn, mệt mỏi…

Trang 17

8

Báo cáo cũng cho thấy, sự phát thải của các phương tiện cơ giới đường bộ phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng các loại xe Đối với phương tiện như ô tô, xe máy qua nhiều năm sử dụng có chất lượng thấp, hiệu quả sử dụng nhiên liệu thấp,

nghiêm trọng Trong đó, xe máy là nguồn đóng góp chính các loại khí ô nhiễm, đặc biệt là khí thải CO, VOC,… Xe tải và xe khách các loại lại thải nhiều NO2

Tại các khu dân cư, mức độ ô nhiễm thấp hơn từ 2 – 3 lần so với các trục đường giao thông Tuy nhiên, đối với khu vực dân cư nằm trong các đô thị lớn chịu ảnh hưởng rõ rệt của giao thông, mức độ ô nhiễm vẫn vượt nhiều lần ngưỡng cho phép quy chuẩn Việt Nam, đáng kể như các điểm: Hà Nội, Vĩnh Phúc, Bình Dương Ngược lại, ở các khu vực dân cư đô thị quy mô nhỏ và vừa,

chất lượng không khí đo được còn khá tốt

Việc giảm khí CO2 của phương tiện vận tải đang ngày càng trở nên quan trọng Biện pháp hiệu quả nhất là giảm tiêu thụ nhiên liệu

Vì vậy, các điều luật về ô nhiễm khí thải ngày càng được thắt chặt không chỉ

những phương tiện vận tải cỡ lớn mà còn áp dụng cho cả xe máy Bảng 1.1; 1.2:

Giới thiệu tiêu chuẩn khí thải cho xe máy tại Mỹ và Châu âu

Bảng 1.1: Tiêu chuẩn khí thải cho xe máy của Mỹ từ 50cc trở xuống (HC +CO)

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

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

Trang 18

9

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

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

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 Hình 1.2

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

Trang 19

10

Hình 1.2: 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

* B ộ xúc tác ba chức năng.

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

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

nghèo) Trong khi đó, ba phản ứng phân hủy NO diễn ra thuận lợi trong hỗn hợp giàu Trong các phản ứng khử, người ta chỉ quan tâm đến NO vì nó là thành phần chủ yếu trong NOx

là 5 phản ứng kể trên phải diễn ra cùng lúc với tốc độ đủ lớn), chỉ có thể

Khử

Trang 20

11

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 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

Hình 1.3: Bộ xúc tác ba chức năng 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

Trang 21

12

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 tử công tác khoảng 130cm2 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 cao (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

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

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

Trang 22

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 3000C đến 3500C trong 15s)

hình thành trong quá trình cháy gây ra (các oxyde, halogénure, sulfate) Tác hại của chì là phủ lên mặt bộ xúc tác một lớp kim loại trơ ở nhiệt độ cao và chèn kín các lỗ xốp ở nhiệt độ thấp Những chất halogène, clor và brome, chính chúng cũng làm giảm dần tính năng của bộ xúc tác do chúng hấp thụ bề mặt kim loại

Trang 23

• Tác động của photsphore

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 oxy hóa CO

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

• Tác động của lưu huỳnh

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 Giải pháp này không được áp dụng ở Châu Âu do độc tính kiềm

• Lớp bám carbon

Trang 24

15

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 vào xe máy và nó không thể giảm được CO2

1.2 Các nghiên c ứu 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

Tr ục cam

H ệ thống bôi trơn

Piston/Xylanh Trục khuỷu

H ệ thống cân bằng Tổn thất công hút

Piston/Secmăng

Trang 25

16

Hình 1.4: 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 xy lanh 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

Trang 26

17

Hình 1.5: 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

chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ xe máy

Tỷ lệ nén

Trang 27

hiệu suất động cơ

Di ễn 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

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

Trang 28

19

chỏy Phương phỏp này tuy khụng cho biết rừ cơ lý của quỏ trỡnh chỏy cũng như tỡnh hỡnh lan truyền màng lửa, nhưng cho biết rừ hiệu quả thực tế quả quỏ trỡnh,

về mặt kỹ thuật thỡ đõy là một phương phỏp hữu hiệu đơn giản

Ngoài phương phỏp xỏc định đồ thị cụng P = f(φ), người ta cũn dựng

phương phỏp chụp ảnh nhanh quỏ trỡnh chỏy: dựa vào một dóy cỏc bức ảnh liờn tiếp chụp được sẽ biết tỡnh hỡnh tiến triển của quỏ trỡnh chỏy trong xilanh

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

Điểm 1 – bắt đầu đỏnh lửa, cỏch điểm chất trờn 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

Trang 29

20

đặc trưng biến thiên áp suất trên đồ thị p – φ, người ta chia quá trình cháy của động cơ châm cháy cưỡng bức thành ba thời kỳ

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 xy lanh 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 buji đã bật tia lửa điện, hòa khí trong xy lanh 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 xy lanh có phản ứng oxy hóa ngày một mãnh liệt và nhả ra một số lượng, trong khi

dung tích xy lanh 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 piston sinh công Vì vậy thời kỳ này có ảnh hưởng quyết định tới tính năng của động

Trang 30

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 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 Sr và U như sau:

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); (2.2) 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

Trang 31

22

Hình 2.2: Sơ đồ lan tràn màng lửa 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…

a) Chuyển động dòng khí rất yếu b) Chuyển động xoáy mạnh

của dòng khí Hình 2.3: Sơ đồ phân bố màng và tốc độ màng lửa 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

4

Trang 32

23

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

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 n ạp

Quá trình nạp trong động cơ tác động đến nhiều khía cạnh quan trọng của

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

Trang 33

24

Sự va chạm của dòng khí với thành vách xy lanh sinh ra các kiểu chuyển động quay tròn với mức độ lớn đối với dòng khí bên trong xy lanh Để dễ hình

dòng chảy trong xy lanh là đối xứng trục Hình 2.4 là dạng xoáy của khí nạp bên trong xy lanh thời kỳ nén được mô phỏng bằng phần mềm CFD

Hình 2.4: Sự xoáy rối bên trong buồng cháy Hình 2.4 thể hiện dạng xoáy trong xy lanh khi sử dụng môi chất dạng nước Xupáp được đặt tại tâm của nắp xy lanh và dòng khí đi qua xupáp dọc theo trục đường tâm xy lanh 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

Trang 34

25

điểm chính của dòng khí nạp trong một mặt phẳng mỏng được chiếu sáng theo

trục xy lanh động cơ Những vệt sọc là hình ảnh của các hạt tạo thành đường

lanh 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 xy lanh 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

a) Ảnh (a) các vệt mô phỏng với dòng nước trong xy lanh tạo ra trong quá trình

Trang 35

26

nạp trong động cơ mô hình với xupáp nạp lệch so với đường tâm xy lanh tại 90

độ sau điểm chết trên

nước chảy vào trong xy lanh 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 xy lanh 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 2.5 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 xy lanh 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 xy lanh 30mm (1/3 đường kính xy lanh), với kết cấu

là hướng bên trái so với tâm xy lanh Hình dạng dòng chảy này xảy ra như vậy

do thành xy lanh 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 xy lanh 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 xy lanh có thể tạo ra dòng chuyển động quay trong phạm vi thể tích xylanh

Tóm lại, đặc tính dòng nạp tương tác với thành xy lanh và chuyển động của piston tạo ra dòng chuyển động quay trên phạm vi lớn trong xy lanh Đặc

Trang 36

27

điểm cụ thể của những dòng chảy này phụ thuộc nhiều vào kết cấu họng nạp, xupáp và hình dạng nắp xy lanh 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 xy lanh 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

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

khu vực bên ngoài thì hỗn hợp nhạt hoặc không có nhiên liệu

Trang 37

28

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 buji

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 tiệu 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

Trang 38

=

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

Một trong những thông số quan trọng trong đánh giá động cơ cháy nghèo là dao động chu trình 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

COVIMEP

Trong đó: σIMEP là sai số chuẩn của áp suất chỉ thị trung bình (IMEP) Mức

độ ổn định của động cơ thường được đảm bảo khi COV < 10% Các nghiên cứu cho thấy, khi COV tăng lên thì giá trị hydrocanbon (HC) trong khí thải tăng lên Ngược lại khi COV giảm thì NOx tăng lên

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 buji: 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

(2.4) (2.3)

Trang 39

30

này bị giới hạn bởi khí xả NOx tăng

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

- 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 Biện pháp thường được sử dụng là dùng vòi phun nhiên liệu có khí bổ xung

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

Quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình oxy hoá nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng, diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết sức phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số Trong quá trình cháy sinh ra các

Định dạng
Số trang	79
Dung lượng	2,97 MB