Biên soạn tài lệu tham khảo môn thực hành động cơ diesel phần 2

Trong bài luận này, nhóm em sẽ trình bày về cấu tạo vànguyên lý hoạt động của những thành phần chính trên động cơ diesel ví dụ như hệ thốngxông máy, hệ thống phun nhiên liệu, bộ điều khi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

SVTH: DIỆP CẨM HÙNG MSSV: 14145101

GVHD: GVC.THS CHÂU QUANG HẢI

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

SVTH: DIỆP CẨM HÙNG MSSV: 14145101

GVHD: GVC.THS CHÂU QUANG HẢI

TP Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 12 năm 2017

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: 1 NGUYỄN BẬC HƯNG MSSV: 14145104

2 DIỆP CẨM HÙNG MSSV: 14145101Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô Mã ngành đào tạo: 52510205

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ đào tạo: 1

4 Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 13/10/2017

5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 08/01/2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸTHUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Tên đề tài: BIÊN SOẠN TÀI LIỆU THAM KHẢO CHO MÔN THỰC TẬP ĐỘNG CƠ DIESEL PHẦN 2

Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN BẬC HƯNG MSSV: 14145104

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

I NHẬN XÉT

1 Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:

2 Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)

II NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG

III ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ 1 Đề nghị (cho phép bảo vệ hay không):

2 Điểm đánh giá (theo thang điểm 10):

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

Giảng viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

Tên đề tài: BIÊN SOẠN TÀI LIỆU THAM KHẢO CHO MÔN THỰC TẬP

ĐỘNG CƠ DIESEL PHẦN 2

Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN BẬC HƯNG MSSV: 14145104

DIỆP CẨM HÙNG MSSV: 14145101 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

I NHẬN XÉT

1 Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:

2 Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)

II NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG

III ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ 1 Đề nghị (Cho phép bảo vệ hay không): .

2 Điểm đánh giá (theo thang điểm 10): .

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

Giảng viên phản biện

(Ký & ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viênphản biện và các thành viên trong Hội đồng bảo về Đồ án tốt nghiệp đã được hoànchỉnh đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức

Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn:

Giảng viên phản biện:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

LỜI CẢM ƠN

Đề tài này được thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tâm, tận tình của GVC ThS ChâuQuang Hải, giảng viên khoa Cơ khí động lực của trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thànhphố Hồ Chí Minh Chúng em xin được phép gửi đến Thầy lòng biết ơn chân thành và sâusắc nhất

Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo trong trường Đại học Sưphạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nói chung, các Thầy Cô tại khoa Cơ khí động lựcnói riêng đã tận tuỵ giảng dạy những kiến thức đại cương cũng như chuyên ngành, giúpcho chúng em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng emtrong suốt thời gian thực hiện đồ án này

Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn các Anh (Chị) khóa trước, các bạn đồng môn đãđộng viên, giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường

Sau cùng chúng em xin dành lời cảm ơn tự đáy lòng mình đến gia đình - Những người đãlàm tất cả để cho chúng em có được ngày hôm nay

Mặc dù chúng em đã có nhiều cố gắng nhưng do sự hạn chế về kinh nghiệm cũng như

về kiến thức nên chắc chắn bài luận này còn nhiều thiếu sót, chúng em rất mong nhậnđược sự chỉ bảo, góp ý của Quý Thầy Cô cùng các bạn

Tp HCM, ngày 1 tháng 1 năm 2018Sinh viên thực hiện

Diệp Cẩm HùngNguyễn Bậc Hưng

TÓM TẮT

Trên thế giới ngày nay, sự thay đổi về công nghệ diễn ra trong từng giây Điều nàykhông phải là ngoại lệ đối với lĩnh vực ô tô nói chung và động cơ diesel nói riêng Vì thế,việc cập nhật và trang bị cho sinh viên những kiến thức liên quan đến các công nghệ mới,tiên tiến trên thế giới là hết sức cần thiết Đặc biệt là những kiến thức về động cơ diesel(rất phổ biến tại Việt Nam) Trong bài luận này, nhóm em sẽ trình bày về cấu tạo vànguyên lý hoạt động của những thành phần chính trên động cơ diesel (ví dụ như hệ thốngxông máy, hệ thống phun nhiên liệu, bộ điều khiển động cơ diesel bằng điện tử,…), cáccông nghệ mới, tiên tiến (ví dụ như các công nghệ liên quan đến việc xử lý khí thải), sựgiao tiếp giữa các hệ thống điều khiển thông quan mạng CAN, những cảm biến mới, …

Để đảm bảo độ tin cậy cho bài luận này, nhóm chúng em sẽ sử dụng tài liệu của tập đoànBOSCH (một trong những tập đoàn lớn trong lĩnh vực ô tô) Cùng với đó, chúng em chủđộng tham khảo các nguồn tài liệu khác nhau (ví dụ như trên internet, giáo trình, sáchbáo) và tích cực hỏi ý kiến từ các giảng viên bộ môn, các Anh (Chị) khoá trước, các bạnđồng môn Sau khi thực hiện bài luận này, chúng em thu được một số kết quả rất khảquan (sẽ được nêu chi tiết ở phần sau) Chúng em tin rằng, lượng kiến thức này sẽ giúpích rất nhiều cho các bạn sinh viên ở những khoá sau

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU v

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 1

1.3 Đối tượng nghiên cứu 2

1.4 Phạm vi nghiên cứu 2

Chương 2 HỆ THỐNG HỖ TRỢ KHỞI ĐỘNG 3

2.1 Tổng quát 3

2.2 Các hệ thống xông máy 4

Chương 3 CÁC BIỆN PHÁP BÊN TRONG ĐỘNG CƠ NHẰM GIẢM THIỂU KHÍ THẢI 13

3.1 Quá trình cháy 14

3.2 Các tác động khác nhau lên lượng khí thải ô nhiễm 18

3.3 Sự phát triển của quá trình đốt cháy đồng nhất 19

3.4 Sự phun dầu diesel 21

Chương 4 XỬ LÝ KHÍ THẢI 41

4.1 Bộ xúc tác lưu trữ NOx 42

4.2 Bộ xúc tác chọn lọc SCR (Selective catalytic reduction) 46

4.3 Bộ lọc muội than (DPF) 55

4.4 Bộ xúc tác oxy hóa 66

Chương 5 BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DIESEL BẰNG ĐIỆN TỬ (EDC) 70

5.1 Tổng quát về hệ thống 70

5.2 Bơm cao áp thẳng hàng 74

5.3 Các bơm cao áp phân phối (dạng piston hướng trục) với nhiên liệu được điều khiển bằng lằn vạt xéo 77

5.4 Bơm cao áp phân phối (dạng piston hướng trục hoặc hướng tâm) với nhiên liệu

được điều khiển bằng van điện từ 79

5.5 Hệ thống nhiên liệu kim liên hợp (UIS) trên xe du lịch 80

5.6 Hệ thống nhiên liệu kim liên hợp (UIS) và hệ thống nhiên liệu bơm UP trên xe thương mại 82

5.7 Hệ thống Common – rail (CRS) trên xe du lịch 83

5.8 Hệ thống Common – rail (CRS) trên xe thương mại 85

5.9 Quá trình xử lý tín hiệu 86

5.10 Điều khiển phun nhiên liệu 89

5.11 Sự điều khiển theo vòng khép kín dựa theo tín hiệu lamda trên xe du lịch 102

5.12 Điều khiển và kích hoạt các bộ chấp hành 108

5.13 Sự trao đổi dữ liệu với các hệ thống khác 110

5.14 Sự truyền dữ liệu nối tiếp (CAN) 112

Chương 6 BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BẰNG ĐIỆN TỬ (ECU) 120

6.1 Những điều kiện hoạt động 120

6.2 Thiết kế và cấu tạo 121

6.3 Xử lý dữ liệu 122

Chương 7: CẢM BIẾN 128

7.1 Ứng dụng ô tô 128

7.2 Cảm biến nhiệt độ 129

7.3 Cảm biến áp suất 131

7.4 Cảm biến áp cao 135

7.5 Cảm biến tốc độ động cơ 136

7.6 Cảm biến tốc độ quay và cảm biến vị trí góc quay 138

7.7 Cảm biến vị trí trục cam 139

7.8 Cảm biến bàn đạp ga 142

7.9 Bộ đo gió kiểu dây nhiệt 146

7.10 Cảm biến oxy 149

7.11 Cảm biến hành trình thanh răng 151

7.12 Cảm biến mức nhiên liệu 153

Chương 8 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 155

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

be: Mức tiêu hao nhiên liệu thực tế (g/kWh)

BIP: Bắt đầu của giai đoạn phun

CAN: Mạng điều khiển vùng

CDPF: Bộ lọc muội than được phủ chất xúc tác

CPU: Bộ xử lý trung tâm

CRC: Kiểm tra độ dư vòng

CRS: Hệ thống Common – rail

CRT: Hệ thống lọc tái tạo liên tục

DCU: Bộ điều khiển động cơ diesel

DI: Phun trực tiếp

DOC: Bộ xúc tác oxy hóa

EAB: Van tắt máy bằng điện tử

ECU: Bộ điều khiển bằng điện tử

EDC: Bộ điều khiển động cơ diesel bằng điện tử

EGR: Tuần hoàn khí thải

ELAB: Van ngắt nhiên liệu dư

EOBD: Chuẩn đoán trên xe theo tiêu chuẩn Châu Âu

ESP: Hệ thống cân bằng điện tử

ETC: Bộ điều khiển hộp số tự động bằng điện tử

IDI: Phun gián tiếp

ISO: Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hóa

IMA: Bộ bù nhiên liệu phân phối

LLR: Bộ điều khiển tốc độ cầm chừng

MAR: Bộ điều khiển bù nhiên liệu phun

MMA: Bộ điều chỉnh nhiên liệu phân phối trung bình

n: Tốc độ động cơ (rpm)

NSC: Bộ xúc tác lưu trữ NOx

NTC: Nhiệt điện trở âm

OBD: Chuẩn đoán trên xe

QH: Thể tích nhiên liệu

P: công suất động cơ (KW)

PDF: Hệ thống lọc muội than

PTC: Hệ số nhiệt điện trở dương

PWM: Bộ điều khiển độ rộng xung

RAM: Bộ nhớ cho phép viết và đọc

RTR: Yêu cầu truyền từ xa

UIS: Hệ thống nhiên liệu kim phun liên hợp

UPS: Hệ thống nhiên liệu bơm UP

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Các thành phần của hệ thống xông máy 5

Hình 2.2 Bugi xông loại GSK2 6

Hình 2.3 Nhiệt độ của bugi xông theo thời gian trên hệ thống xông máy kiểu truyền thống 7

Hình 2.4 Bugi xông loại ống nhiệt bằng kim loại (Highspeed) 8

Hình 2.5 Bugi xông Rapiterm 9

Hình 2.6 Những đường cong so sánh nhiệt độ giữa bugi xông HighSpeed GSK2 và GSK3 10

Hình 2.7 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ trên bề mặt bugi xông lên lượng khói đen trong khí thải 10

Hình 3.1 Phun dầu diesel 13

Hình 3.2 Các biến số ảnh hưởng trong quá trình cháy 15

Hình 3.3 Quá trình cháy truyền thống và sự phát triển trở thành quá trình cháy đồng nhất 21

Hình 3.4 Quá trình cháy trên động cơ phun trực tiếp với kim phun nhiều lỗ tia 22

Hình 3.5 Đường cong tỷ số A/F đối với một hạt nhiên liệu đứng yên 24

Hình 3.6 Đường cong tỷ số A/F đối với một hạt nhiên liệu chuyển động 25

Hình 3.7 Thời điểm khởi phun theo tốc độ động cơ trên xe du lịch 26

Hình 3.8 Lượng khí thải NOx và HC theo thời điểm khởi phun trên xe thương mại (không sử dụng tuần hoàn khí thải) 28

Hình 3.9 Đường cong áp suất phun trên hệ thống phun nhiên liệu truyền thống 31

Hình 3.10 Đường cong áp suất phun trên hệ thống Common – rail 32

Hình 3.11 Mô hình phun nhiên liệu 33

Hình 3.12 Ảnh hưởng của giai đoạn phun trước đến áp suất cháy 35

Hình 3.13 Chuỗi tương tác giữa các thành phần phun nhiên liệu theo góc quay của trục cam 36

Hình 3.14 Sự ảnh hưởng của áp suất phun và thời điểm khởi phun lên mức tiêu hao nhiên liệu, lượng muội than và lượng khí thải NOx 38

Hình 3.15 Sự ảnh hưởng của thiết kế kim phun lên lượng khí thải HC 39

Hình 3.16 Các loại kim phun 39

Hình 4.1 Giảm thiểu sự ô nhiễm bằng cách quản lý khí thải (trên xe sử dụng hệ thống Common – rail) 42

Hình 4.2 Sơ đồ hệ thống khí thải sử dụng bộ xúc tác lưu trữ NOx 43

Hình 4.3 Hệ thống khí thải sử dụng bộ xúc tác chọn lọc SCR 47

Hình 4.4 Sự so sánh lượng khí thải NOx bên trong chu trình chuyển tiếp (ETC - European Transient Cycle) 49

Hình 4.5 Thiết kế của hệ thống DENOXTRONIC 1 50

Hình 4.6 Tổng quát về sơ đồ trộn 53

Hình 4.7 Mô hình chuẩn 54

Hình 4.8 Bộ lọc muội than làm từ gốm 56

Hình 4.9 Thiết kế bộ lọc muội than làm từ gốm 56

Hình 4.10 Bộ lọc muội than làm từ kim loại thiêu kết 57

Hình 4.11 Hệ thống khí thải sử dụng bộ xúc oxy hóa và bộ lọc muội than với hệ thống phụ gia 58

Hình 4.12 Những chức năng điều khiển của hệ thống lọc muội than 62

Hình 4.13 Nhiệt độ khí thải thông thường theo hàm tốc độ và tải động cơ 65

Hình 4.14 Những phương pháp bên trong động cơ nhằm tăng nhiệt độ khí thải 66

Hình 4.15 Sự biến đổi HC và CO theo nhiệt độ của bộ xúc tác 69

Hình 5.1 Các thành phần chính của bộ điều khiển động cơ diesel bằng điện tử 71

Hình 5.2 Sơ lược về các thành phần của EDC trên bơm cao áp thẳng hang 74

Hình 5.3 Sơ lược về cách thành phần của EDC trên bơm cao áp (dạng piston hướng trục) với nhiên liệu được điều khiển bằng lằn vạt xéo (VE – EDC) 77

Hình 5.4 Sơ lược về cách thành phần của EDC trên bơm cao áp (dạng piston hướng trục hoặc hướng tâm) với nhiên liệu được điều khiển bằng van điện từ (VE – M, VR – M) 79

Hình 5.5 Sơ lược về các thành phần của EDC trên hệ thống nhiên liệu kim liên hợp (UIS) dành cho xe du lịch 80

Hình 5.6 Sơ lược về các thành phần của EDC trên hệ thống nhiên liệu kim liên hợp (UIS) và hệ thống nhiên liệu bơm UP dành cho xe thương mại 82

Hình 5.7 Sơ lược về các thành phần của EDC trên hệ thống Common – rail dành cho xe du lịch 83

Hình 5.8 Sơ lược về các thành phần của EDC trên hệ thống Common – rail (CRS) dành

cho xe thương mại 85

Hình 5.9 Bộ điều khiển động cơ diesel bằng điện tử (EDC): chuỗi điều khiển cơ bản 87

Hình 5.10 Sự tính toán của quá trình phun nhiên liệu trong hộp ECU 89

Hình 5.11 Thử nghiệm về bộ dập dao động chủ động (ARD) 94

Hình 5.12 Bộ điều khiển thời điểm khởi phun 98

Hình 5.13 Sự điều phối tín hiệu từ cảm biến dịch chuyển kim phun 99

Hình 5.14 Cảm biến tốc độ quay/góc quay giúp tạo ra tín hiệu IWZ 100

Hình 5.15 Sự phát hiện thời điểm bắt đầu phân phối 102

Hình 5.16 Sơ lược về hệ thống 103

Hình 5.17 Sơ lược về hoạt động của bộ điều chỉnh nhiên liệu phân phối trung bình ở chế độ “điều khiển gián tiếp” 105

Hình 5.18 Nguyên lý hoạt động của bộ giới hạn khởi ở chế độ toàn tải sử dụng vòng điều khiển khép kín dựa theo tín hiệu lamda 106

Hình 5.19 Van ngắt dòng khí nạp vào xy lanh 109

Hình 5.20 Những thành phần trao đổi dữ liệu với EDC 111

Hình 5.21 Bus đường thẳng 113

Hình 5.22 Gắn địa chỉ và lọc thông điệp 115

Hình 5.23 Sự phân xử theo từng bit 115

Hình 5.24 Định dạng khung của thông điệp 117

Hình 6.1 Thiết kế của ECU của hệ thống Common rail với kim phun Piezo 121

Hình 6.2 Xử lý tín hiệu trong ECU 123

Hình 6.3 Tín hiệu PWM 126

Hình 7.1: Mức độ tích hợp cảm biến 129

Hình 7.2: Cảm biến nhiệt độ làm mát 129

Hình 7.3: Đường cong đặc trưng của cảm biến nhiệt NTC 130

Hình 7.4: Nắp đậy và thiết bị đo áp suất 132

Hình 7.5: Thiết bị đo cảm biến áp suất với với nắp chân không 132

Hình 7.6: Thành phần thiết bị đo cảm biến áp suất với nắp chân không 133

Hình 7.7: Đồ thị đặc tính của cảm biến tăng áp 133

Hình 7.8: Thiết bị đo cảm biến áp suất chân không 134

Hình 7.9: Cảm biến áp cao 136

Hình 7.10: Đồ thị đặc tính của cảm biến áp cao 136

Hình 7.11: Cảm biến tốc độ động cơ 137

Hình 7.12 Cấu tạo cảm biến tốc độ quay hoặc cảm biến góc quay 139

Hình 7.13: Nguyên lý cảm biến tốc độ quay hoặc cảm biến góc quay 139

Hình 7.14: Cảm biến Hall đơn 140

Hình 7.15: Thiết bị Hall 141

Hình 7.16: Cảm biến Hall dạng đôi 142

Hình 7.17: Các loại cảm biến bàn đạp ga 143

Hình 7.18: Đồ thị đặc tính của cảm biến bàn đạp ga 144

Hình 7.19: Cảm biến ARS1 144

Hình 7.20: Cơ cấu hoạt động ARS1 145

Hình 7.21: Cảm biến ARS2 145

Hình 7.22: Mạch bộ đo gió 146

Hình 7.23: Điện áp của phần khí vào 147

Hình 7.24: Nguyên lý hoạt động của bộ đo gió 148

Hình 7.25: Hoạt động cảm biến oxy 150

Hình 7.26: Thiết kế cảm biến hành trình thanh răng 152

Hình 7.27 Cảm biến mức nhiên liệu 153

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Lý do chọn đề tài

Trong quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước hiện nay, sự vận chuyểnđóng vai trò hết sức quan trọng trong việc lưu thông hàng hóa trong và ngoài nước Nóđược thực hiện thông qua nhiều hình thức khác nhau (ví dụ như các phương tiện đường

bộ, tàu, thuyền, máy bay, …) Thông dụng nhất là các loại xe thương mại, do chúng đápứng tốt các yêu cầu về tính kinh tế cũng như khả năng chuyên chở nặng theo mong muốncủa người sử dụng Để đạt được điều này, động cơ diesel trở thành lựa chọn phù hợpnhất, nó giúp tạo ra công suất vượt trội và đồng thời đảm bảo tính kinh tế cao Tuy nhiên,các quy định ngày càng nghiêm khắc về các tiêu chuẩn khí thải cũng như những yêu cầu

về độ tiện nghi dành cho người tài xế, đòi hỏi phải tiến hành các cải tiến lớn đối với loạiđộng cơ này Nắm bắt được xu hướng trên, tập đoàn BOSCH đã phát triển và cho ra đờirất nhiều phát minh mang tính cách mạng trên động cơ Diesel Có thể kể đến một vàithành tựu như các loại bơm cao áp, các loại kim phun, các phần mềm hiện đại, bộ xúc tácoxy hóa, bộ lọc muội than, …Vì vậy, việc áp dụng các tài liệu của tập đoàn này trongcông tác giảng dạy và học tập sẽ trở nên vô cùng cần thiết ở thời điểm hiện tại và cả trongtương lai

Với bổn phận là những sinh viên năm tư của Trường đại học Sư phạm kỹ thuật Thànhphố Hồ Chí Minh, chúng em luôn khao khát cống hiến chút sức lực của mình dành cho sựphát triển và sự thành công của nhà trường Sau ba năm theo học tại trường, chúng em đãđược tiếp thu một lượng kiến thức rất đầy đủ về chuyên ngành của mình và đồng thời,nhờ vào sự tạo điều kiện của nhà trường, chúng em đã được trang bị thêm nhiều kỹ năng

bổ ích Đặc biệt là kỹ năng về ngoại ngữ Chính vì vậy, khi được GVC ThS Châu QuangHải gợi ý về đề tài “Biên soạn tài liệu tham khảo cho môn thực tập động cơ Diesel phần2”, cụ thể là việc sử dụng tài liệu của tập đoàn BOSCH, nhóm chúng em cảm thấy rất vuimừng và tin đây là một cơ hội để củng cố lượng kiến thức đã được học trong nhiều nămqua Cuối cùng, chúng em thật sự rất cảm ơn Thầy Châu Quang Hải đã dành cho nhómchúng em cơ hội hết sức quý báu này

1.2 Mục đích nghiên cứu

 Hiểu rõ và trình bày được các nội dung trọng tâm của động cơ Diesel

 Hiểu được các nguyên lý hoạt động của từng bộ phận

 Nắm bắt được các cải tiến và những phát minh mới của tập đoàn BOSCH

 Nhìn ra được những hạn chế của động cơ Diesel để đưa ra những đề xuất nghiêncứu

 Chuyển đổi những kiến thức lý thuyết này thành những kiến thức thực nghiệm (ví

dụ như việc chuẩn đoán trên xe)

 Cải thiện khả năng đọc tài liệu nước ngoàivà khả năng tìm kiếm thông tin bằngtiếng việt cũng như bằng tiếng anh

 Tăng cường kỹ năng làm việc nhóm và khả năng xử lý các tình huống khó

 Áp dụng những kỹ năng đã được học để khai thác thông tin từ Thầy (Cô), các anhkhóa trước, bạn bè

1.3 Đối tượng nghiên cứu

 Các phần trọng tâm trên động cơ Diesel

 Các công nghệ và phần mềm mới của tập đoàn BOSCH

 Các phương pháp giảm thiểu khí thải bên trong động cơ

 So với xăng, dầu diesel cũng rất dễ cháy Điều này giải thích tại sao động cơ diesel

sử dụng buồng cháy phụ, buồng cháy xoáy lốc hay động cơ phun dầu trực tiếp có thể tựkhởi động khi nhiệt độ bên ngoài thấp (trên 0°C) Trong điều kiện nhiệt độ bên ngoài

ra trong buồng đốt khi động cơ quay ở tốc độ khởi động Những động cơ sử dụng buồngcháy trước và buồng cháy xoáy lốc cần thiết bị hỗ trợ để khởi động khi nhiệt độ bênngoài thấp (dưới 40°C đối với động cơ sử dụng buồng cháy trước và dưới 20°C đối vớiđộng cơ sử dụng buồng cháy xoáy lốc) Trong khi đó, động cơ phun dầu trực tiếp phảiđến dưới 0°C mới cần sự can thiệp của những thiết bị hỗ trợ này.

2.1 Tổng quát

2.

2.1.1 Những hệ thống dành cho xe khách và xe thương mại loại nhẹ

 Hệ thống xông máy được sử dụng cho xe khách và xe thương mại loại nhẹ Những

hệ thống này làm động cơ dễ khởi động, giúp động cơ hoạt động êm ái, giảm tối đa lượngkhí thải ô nhiễm sau khi khởi động và trong quá trình hâm nóng

 Hệ thống xông máy bao gồm bugi xông, công tắc hoặc chương trình điều khiển hệthống xông nằm trong hệ thống điều khiển động cơ Những hệ thống xông kiểu truyềnthống sử dụng bugi xông với một điện áp định mức 12V, dòng điện này được lấy từ hệthống điện trên xe Những hệ thống xông máy mới sử dụng điện áp thấp, sử dụng bugixông với điện áp định mức dưới 12V, phù hợp với những động cơ sử dụng hệ thống điềukhiển xông điện tử

 Trong những động cơ sử dụng buồng cháy trước và buồng cháy xoáy lốc, bugixông thường được đặt ở buồng cháy phụ Trong khi động cơ phun trực tiếp bugi xôngđược đặt ngay bên trong buồng cháy chính

 Hỗn hợp không khí và dầu diesel được sấy nóng khi trực tiếp đi qua ống nhiệtnóng của bugie xông và được sấy nóng Kết hợp với việc nhiệt độ khí nạp tăng lên trongquá trình nén nên nhiệt độ trong buồng đốt sẽ đạt đến nhiệt độ tự cháy của nhiên liệu

 Đối với động cơ có dung tích xy lanh trên 1 lít trở lên trên mỗi xy lanh (xe thươngmại), người ta thường dùng hệ thống hỗ trợ khởi động bằng ngọn lửa

2.1.2 Những yêu cầu

Những đòi hỏi về việc điều khiển động cơ thuận lợi, dễ dàng hơn đã hình thành nên

sự phát triển của những hệ thống xông hiện đại Ngày nay, người lái xe không còn chấpnhận việc khởi động động cơ mà mất quá nhiều thời gian Những hạn chế nghiêm ngặthơn về khí thải và sự mong muốn đạt được công suất cao hơn, đã dẫn đến việc phát triểnđộng cơ với tỉ số nén thấp Khả năng vận hành động cơ này ở chế độ khởi động lạnh và

chạy lạnh còn gặp khó khăn, nhưng điều này có thể được kiểm soát nhờ vào việc tăngnhiệt độ xông cao hơn và tăng thời gian xông lâu hơn.

Tóm lại, hệ thống xông máy phải đáp ứng sự thỏa mãn theo những yêu cầu sau:

 Tốc độ xông nhanh nhất (1000°C/s), thậm chí khi xảy ra hiện tượng sụt áp trong

hệ thống điện trên xe

 Tuổi thọ hệ thống xông cao (tương đương với thời gian bảo dưỡng động cơ)

 Có thể kéo dài thời gian xông trong vài phút

 Nhiệt độ xông phải phù hợp với yêu cầu của động cơ

 Có thể xông liên tục lên đến 1150°C đối với động cơ có tỷ số nén thấp

 Giảm sự tiêu thụ điện năng trên hệ thống điện ô tô

 Tuân thủ tiêu chuẩn khí xả EURO IV và US 07

 Việc chẩn đoán trên xe dựa theo hệ thống OBD II và hệ thống EOBD

2.2 Các hệ thống xông máy

2.2.1 Những giai đoạn xông

Quá trình xông bao gồm 5 giai đoạn:

 Trong giai đoạn xông đầu, bugie xông được đốt nóng lên đến nhiệt độ hoạt động

 Trong giai đoạn xông chờ, hệ thống xông duy trì nhiệt độ cần thiết cho việc khởiđộng động cơ tốt nhất

 Hệ thống xông cũng được sử dụng khi động cơ tăng tốc trong quá trình khởi động

 Giai đoạn xông sau bắt đầu khi máy khởi động đã ngừng hoạt động

 Bugie xông thực hiện việc xông, sau khi động cơ được làm mát (vì nó chạy quámức) hoặc khi hỗ trợ việc tái tạo bộ lọc muội than

2.2.2 Những hệ thống xông truyền thống

Hình 2.1 Các thành phần của hệ thống xông máy

2.2.2.1 Thiết kế và cấu tạo

Hệ thống xông truyền thống bao gồm:

 Bugie xông bằng kim loại với điện áp định mức là 12V

 Bộ điều khiển xông bằng rơ le

 Phần mềm điều khiển hệ thống xông máy được tích hợp trong ECU

2.2.2.2 Cách thức hoạt động

Phần mềm xông máy trong ECU sẽ điều khiển quá trình xông tương ứng với việcđóng – mở công tắc xông máy và các thông số được lưu trữ trong phần mềm Bộ điềukhiển xông máy kích hoạt các bugi xông với điện áp của hệ thống, thông qua một relaytrong suốt đầu quá trình xông, xông chờ, xông trong lúc khởi động, xông sau Lượngnhiệt tạo ra phụ thuộc điện áp trong hệ thống điện trên xe và điện trở nhiệt của bu-gixông Bugi xông có khả năng tự điều chỉnh nhiệt độ nhờ sự điều khiển của ECU tránhquá nhiệt Những điều chỉnh thời gian xông sau theo các yêu cầu của động cơ, giúp nângcao tuổi thọ của bugi xông và tăng cường tính năng chạy lạnh của động cơ

2.2.2.3.Bugi xông Duraterm

Thiết kế và những đặc điểm

Hình 2.2 Bugi xông loại GSK2

Bugi xông gồm ống nhiệt, nằm bên trong thân kín khí (hình 2.2, 3) Ống nhiệt (4) cókhả năng chống ăn mòn và chịu được nhiệt độ cao, nó bao quanh cuộn dây và có bột cáchđiện Magnesium Oxide (6) bên trong Cuộn dây bao gồm hai điện trở mắc nối tiếp vớinhau, cuộn dây nhiệt (7) được đặt ở giữa đỉnh của ống nhiệt và cuộn hiệu chỉnh (5).Trong khi cuộn dây nhiệt có trở kháng không phụ thuộc vào nhiệt độ, thì cuộn hiệuchỉnh lại có hệ số nhiệt dương (PTC) Thế hệ mới nhất của bugi xông (loại GSK2) có trởkháng tăng nhanh hơn rất nhiều (trong lúc nhiệt độ tăng) so với thế hệ cũ (S-RSK) Vìthế, bugi xông loại GSK2 nhanh đạt đến nhiệt độ yêu cầu hơn (850°C trong 4 giây) vàđồng thời có nhiệt độ ở trạng thái ổn định thấp hơn Nghĩa là nhiệt độ được giữ dưới mứcnhiệt tới hạn của bugi xông Do đó, nó có thể duy trì hoạt động lên đến 3 phút sau khiđộng cơ đã khởi động Chức năng xông sau giúp cho giai đoạn chạy cầm chừng (lúc động

cơ lạnh) trở nên hiệu quả hơn cùng với đó là việc giảm tiếng ồn và giảm ô nhiễm trongkhí thải một cách đáng kể

Cuộn dây nhiệt được hàn vào ống nhiệt và nối mass Cuộn hiệu chỉnh được tiếp xúcvới điện cực trung tâm và được kết nối với hệ thống điện trên xe

2.2.3 Hệ thống xông máy điện áp thấp

2.2.3.1.Thiết kế và cấu tạo

Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, hệ thống xông này bao gồm:

 Bugi xông loại ống nhiệt bằng sứ (Rapiterm) hoặc bugi xông loại ống nhiệt bằngkim loại (Highspeed), sử dụng điện áp thấp dưới 11V

 Bộ điều khiển xông bằng điện tử

 Phần mềm điều khiển hệ thống xông máy được tích hợp trong ECU

2.2.3.2.Nguyên lý hoạt động

Bộ điều khiển xông máy kích hoạt những bugi xông để cho nhiệt độ xông sinh ra phùhợp với những yêu cầu của động cơ trong giai đoạn xông trước, xông chờ, xông trongquá trình khởi động, xông sau và xông trung gian Trong lúc xông trước, nhằm đạt đượcnhiệt độ yêu cầu càng nhanh càng tốt để động cơ khởi động, bugi xông nhanh chóng

được kích hoạt với điện áp cực đại, hơn cả điện áp định mức của bugi xông Sau đó, điện

áp này được giảm xuống điện áp định mức của bugi xông ở giai đoạn xông chờ

Trong lúc xông khi đang khởi động, điện áp tăng lên một lần nữa để bù cho lượngnhiệt bị mất do không khí nạp lạnh Điều tương tự sẽ diễn ra ở giai đoạn xông sau vàxông trung gian Điện áp yêu cầu được lấy từ hệ thống điện trên xe thông qua bộ điềukhiển độ rộng xung (PWM) Ở đây, những giá trị của bộ điều khiển độ rộng xung đượclấy từ biểu đồ chương trình Biểu đồ này được lưu trữ trong bộ điều khiển xông máy củaphần mềm điều khiển động cơ và nó chứa các thông số sau:

 Tốc độ

 Lương nhiên liệu phun

 Thời gian xông sau khi máy khởi động ngưng khởi động (hiện nay có ba giai đoạnxông sau được xác định, tương ứng với nhiệt độ xông phù hợp)

 Nhiệt độ nước làm mát

Việc kích hoạt được điều khiển bằng biểu đồ, ngăn chặn sự quá nhiệt của bugi xông ởtất cả các chế độ hoạt động của động cơ

2.2.4 Bugi xông loại ống nhiệt bằng kim loại (Highspeed)

Hình 2.4 Bugi xông loại ống nhiệt bằng kim loại (Highspeed)

Hình 2.4 cho ta thấy bugi xông loại này với điện áp định mức là 4.4V (xông với điện

áp cực đại (11V) trong khoảng 1,8 giây, sau đó giảm về điện áp định mức) đối với loạikích thước M8

Thiết kế cơ bản và hoạt động của bugi xông Highspeed cũng giống với bugi xôngDuraterm Cuộn dây nhiệt và cuộn điều chỉnh được thiết kế nhằm sử dụng điện áp địnhmức thấp hơn và đạt được chỉ số xông máy cao hơn.

Hình dáng nhỏ gọn giúp nó thích hợp với những không gian hạn chế trong nhữngđộng cơ sử dụng 4 xupap Bugi xông (đường kính khoảng 4/3.3 mm) được làm côn ởphía đầu nhằm bố trí cuộn dây nhiệt gần với ống nhiệt hơn Điều này cho phép chỉ sốxông máy lên đến 1000°C/3s với điện áp cực đại Nhiệt độ xông cực đại có thể vượt qua1000°C Nhiệt độ khi ở giai đoạn xông dự trữ và giai đoạn xông sau xấp xỉ 980°C.Những tính năng hoạt động này phù hợp với những yêu cầu của động cơ diesel có tỷ sốnén ε ≥ 18

2.2.5 Bugi xông Rapiterm

Hình 2.5 Bugi xông Rapiterm

Bugi xông loại này (hình 2.5) có những thành phần xông được làm từ vật liệucomposite sứ mới, chịu được nhiệt độ cao với khả năng dẫn điện có thể thay đổi Do tínhchống oxy hóa rất cao và chịu được sốc nhiệt nên bugi xông loại này cho phép việc khởiđộng diễn ra ngay tức thời, nhiệt độ xông tối đa 1300°C, xông sau và xông trung gian,kéo dài trong vài phút ở nhiệt độ 1150°C Việc tiêu thụ ít năng lượng và tuổi thọ cao giúp

nó tốt hơn những loại bugi xông khác

Điều này đạt được nhờ vào:

 Những tính năng đặc biệt của vật liệu composit

 Hình dạng của bugi xông điện áp thấp

 Khu vực xông.

 Sự hoạt động tối ưu giữa bộ điều khiển xông và bộ điều khiển động cơ

Tập đoàn Bosch đã phát triển bugi xông Rapiterm, dành cho những yêu cầu đặc biệtcủa những động cơ với tỷ số nén thấp ε < =16

Hình 2.6 Những đường cong so sánh nhiệt độ giữa bugi xông HighSpeed GSK2 và

GSK3

2.2.6 Giảm khí thải trong những động cơ diesel với tỷ số nén thấp

Hình 2.7 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ trên bề mặt bugi xông lên lượng khói đen

trong khí thải

Bằng cách giảm tỷ số nén trên các động cơ diesel hiện tại từ ε = 18 xuống ε = 16, giúpgiảm lượng khí NOx và muội than đồng thời công suất của động cơ vẫn tăng lên Tuy

nhiên, việc vận hành trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy lạnh vẫn là vấn đề của cácloại động cơ này Để duy trì lượng khói đen của khí thải ở mức tối thiểu và tăng độ êmdịu trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy lạnh, nhiệt độ của bugi xông phải cao hơn1150°C, 850°C đối với động cơ truyền thống Trong giai đoạn khởi động lạnh, để giảmlượng khói đen và khí thải ô nhiễm giai đoạn xông sau được kéo dài trong vài phút Sovới những hệ thống xông chuẩn khác, hệ thống xông máy Rapiterm của Bosch đã giảmlượng muội than trong khí thải lên đến 60%.

2.2.7 Bộ điều khiển xông máy

Hệ thống này điều khiển các bugi xông thông qua một rơ le và các transitor công suất

Nó nhận tín hiệu khởi động từ bộ điều khiển động cơ hoặc từ cảm biến nhiệt độ

Bộ điều khiển xông máy Autarkic đảm nhận tất cả các chức năng điều khiển và hiểnthị Quá trình xông được điều khiển bởi các cảm biến nhiệt độ Nếu lượng nhiên liệuphun vượt quá mức giới hạn, quá trình xông sau sẽ bị ngưng, nhằm ngăn chặn việc quánhiệt của bugi xông Hiện nay, hệ thống này được thay thế bằng bộ điều khiển xôngEDC

2.2.7.1.Bộ điều khiển xông máy sử dụng rơ le dùng cho bugi xông 11 V

Hệ thống này kích hoạt bugi xông (11V) với một điện áp thông qua rơ le dựa theonhững đặc điểm của bộ điều khiển động cơ Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình xông, vìthế, phụ thuộc vào điện áp của hệ thống điện trên xe và nhiệt điện trở của bugi xông (đặctính nhiệt điện trở dương) Hệ thống xông máy với bộ điều khiển xông bằng rơ le có mứctiêu thụ năng lượng thấp Những trục trặc về bugi xông hoặc các lỗi về rơ le được pháthiện và được gửi đến bộ điều khiển động cơ

2.2.7.2.Bộ điều khiển xông máy sử dụng transistor cho bugi xông điện áp thấp

Những bộ điều khiển xông (bằng điện tử) mới hiện nay, cho phép điều khiển điện ápcủa bugi xông điện áp thấp Điện áp yêu cầu được tạo ra từ hệ thống điện trên xe thôngqua bộ điều khiển độ rộng xung (PWM) Ở đây, các giá trị từ bộ điều khiển độ rộng xungđược lấy từ biểu đồ chương trình (của một động cơ cụ thể), nó được lưu trữ trong bộ điềukhiển xông máy của phần mềm EDC Bằng cách này, lượng nhiệt sinh ra trong quá trìnhxông, phù hợp một cách hoàn hảo với những yêu cầu của động cơ Hệ thống này giảm tải

cho hệ thống điện động cơ trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy lạnh xuống mức tốithiểu.

Bộ điều khiển xông máy kết hợp với chức năng tự chẩn đoán và chức năng giám sátquá trình xông Những lỗi xảy ra trong hệ thống xông máy được gửi đến và lưu trữ trongECU điều khiển động cơ Điều này giúp cho việc chẩn đoán trên xe trở nên dễ dàng dựatrên máy chẩn đoán OBD II (Mỹ) và EOBD (châu Âu) Những mã lỗi được lưu trữ trong

bộ điều khiển động cơ cho phép kĩ thuật viên nhận diện nguyên nhân hư hỏng nhanh hơn

và rõ ràng hơn Có thể là bugi xông, bộ điều khiển xông hoặc cầu chì chính

Chương 3 CÁC BIỆN PHÁP BÊN TRONG ĐỘNG CƠ NHẰM GIẢM THIỂU KHÍ

THẢI

Hình 3.1 Phun dầu diesel

Khi hỗn hợp nhiên liệu được đốt cháy, sản phẩm cháy chứa những chất ô nhiễm nhưkhí NOx, khí CO, khí HC và muội than Lượng chất ô nhiễm này được hòa trong khí thảichưa được xử lý (khí thải sau khi đốt cháy và trước khi đến bộ xúc tác), chủ yếu phụthuộc vào điều kiện hoạt động của động cơ Bên cạnh hình dạng của buồng đốt và đườngdẫn khí nạp (tăng áp bằng máy nén/turbo, tuần hoàn khí xả, điều khiển xoáy lốc), thì hệthống phun nhiên liệu đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu khí xả

Sự công bố về các tiêu chuẩn đánh giá khí thải mới ở châu Âu (Euro 3 từ năm 2000),

đã đặt ra những yêu cầu khó khăn hơn về quá trình đốt cháy của động cơ diesel trên xekhách loại nhỏ Để tìm được sự cân đối tốt nhất giữa các nhân tố mâu thuẫn lẫn nhau (ví

dụ như lượng khí thải NOx và tiếng ồn trong quá trình đốt cháy), việc phun trước và phunchính phải được tiến hành đúng thời điểm, cùng với một lượng nhiên liệu chính xác Điềunày chỉ có thể đạt được nhờ vào hệ thống phun nhiên liệu được điều khiển bằng điện tử

Bộ điều khiển dầu diesel bằng điện tử (EDC) cho phép nâng cao khả năng điều khiển dầuphân phối: điều chỉnh điểm khởi phun chính xác hơn, quá trình đốt cháy được tối ưu hóa,mức tiêu hao nhiên liệu thấp và giảm khí thải ô nhiễm

Trong tương lai, những tiêu chuẩn khí thải khắc khe hơn cũng như những yêu cầu khókhăn hơn của khách hàng về độ tiện nghi và tính năng vận hành của xe (sử dụng động cơ

diesel) chỉ có thể đạt được thông qua việc sử dụng những hệ thống phun nhiên liệu hiệnđại như hệ thống UI, hệ thống UP hoặc hệ thống Common rail.

Chúng ta không thể đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải mới bằng cách đơn thuần làmthay đổi kết cấu bên trong của động cơ, vì thế, chúng ta buộc phải có những phương pháp

xử lý khí thải kèm theo Trước khi tiêu chuẩn đánh giá khí thải Euro 5 được công bố ởchâu Âu, việc lắp đặt bộ lọc muội than (đáp ứng các tiêu chuẩn rất cao về muội than)được xem là hết sức cần thiết

Những hệ thống phun nhiên liệu áp suất cao mới, dễ điều chỉnh hơn, đang được pháttriển nhằm đáp ứng các đòi hỏi về hàm lượng NOx cực thấp trong tiêu chuẩn Tier 2 của

Mỹ (được áp dụng từ 2004) Hệ thống này chia thành những hệ thống nhỏ, phức tạpnhằm tách khí NOx ra khỏi khí thải

Quá trình cháy ở động cơ diesel có thể chia làm 3 giai đoạn:

 Giai đoạn cháy trễ

 Giai đoạn cháy trước

 Giai đoạn lan truyền ngọn lửa

Trong giai đoạn cháy trễ, một lượng nhỏ nhiên liệu được phun theo yêu cầu để giảmtiếng ồn trong quá trình cháy Sau khi quá trình tự cháy bắt đầu, việc hình thành hỗn hợpđạt chuẩn là hết sức cần thiết nhằm giảm lượng muội than và khí thải NOx

Những nhân tố sau có ảnh hưởng quan trọng trong quá trình đốt cháy:

 Trạng thái áp suất và nhiệt độ bên trong buồng đốt

 Khối lượng, thành phần và sự dịch chuyển của hỗn hợp nhiên liệu

 Áp suất phun

Những thông số trên được điều chỉnh lần đầu theo những thông số cấu tạo của động

cơ và sau đó được điều chỉnh theo điều kiện hoạt động của động cơ

Những thông số của động cơ (cố định) sau đây rất quan trọng, cho biết thể tích côngtác trên một xy lanh:

 Tỷ số nén

 Tỷ số chiều cao và đường kính của xy lanh

 Hình dạng lõm của đầu piston

 Cấu trúc hình học của đường ống nạp

 Thời điểm đóng mở xupap xả và xupap nạp

Hình 3.2 Các biến số ảnh hưởng trong quá trình cháy

Chú thích:

Fuel – Injection system: Hệ thống phun

nhiên liệu

Type: Loại

Injection pressure: Áp suất phun

Injection rate: Tốc độ phun

Nozzle geometry: Cấu trúc hình học của

Starting system: Hệ thống khởi độngGlow concept: Xông máy

Starter motor: Mô tơ khởi độngAir – flow system: Hệ thống dẫn khí nạpSupercharging concept: Tăng áp

Exhaust – gas recirculation: Tuần hoànkhí thải

Charge cycle: Chu trình nạp

Charge movement: Sự dịch chuyển của

khí nạp

Hệ thống phun nhiên liệu đóng vai trò quan trọng trong quá trình đốt cháy, thời điểmphun và tốc độ phun sẽ quyết định việc hình thành hỗn hợp nhiên liệu, chúng là các cácyếu tố quan trọng giúp kiểm soát khí thải và hiệu suất động cơ

Bên cạnh hệ thống phun nhiên liệu, hệ thống dẫn khí nạp cũng được phát triển ngàycàng tốt hơn (vì sự đáp ứng các yêu cầu khắc khe về hàm lượng khí thải NOx đòi hỏi tỷ

số tuần hoàn khí thải rất cao)

3.1.1 Hệ thống phun nhiên liệu

Về khía cạnh khí nạp, việc hình thành hỗn hợp bị ảnh hưởng bởi sự dịch chuyển củadòng khí nạp bên trong xy lanh Điều này phụ thuộc vào cấu trúc hình học của đường ốngnạp và hình dạng buồng đốt Trong lúc áp suất phun tăng lên, chức năng hình thành hỗnhợp từ từ được giao cho hệ thống phun nhiên liệu

Về khía cạnh phun nhiên liệu, những lỗ kim cực nhỏ với hình dạng được tối ưu hóagiúp cải thiện sự hình thành hỗn hợp Do đó, nó làm ngắn lại giai đoạn cháy trễ và chỉ cómột lượng nhiên liệu nhỏ được phun Trong giai đoạn cháy lan truyền sau đó, nhờ việc xénhỏ nhiên liệu với lượng khí EGR tối ưu đã làm giảm hàm lượng khí NOx và muội than.3.1.2 Hệ thống dẫn khí nạp

Bên cạnh hệ thống phun nhiên liệu, nhiều sự chú ý tập trung vào hệ thống dẫn khínạp Để đáp ứng những yêu cầu khắc khe về hàm lượng khí thải NOx, đòi hỏi phải sửdụng hệ thống tuần hoàn khí thải trong quá trình đốt cháy Điều này giúp giảm thiểu sựhình thành NOx, bộ lọc muội than có thể xử lý tốt lượng muội than sinh ra Quá trình dẫnkhí nạp đòi hỏi một hệ thống có khả năng tạo ra hỗn hợp khí nạp và khí EGR tốt nhất,giống nhau trên các xy lanh và ở nhiệt độ thấp nhất có thể

3.1.2.2 Tăng áp

Mặc dù việc tăng áp chủ yếu nhằm mục đích tăng công suất thực tế, nhưng nó cũngtăng lượng khí thải tuần hoàn, vì có thể chứa một khối lượng khí nạp lớn hơn trongbuồng đốt Điều này làm cho sự cân bằng giữa khí thải NOx và muội than được thuận lợihơn Có loại turbo tăng áp mà hình dạng cánh tuabin có thể thay đổi (VTG), chúng thayđổi áp suất khí nạp bằng những cánh tua bin này Chính vì sự thay đổi này, chúng ta cóthể sử dụng cánh tua bin lớn hơn mà không sợ làm tăng áp suất đường thải quá cao nhưđối với loại sử dụng cửa xả phụ wastegate, nhờ đó làm giảm khí sót trong xy lanh Việcgiảm tỷ số nén, chẳng hạn như làm cho độ lõm của đầu piston lớn hơn, có nghĩa là chiềudài của tia phun lớn hơn ở chế độ toàn tải và hiệu quả của không khí xoáy tăng lên, cùngvới nhiệt độ cuối quá trình nén được giảm xuống, do đó, hạ thấp nhiệt độ cực đại trongquá trình đốt cháy, suy ra làm giảm sự hình thành khí NOx

3.1.3 Nhiệt độ đốt cháy

Cùng với hệ số dư lượng không khí, nhiệt độ buồng đốt có ảnh hưởng đáng kể lênviệc hình thành khí thải NOx Nhiệt độ cao và hệ số dư lượng không khí λ>1 thúc đẩy sựhình thành oxit nitơ Trong buồng đốt của quá trình cháy lan truyền không đồng nhất,những khu vực có hỗn hợp nghèo (không thể tránh khỏi) sẽ làm tăng khả năng hình thànhoxit nitơ Vì thế, mục đích của việc tối ưu hóa quá trình đốt cháy là hạ thấp nhiệt độ cựcđại trong buồng đốt bằng cách tăng lượng khí trơ (từ EGR) đồng thời tối ưu hóa sự hìnhthành hỗn hợp, nhằm giảm bớt muội than Trong điều kiện cháy với hỗn hợp nghèo và ởnhiệt độ thấp, ngọn lửa có xu hướng bị dập tắt sớm Điều này xảy ra chủ yếu khi động cơlạnh và tải thấp, gây ra sự gia tăng mạnh của khí CO và khí HC, những chất này là sảnphẩm của việc cháy không hoàn toàn Để tránh việc này xảy ra, bộ làm mát của EGR sẽkhông hoạt động khi động cơ chạy lạnh Những bộ làm mát này thông thường có khảnăng làm mát cao, cần thiết để giảm thành phần khí thải NOx khi động cơ vận hành ởnhiệt độ bình thường

Những oxit nitơ được hình thành ở nhiệt độ cao và hệ số dư lượng không khí Do đó,nhiệt độ cực đại và hệ số dư lượng không khí cao cục bộ phải được hạ xuống Điều nàychỉ có thể đạt được bằng cách trì hoãn điểm khởi phun với tốc độ phun cao trong giaiđoạn cháy lan truyền Việc đốt cháy bắt đầu ngay trước khi piston chạm điểm chết trên.Điều này giúp tránh việc nén các sản phẩm cháy (làm tăng nhiệt độ) Tốc độ phun cao tạo

ra xoáy lốc mạnh dẫn đến nhanh chóng đốt cháy 50% khối lượng nhiên liệu Nhiệt độbuồng cháy cao thúc đẩy sự hình thành khí NOx

3.2 Các tác động khác nhau lên lượng khí thải ô nhiễm

3.2.1 Tốc độ động cơ

Tốc độ động cơ càng cao thì tổn thất ma sát trong động cơ càng lớn và công suất đầuvào của các hệ thống phụ (ví dụ như bơm nước) càng cao Hiệu suất động cơ, do đó,giảm xuống khi tốc độ động cơ tăng lên

Với cùng công suất phát ra, ở tốc độ động cơ cao đòi hỏi lượng nhiên liệu nhiều hơn

so với khi động cơ chạy ở tốc độ thấp Đồng thời, điều này sinh ra khí thải ô nhiễm nhiềuhơn

3.2.1.1 Oxit Nitơ

Vì khoảng thời gian hình thành khí NOx trong buồng đốt ngắn hơn ở tốc độ động cơcao, nên lượng khí NOx giảm xuống khi tốc độ động cơ tăng lên Ngoài ra, lượng khí sóttrong buồng đốt phải được xem xét vì nó giúp hạ thấp nhiệt độ cực đại Trong khi, khí sótthường giảm xuống khi tốc độ động cơ tăng lên, nhưng tác động này dẫn đến tăng lượngkhí thải NOx

3.2.1.2 Khí HC và khí CO

Khi tốc độ động cơ tăng, lượng khí HC và khí CO tăng vì thời gian chuẩn bị cho hỗnhợp và đốt cháy ngắn Khi vận tốc piston tăng lên, áp suất buồng đốt giảm nhanh hơntrong quá trình giãn nỡ Điều này gây nên những điều kiện cháy kém hơn (đặc biệt khi ởtải thấp) và hiệu suất cháy giảm Mặt khác, sự dịch chuyển của dòng khí nạp và xoáy lốclàm tăng tốc độ đốt cháy khi tốc độ động cơ tăng Thời gian đốt cháy trở nên ngắn hơn vàđiều này bù lại một phần cho điều kiện cháy kém

3.2.1.3 Muội than

Thông thường, muội than trở nên ít hơn khi tốc độ động cơ tăng, vì sự dịch chuyểncủa dòng khí nạp mạnh hơn, do đó, dẫn đến việc hình thành hỗn hợp tốt hơn

3.2.2 Mô – men xoắn

Khi mô – men xoắn tăng lên, nhiệt độ buồng đốt theo đó cũng tăng lênvà điều nàygiúp cải thiện điều kiện cháy Khí thải NOx chưa được xử lý tăng, trong khi những sảnphẩm cháy do quá trình cháy không hoàn toàn (như khí thải CO và khí thải HC) giảm

nhưng khi động cơ ở chế độ toàn tải, hệ số dư lượng không khí thấp (λ<1.4), muội than

và khí thải CO tăng lên do thiếu khí oxy

3.2.2.1 Muội than

Muội than hình thành do sự thiếu oxy cục bộ và do hiện tượng cracking phân tửhydrocarbon ở nhiệt độ xấp xỉ 1500K Do đó, cải thiện quá trình nạp khí sẽ giúp giảm bớtlượng muội than, hoặc cho phép phun với lượng nhiên liệu nhiều hơn làm công suất động

cơ tăng lên mà không làm tăng luợng muội than

3.2.3 Nhiên liệu

Một tác động khác quyết định các giá trị khí thải là việc cải tiến về chất lượng nhiênliệu Cụ thể, lượng khí SO2 đã giảm nhẹ từ khi công bố loại nhiên liệu chứa nồng độ lưuhuỳnh thấp hoặc không còn lưu huỳnh

Đối với quá trình đốt cháy thông thường, nhiên liệu diesel nên có chỉ số cetan caonhất có thể (chất lượng tự cháy được tối ưu hóa) Điều này rút ngắn giai đoạn cháy trễ vàlàm giảm tiếng ồn trong quá trình cháy Nhiên liệu cần có khả năng bôi trơn tốt, lượngnước và hàm lượng tạp chất thấp, để bảo đảm việc hoạt động thích hợp của hệ thốngphun nhiên liệu trong suốt tuổi thọ của hệ thống này

Những yêu cầu được đặt ra về chất lượng nhiên liệu cũng tăng lên do việc tăng liêntục của công suất động cơ Các phụ gia khác nhau giúp tăng chỉ số Cetan, cải thiện khảnăng bôi trơn và bảo vệ hệ thống nhiên liệu khỏi bị ăn mòn

3.2.4 Mức tiêu hao nhiên liệu

Lượng khí thải CO2 tỷ lệ thuận với mức tiêu thụ nhiên liệu, vì vậy, việc giảm lượngkhí thải này chỉ có thể đạt được bằng cách giảm mức tiêu thụ nhiên liệu

Các biện pháp giảm lượng khí thải NOx, ví dụ, tăng lượng khí thải luân hồi dẫn đến

hạ thấp tốc độ cháy Tiếp đến, nó trì hoãn sự cháy đến giai đoạn giãn nỡ Thời điểm 50%khối lượng nhiên liệu bị đốt cháy cũng chuyển sang giai đoạn giãn nỡ Thông thường,những điều kiện cháy kém hơn dẫn đến giảm hiệu suất động cơ Nếu không có biện pháp

để giảm thiểu mức tiêu thụ nhiên liệu (ví dụ như tối ưu hóa ma sát), điều này sẽ làm tăngmức tiêu thụ nhiên liệu

3.3 Sự phát triển của quá trình đốt cháy đồng nhất

Quá trình đốt cháy đồng nhất mới, hiện nay đang được phát triển nhằm đáp ứng cáctiêu chuẩn về khí thải NOx trong tương lai (tại Châu Âu, Euro 4/Euro 5; tại Hoa Kỳ,

Tier2, Bin5) Chúng có tiềm năng lớn về việc giảm thiểu khí thải NOx so với các quátrình đốt cháy tiêu chuẩn.

Bằng cách phun một lượng nhiên liệu nhiều nhất có thể hoặc toàn bộ trong giai đoạncháy trễ, nhằm giảm hoặc tránh hoàn toàn giai đoạn cháy lan truyền Cố gắng tạo nên sựđồng nhất bên trong xy lanh (không khí, nhiên liệu, khí thải từ hệ thống tuần hoàn khíthải), giảm thiểu sự khác nhau về hệ số dư lượng không khí giữa các khu vực Điều nàygần như ngăn chặn sự hình thành khí thải NOx và muội than

Trong giai đoạn đầu (phương pháp cháy do nén một phần hỗn hợp đồng nhất partly Homogeneous Compressed Combustion Ignition), hỗn hợp đồng nhất từng phầnđược hình thành trên động cơ diesel kiểu truyền thống trong dãy tốc độ động cơ và tảitrọng nhất định, nhờ vào việc áp dụng phương pháp phun nhiên liệu kết hợp với lượngkhí thải tuần hoàn cao, từ đó kiểm soát được tốc độ cháy và giai đoạn cháy trễ Các pháttriển sau đó hướng tới quá trình cháy hỗn hợp đã được hoà trộn hoàn toàn trước đó (cháy

(pHCCI-do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI)) Điều này đòi hỏi việc tối ưu hóa các hệ thống và cácthiết bị, chẳng hạn như hình dạng buồng đốt và kim phun

Nhược điểm của các quá trình này là lượng khí thải CO và khí thải HC cao hơn rấtnhiều so với các quá trình cháy chuẩn Vì hỗn hợp nhiên liệu bám vào thành buồng đốt(hệ quả của việc trộn trước), sinh ra hiện tượng nguội thành xy lanh tương tự trên động

cơ xăng (ngọn lửa cháy trước bị dập tắt do nhiệt độ thấp của thành xy-lanh), đồng thời,

do lượng khí thải tuần hoàn cao cũng dẫn đến việc giảm mạnh nhiệt độ trên thành xylanhvà do đó làm tăng các sản phẩm cháy không hoàn toàn

Hỗn hợp đồng nhất trở nên có vấn đề khi tăng tải, lượng nhiên liệu phun, nhiệt độ và

áp suất buồng đốt Dưới những điều kiện trên, việc thay đổi sang cháy chuẩn có thể tránhđược những khuyết điểm của cháy đồng nhất Do đó, phải luôn điều khiển động cơ ở haichế độ hoạt động Quá trình cháy đồng nhất cần nhiều nghiên cứu hơn trong việc chuyểnđổi chế độ cháy, điều khiển chính xác lượng khí thải tuần hoàn, để tăng sự ổn định vàgiảm tiếng ồn trong quá trình cháy, cũng như giảm việc gia tăng khí thải HC và khí thải

CO của quá trình cháy đồng nhất

Hình 3.3 Quá trình cháy truyền thống và sự phát triển trở thành quá trình cháy đồng nhất

3.4 Sự phun dầu diesel

Quá trình đốt cháy trên động cơ diesel ảnh hưởng đến công suất động cơ, mức tiêuhao nhiên liệu, các thành phần khí thải và tiếng ồn trong quá trình cháy, nó phụ thuộc vàocách chuẩn bị hỗn hợp nhiên liệu Các thông số phun quyết định chất lượng hỗn hợp baogồm:

 Thời điểm khởi phun

 Tốc độ phun nhiên liệu và khoảng thời gian phun

 Áp suất phun

 Số lần phun trong một chu trình

Trên động cơ diesel, lượng khí thải và tiếng ồn trong quá trình cháy được giảm chủyếu nhờ vào các biện pháp bên trong động cơ, chẳng hạn như biện pháp kiểm soát quátrình cháy

Cho đến thập niên 80 (thế kỷ XX), lượng nhiên liệu phun và thời điểm khởi phun chỉđược kiểm soát duy nhất bằng phương pháp cơ khí Tuy nhiên, việc tuân thủ những tiêuchuẩn khí thải hiện hành, đòi hỏi sự điều chỉnh có độ chính xác cao hơn về các thông sốphun, ví dụ như quá trình phun trước, quá trình phun chính, lượng nhiên liệu phun, ápsuất phunvà thời điểm khởi phun tương ứng với từng chế độ hoạt động của động cơ Điềunày chỉ có thể đạt được bằng cách sử dụng bộ điều khiển bằng điện tử nhằm tính toán cácthông số phun theo nhiệt độ động cơ, tốc độ động cơ, tải động cơ, áp suất khí trời, v.v Bộđiều khiển động cơ diesel bằng điện tử (EDC) được sử dụng phổ biến nhằm thực hiệnnhiệm vụ này trên hầu hết các động cơ diesel

Vì những tiêu chuẩn khí thải sẽ trở nên nghiêm ngặt hơn trong tương lai, nên nhữngphương pháp cải tiến nhằm giảm thiểu ô nhiễm phải được đưa ra Lượng khí thải, cũngnhư tiếng ồn trong quá trình cháy có thể tiếp tục giảm bằng cách phun với áp suất caonhư đã áp dụng trên hệ thống UI và bằng cách điều chỉnh tốc độ phun nhiên liệu (tốc độphun này độc lập với áp suất nhiên liệu đuợc tạo ra) như đã áp dụng trên hệ thốngCommon – rail.

Hình 3.4 Quá trình cháy trên động cơ phun trực tiếp với kim phun nhiều lỗ tia

Chú thích:

Thời gian đo từ lúc sự tự cháy bắt đầu với a 200 µs; b 1400 µs; c 522 µs; d 1,200 µs3.4.1 Sự phân phối hỗn hợp

3.4.1.1 Hệ số dư lượng không khí λ

Hệ số dư lượng không khí λ (lam-da) là tỷ số giữa lượng không khí thực tế đi vàobuồng đốt và lượng không khí lý thuyết yêu cầu để đốt cháy hoàn toàn một đơn vị nhiênliệu

Công thức:

¿ Air mass Fuel mass × Stoichiometric ratio

Chú thích:

Air mass: khối lượng khí nạp

Fuel mass: khối lượng nhiên liệu

Stoichiometric ratio: khối lượng không khí cần thiết đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khốilượng nhiên liệu

λ = 1: khối lượng không khí thực tế tương đương với khối lượng không khí lý thuyết yêu cầu nên hỗn hợp cháy hoàn toàn

λ < 1 : khối lượng không khí thực tế ít hơn khối lượng không khí lý thuyết yêu cầu nên hỗn hợp này được gọi là giàu

λ > 1: khối lượng không khí thực tế nhiều hơn khối lượng không khí lý thuyết yêu cầu nên hỗn hợp này được gọi là nghèo

3.4.1.2 Những giá trị Lamda trên động cơ diesel

Những khu vực chứa hỗn hợp giàu sinh ra nhiều muội than trong quá trình đốt cháy

Để ngăn chặn việc hình thành quá nhiều những khu vực này, động cơ diesel – trái ngượcvới động cơ xăng – luôn phải hoạt động với lượng không khí dư

Giá trị Lamda trên động cơ diesel tăng áp ở chế độ toàn tải từ λ = 1.15 đến λ = 2.0.Khi động cơ chạy cầm chừng và ở chế độ không tải, giá trị lamda có thể lên đến λ >10

Hệ số dư lượng không khí đặc trưng cho tỷ số giữa khối lượng nhiên liệu và khôngkhí bên trong xi lanh Tuy nhiên, hệ số lam – da có giá trị khác nhau tại từng vị trí trongxy-lanh động cơ nên nó gây ảnh hưởng đến sự tự cháy và đồng thời sự hình thành các sảnphẩm cháy ô nhiễm

(3.1)