TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Trong quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa, vận chuyển hàng hóa là yếu tố quan trọng, thực hiện qua nhiều phương tiện như xe thương mại, tàu, thuyền và máy bay Xe thương mại được ưa chuộng vì tính kinh tế và khả năng chuyên chở nặng Động cơ diesel là lựa chọn tối ưu, mang lại công suất cao và tiết kiệm chi phí Tuy nhiên, các quy định về khí thải và yêu cầu tiện nghi cho tài xế ngày càng nghiêm ngặt, đòi hỏi cải tiến động cơ Tập đoàn BOSCH đã phát triển nhiều công nghệ tiên tiến cho động cơ diesel, bao gồm bơm cao áp, kim phun và bộ lọc muội than Việc áp dụng tài liệu từ BOSCH trong giảng dạy và học tập là cần thiết cho hiện tại và tương lai.
Là sinh viên năm tư của Trường đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, chúng em luôn mong muốn đóng góp cho sự phát triển của nhà trường Sau ba năm học tập, chúng em đã tích lũy được kiến thức chuyên ngành và nhiều kỹ năng bổ ích, đặc biệt là kỹ năng ngoại ngữ Khi được GVC ThS Châu Quang Hải gợi ý về việc biên soạn tài liệu tham khảo cho môn thực tập động cơ Diesel phần 2, sử dụng tài liệu của tập đoàn BOSCH, nhóm chúng em rất vui mừng và xem đây là cơ hội quý báu để củng cố kiến thức đã học Chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy Châu Quang Hải vì cơ hội này.
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 nghiên cứu
• 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 bằng tiếng 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 anh khóa trước, bạn bè.
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
• Các phương pháp xử lý khí thải
• Bộ điều khiển động cơ Diesel bằng điện tử
Phạm vi nghiên cứu
Chúng em thực hiện nghiên cứu trong phạm vi các công nghệ của tập đoàn BOSCH trên động cơ Diesel
HỆ THỐNG HỖ TRỢ KHỞI ĐỘNG
Tổng quát
2.1.1 Những hệ thống dành cho xe khách và xe thương mại loại nhẹ
Hệ thống xông máy là công nghệ thiết yếu cho xe khách và xe thương mại nhẹ, giúp khởi động động cơ dễ dàng hơn Công nghệ này không chỉ đảm bảo động cơ hoạt động êm ái mà còn giảm thiểu khí thải ô nhiễm trong quá trình khởi động và hâm nóng.
Hệ thống xông máy bao gồm bugi xông và các bộ điều khiển nằm trong hệ thống điều khiển động cơ Các hệ thống xông truyền thống thường sử dụng bugi xông với điện áp 12V lấy từ nguồn điện của xe, trong khi những hệ thống xông mới hiện nay sử dụng điện áp thấp hơn 12V, phù hợp cho các động cơ với hệ thống điều khiển xông điện tử.
Trong các loại động cơ sử dụng buồng cháy trước và buồng cháy xoáy lốc, bugi xông thường được lắp đặt ở buồng cháy phụ Ngược lại, trong động cơ phun trực tiếp, bugi xông được đặt ngay bên trong buồng cháy chính.
Hỗn hợp không khí và dầu diesel được làm nóng khi đi qua ống nhiệt của bugie xông, giúp tăng nhiệt độ khí nạp trong quá trình nén Nhờ đó, nhiệt độ trong buồng đốt đạt đến mức tự cháy của nhiên liệu.
Đối với động cơ có dung tích xy lanh từ 1 lít trở lên, thường sử dụng hệ thống hỗ trợ khởi động bằng ngọn lửa cho các loại xe thương mại.
Sự phát triển của các hệ thống xông hiện đại xuất phát từ nhu cầu điều khiển động cơ thuận lợi và dễ dàng hơn Ngày nay, người lái xe không chấp nhận việc khởi động động cơ tốn quá nhiều thời gian Các quy định nghiêm ngặt về khí thải cùng với mong muốn đạt công suất cao hơn đã thúc đẩy việc phát triển động cơ với tỉ số nén thấp Mặc dù khả năng vận hành động cơ này trong chế độ khởi động lạnh và chạy lạnh gặp khó khăn, nhưng có thể khắc phục bằng cách tăng nhiệt độ xông cao hơn và kéo dài thời gian xông.
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
Các hệ thống xông máy
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 khởi động 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 quá mức) 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
Phần mềm xông máy trong ECU điều khiển quá trình xông thông qua việc đóng – mở công tắc và lưu trữ các thông số Bộ điều khiển kích hoạt bugi xông với điện áp hệ thống qua relay, bao gồm các giai đoạn xông, xông chờ, và xông trong lúc khởi động Nhiệt độ tạo ra phụ thuộc vào điện áp và điện trở nhiệt của bugi, trong khi bugi có khả năng tự điều chỉnh nhiệt độ để tránh quá nhiệt Các điều chỉnh thời gian xông được thực hiện theo yêu cầu của động cơ, giúp nâng cao tuổi thọ bugi và cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ.
Thiết kế và những đặc điểm
Hình 2.2 Bugi xông loại GSK2
Bugi xông bao gồm ống nhiệt nằm trong thân kín khí, với ống nhiệt có khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt độ cao Ống nhiệt bao quanh cuộn dây, bên trong chứa bột cách điện Magnesium Oxide Cuộn dây bao gồm hai điện trở mắc nối tiếp, trong đó cuộn dây nhiệt được đặt ở giữa đỉnh của ống nhiệt và cuộn hiệu chỉnh.
Cuộn dây nhiệt có trở kháng không phụ thuộc vào nhiệt độ, trong khi cuộn hiệu chỉnh lại có hệ số nhiệt dương (PTC) Bugi xông thế hệ mới GSK2 có trở kháng tăng nhanh hơn nhiều so với thế hệ cũ S-RSK, giúp đạt nhiệt độ yêu cầu (850°C trong 4 giây) nhanh hơn và duy trì nhiệt độ ổn định thấp hơn Điều này giữ cho nhiệt độ dưới mức nhiệt tới hạn của bugi xông, cho phép hoạt động liên tục lên đến 3 phút sau khi động cơ khởi động Chức năng xông sau cải thiện hiệu quả giai đoạn chạy cầm chừng khi động cơ lạnh, đồng thời giảm tiếng ồn và ô nhiễm khí thải đáng kể.
Cuộn dây nhiệt được hàn chắc chắn vào ống nhiệt và nối với mass Đồng thời, cuộn hiệu chỉnh tiếp xúc với điện cực trung tâm và kết nối với hệ thống điện của xe.
Hình 2.3 Nhiệt độ của bugi xông theo thời gian trên hệ thống xông máy kiểu truyền thống
Khi điện áp được áp dụng vào bugi xông, phần lớn năng lượng điện từ cuộn dây nhiệt chuyển hóa thành nhiệt, làm tăng nhanh chóng nhiệt độ tại đỉnh bugi Theo thời gian, nhiệt độ và trở kháng của cuộn hiệu chỉnh cũng tăng lên Sau đó, cường độ dòng điện giảm, dẫn đến tổng lượng nhiệt tỏa ra của bugi xông giảm và nhiệt độ đạt trạng thái ổn định Các đặc tính nhiệt này được minh họa trong hình 2.3.
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 bằng kim 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
Bộ điều khiển xông máy kích hoạt bugi xông để điều chỉnh nhiệt độ phù hợp với yêu cầu của động cơ trong các giai đoạn khác nhau như xông trước, xông chờ, xông trong quá trình khởi động, xông sau và xông trung gian Trong giai đoạn xông trước, bugi xông được kích hoạt với điện áp cực đại để đạt được nhiệt độ cần thiết nhanh chóng, giúp động cơ khởi động hiệu quả hơn.
8 áp này được giảm xuống điện áp định mức của bugi xông ở giai đoạn xông chờ
Trong quá trình xông khi khởi động, điện áp sẽ tăng để bù đắp cho lượng nhiệt mất đi do không khí nạp lạnh Hiện tượng này cũng xảy ra trong giai đoạn xông sau và xông trung gian Điện áp cần thiết được cung cấp từ hệ thống điện của xe thông qua bộ điều khiển độ rộng xung (PWM), với các giá trị được lấy từ biểu đồ chương trình Biểu đồ này được lưu trữ trong bộ điều khiển xông máy của phần mềm điều khiển động cơ, bao gồm các thông số quan trọng.
Thời gian xông sau khi máy khởi động ngưng hoạt động được chia thành ba giai đoạn, mỗi giai đoạn tương ứng với một mức 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 ở tất 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)
Bugi xông loại M8 có điện áp định mức 4.4V, được thử nghiệm với điện áp cực đại 11V trong thời gian 1,8 giây trước khi giảm về điện áp định mức.
Thiết kế cơ bản và hoạt động của bugi xông Highspeed cũng giống với bugi xông
Duraterm Cuộn dây nhiệt và cuộn điều chỉnh được thiết kế nhằm sử dụng điện áp định mức thấp hơn và đạt được chỉ số xông máy cao hơn
Hình dáng nhỏ gọn của bugi xông giúp nó phù hợp với không gian hạn chế trong động cơ 4 xupap Bugi có đường kính khoảng 4/3.3 mm và được thiết kế côn ở đầu, cho phép cuộn dây nhiệt gần ống nhiệt hơn, giúp chỉ số xông máy đạt 1000°C/3s với điện áp cực đại Nhiệt độ xông tối đa có thể vượt quá 1000°C, trong khi nhiệt độ ở giai đoạn xông dự trữ và xông sau khoảng 980°C Những tính năng này đáp ứng yêu cầu của động cơ diesel với tỷ số nén ε ≥ 18.
Bugi xông loại này được chế tạo từ vật liệu composite sứ mới, có khả năng chịu nhiệt cao và dẫn điện linh hoạt Với tính chống oxy hóa vượt trội và khả năng chịu sốc nhiệt, bugi này cho phép khởi động tức thời, đạt nhiệt độ xông tối đa lên đến 1300°C Thời gian xông kéo dài vài phút ở nhiệt độ 1150°C, giúp tiết kiệm năng lượng và nâng cao tuổi thọ, vượt trội hơn so với các loại bugi xông khác.
• Những tính năng đặc biệt của vật liệu composit
• Hình dạng của bugi xông điện áp thấp
• 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 biệt của những động cơ với tỷ số nén thấp ε <
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
Giảm tỷ số nén trên động cơ diesel từ ε = 18 xuống ε = 16 giúp giảm lượng khí NOx và muội than, đồng thời tăng công suất động cơ Tuy nhiên, vấn đề vận hành trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy lạnh vẫn cần được giải quyết.
Để giảm lượng khói đen và khí thải ô nhiễm, động cơ cần duy trì nhiệt độ bugi xông cao hơn 1150°C, trong khi động cơ truyền thống chỉ yêu cầu 850°C Trong giai đoạn khởi động lạnh, thời gian xông được kéo dài vài phút nhằm tối ưu hóa quá trình này Hệ thống xông máy Rapiterm của Bosch đã chứng minh hiệu quả vượt trội, giảm lượng muội than trong khí thải lên đến 60% so với các hệ thống xông chuẩn khác.
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 thực hiện đầy đủ các chức năng điều khiển và hiển thị, với quá trình xông được giám sát bởi các cảm biến nhiệt độ Khi lượng nhiên liệu phun vượt quá giới hạn cho phép, quá trình xông sẽ tự động ngưng lại để ngăn chặn hiện tượng quá nhiệt của bugi xông Hiện nay, bộ điều khiển xông EDC đã thay thế hệ thống này.
2.2.7.1 Bộ điều khiển xông máy sử dụng rơ le dùng cho bugi xông 11 V
Hệ thống bugi xông (11V) hoạt động thông qua rơ le dựa trên đặc điểm của bộ điều khiển động cơ, với lượng nhiệt sinh ra phụ thuộc vào điện áp của hệ thống điện và nhiệt điện trở của bugi xông Hệ thống này có mức tiêu thụ năng lượng thấp và có khả năng phát hiện trục trặc bugi xông hoặc lỗi rơ le, đồng thời gửi thông tin đến bộ điều khiển động cơ.
2.2.7.2 Bộ điều khiển xông máy sử dụng transistor cho bugi xông điện áp thấp
CÁC BIỆN PHÁP BÊN TRONG ĐỘNG CƠ NHẰM GIẢM THIỂU KHÍ THẢI
Quá trình cháy
Quá trình đốt cháy trong động cơ diesel và các điều chỉnh liên quan là yếu tố then chốt ảnh hưởng đến công suất có ích, mức tiêu hao nhiên liệu và lượng khí thải.
Công suất động cơ được giới hạn bởi giá trị khói đen tối đa cho phép khi hoạt động ở chế độ toàn tải và nhiệt độ khí thải tối đa Nhiệt độ khí xả tại đầu vào của turbo tăng áp bị giới hạn bởi tính chất vật liệu của nó.
Quá trình cháy ở động cơ diesel có thể chia làm 3 giai đoạn:
• Giai đoạn lan truyền ngọn lửa
Trong giai đoạn cháy trễ, việc phun một lượng nhỏ nhiên liệu là cần thiết để giảm tiếng ồn Khi quá trình tự cháy khởi động, việc hình thành hỗn hợp đạt tiêu chuẩn trở nên quan trọng để giảm thiểu 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
Thông số của động cơ được điều chỉnh lần đầu dựa trên cấu tạo của nó, sau đó tiếp tục được điều chỉnh phù hợp với điều kiện hoạt động thực tế.
Những thông số của động cơ (cố định) sau đây rất quan trọng, cho biết thể tích công
15 tác trên một xy lanh:
• 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
Fuel – Injection system: Hệ thống phun nhiên liệu
Injection pressure: Áp suất phun
Injection rate: Tốc độ phun
Nozzle geometry: Cấu trúc hình học của lỗ phun
Engine geometry: Cấu trúc hình học của động cơ
Compression ratio: Tỷ số nén
Stroke/bore ratio: Tỷ số giữa hành trình của piston và đường kính của xy lanh Whirl: Xoáy lốc
Starting system: Hệ thống khởi động Glow concept: Xông máy
Starter motor: Mô tơ khởi động Air – flow system: Hệ thống dẫn khí nạp Supercharging concept: Tăng áp
Exhaust – gas recirculation: Tuần hoàn khí thải
Charge cycle: Chu trình nạp Charge movement: Sự dịch chuyển của khí nạp
Hệ thống phun nhiên liệu là yếu tố then chốt trong quá trình đốt cháy, với thời điểm và tốc độ phun ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành hỗn hợp nhiên liệu Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát khí thải và tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Hệ thống dẫn khí nạp đang được cải tiến mạnh mẽ để đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về hàm lượng khí thải NOx, đặc biệt là tỷ lệ tuần hoàn khí thải cần phải đạt mức cao.
3.1.1 Hệ thống phun nhiên liệu
Hỗn hợp khí nạp trong động cơ bị ảnh hưởng bởi sự dịch chuyển của dòng khí bên trong xy lanh, điều này phụ thuộc vào cấu trúc hình học của đường ống nạp và hình dạng buồng đốt Khi áp suất phun tăng, vai trò hình thành hỗn hợp dần chuyển giao cho hệ thống phun nhiên liệu.
Hệ thống phun nhiên liệu sử dụng các lỗ kim cực nhỏ với hình dạng tối ưu giúp cải thiện sự hình thành hỗn hợp, rút ngắn giai đoạn cháy trễ và chỉ phun một lượng nhiên liệu nhỏ Trong giai đoạn cháy lan truyền sau đó, việc xé nhỏ nhiên liệu kết hợp với lượng khí EGR tối ưu đã giảm đáng kể hàm lượng khí NOx và muội than.
Hệ thống dẫn khí nạp đóng vai trò quan trọng trong việc giảm hàm lượng khí thải NOx, yêu cầu sử dụng hệ thống tuần hoàn khí thải (EGR) trong quá trình đốt cháy Việc này không chỉ giúp giảm thiểu sự hình thành NOx mà còn cho phép bộ lọc muội than xử lý hiệu quả lượng muội than sinh ra Để đạt được hiệu suất tối ưu, hệ thống dẫn khí nạp cần tạo ra hỗn hợp khí nạp và khí EGR đồng nhất giữa các xy lanh và ở nhiệt độ thấp nhất có thể.
3.1.2.1 Khí nạp trong xy lanh
Có vài biện pháp khác nhau được áp dụng để tác động đến quá trình nạp nhằm giảm ô nhiễm khí thải
Biện pháp hiệu quả nhất để giảm ô nhiễm là tuần hoàn khí thải Phương pháp này cho phép khí thải được đưa trở lại ống nạp, tăng tỷ lệ khí trơ và hạ nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy, từ đó giảm thiểu sự hình thành oxit nitơ.
Mặc dù việc tăng áp chủ yếu nhằm mục đích tăng công suất thực tế, nhưng nó cũng
Tăng lượng khí thải tuần hoàn giúp chứa đựng khối lượng khí nạp lớn hơn trong buồng đốt, từ đó cải thiện sự cân bằng giữa khí thải NOx và muội than.
Turbo tăng áp có cánh tuabin biến thiên (VTG) cho phép điều chỉnh áp suất khí nạp thông qua việc thay đổi hình dạng cánh tuabin Điều này giúp sử dụng cánh tuabin lớn hơn mà không làm tăng áp suất đường thải quá mức, từ đó giảm khí thải sót lại trong xy lanh Giảm tỷ số nén, chẳng hạn như tăng độ lõm của đầu piston, dẫn đến chiều dài tia phun lớn hơn ở chế độ toàn tải và tăng hiệu quả không khí xoáy Hơn nữa, nhiệt độ cuối quá trình nén giảm, hạ thấp nhiệt độ cực đại trong quá trình đốt cháy và giảm sự hình thành khí NOx.
Nhiệt độ buồng đốt và hệ số dư lượng không khí có ảnh hưởng lớn đến việc hình thành khí thải NOx, với nhiệt độ cao và λ>1 thúc đẩy sự phát sinh oxit nitơ Trong quá trình cháy lan truyền không đồng nhất, khu vực có hỗn hợp nghèo làm tăng khả năng hình thành NOx Do đó, tối ưu hóa quá trình đốt cháy nhằm hạ thấp nhiệt độ cực đại trong buồng đốt bằng cách tăng lượng khí trơ từ EGR và tối ưu hóa hỗn hợp là rất quan trọng để giảm muội than Tuy nhiên, trong điều kiện cháy với hỗn hợp nghèo và nhiệt độ thấp, ngọn lửa có thể bị dập tắt sớm, đặc biệt khi động cơ lạnh và tải thấp, dẫn đến sự gia tăng khí CO và HC do cháy không hoàn toàn Để ngăn chặn hiện tượng này, bộ làm mát EGR sẽ không hoạt động khi động cơ lạnh, mặc dù chúng rất cần thiết để giảm NOx khi động cơ đạt nhiệt độ bình thường.
Các oxit nitơ được hình thành ở nhiệt độ cao và hệ số dư lượng không khí lớn, do đó, cần giảm nhiệt độ tối đa và hệ số dư lượng không khí cục bộ Điều này có thể đạt được bằng cách trì hoãn điểm khởi phun với tốc độ phun cao trong giai đoạn cháy lan truyền, bắt đầu đốt cháy ngay trước khi piston chạm điểm chết trên Phương pháp này giúp tránh nén các sản phẩm cháy, từ đó giảm nhiệt độ Tốc độ phun cao tạo ra xoáy lốc mạnh, giúp đốt cháy nhanh chóng 50% khối lượng nhiên liệu, nhưng nhiệt độ cao trong buồng cháy lại thúc đẩy sự hình thành khí NOx.
Các tác động khác nhau lên lượng khí thải ô nhiễm
Khi tốc độ động cơ tăng, tổn thất ma sát trong động cơ cũng gia tăng, dẫn đến việc công suất đầu vào của các hệ thống phụ như bơm nước tăng cao Do đó, hiệu suất động cơ sẽ giảm khi tốc độ động cơ cao hơn.
Ở cùng một công suất phát ra, động cơ hoạt động ở tốc độ cao tiêu thụ nhiều nhiên liệu hơn so với khi ở tốc độ thấp, dẫn đến việc gia tăng lượng khí thải ô nhiễm.
Khi tốc độ động cơ tăng lên, thời gian hình thành khí NOx trong buồng đốt giảm, dẫn đến lượng khí NOx giảm Tuy nhiên, cần xem xét lượng khí sót trong buồng đốt, vì nó có tác dụng hạ thấp nhiệt độ cực đại Mặc dù khí sót thường giảm khi tốc độ động cơ tăng, nhưng điều này lại làm tăng lượng khí thải NOx.
3.2.1.2 Khí HC và khí CO
Khi tốc độ động cơ tăng, lượng khí HC và CO cũng gia tăng do thời gian chuẩn bị và đốt cháy hỗn hợp giảm Vận tốc piston cao làm áp suất buồng đốt giảm nhanh hơn trong quá trình giãn nở, dẫn đến điều kiện cháy kém, đặc biệt ở tải thấp, và hiệu suất cháy giảm Tuy nhiên, sự dịch chuyển của dòng khí nạp và xoáy lốc lại tăng tốc độ đốt cháy, làm cho thời gian đốt cháy ngắn hơn, phần nào bù đắp cho điều kiện cháy kém.
Khi tốc độ động cơ tăng, muội than thường giảm do dòng khí nạp được đẩy mạnh, dẫn đến việc hình thành hỗn hợp nhiên liệu tốt hơn.
Khi mô-men xoắn tăng, nhiệt độ buồng đốt cũng gia tăng, cải thiện điều kiện cháy Mặc dù khí thải NOx chưa được xử lý tăng lên, các sản phẩm cháy không hoàn toàn như CO và HC lại giảm Tuy nhiên, khi động cơ hoạt động ở chế độ toàn tải với hệ số dư lượng không khí thấp (λ 1, khối lượng không khí thực tế nhiều hơn khối lượng lý thuyết, được gọi là hỗn hợp nghèo.
3.4.1.2 Những giá trị Lamda trên động cơ diesel
Động cơ diesel hoạt động với lượng không khí dư để ngăn chặn sự hình thành các khu vực chứa hỗn hợp giàu, từ đó giảm thiểu lượng muội than sinh ra trong quá trình đốt cháy, điều này khác biệt so với động cơ xăng.
Giá trị Lamda trên động cơ diesel tăng áp khi hoạt động ở chế độ toàn tải dao động từ λ = 1.15 đến λ = 2.0 Trong khi đó, khi động cơ chạy cầm chừng hoặc ở chế độ không tải, giá trị lamda có thể tăng cao, đạt λ > 10.
Hệ số dư lượng không khí là tỷ lệ giữa khối lượng nhiên liệu và không khí trong xi lanh Giá trị của hệ số lam – da thay đổi tùy vị trí trong xy-lanh động cơ, ảnh hưởng đến quá trình tự cháy và sự hình thành các sản phẩm cháy ô nhiễm.
Hình 3.5 Đường cong tỷ số A/F đối với một hạt nhiên liệu đứng yên
Liquid fuel droplet: giọt nhiên liệu d: đường kính của giọt nhiên liệu
Combustible zone: khu vực cháy
Ignition limits: Giới hạn tự cháy
Excess – air factor λ: Hệ số dư lượng không khí
Khoảng cách (r) là yếu tố quan trọng trong động cơ diesel, nơi mà không khí thuần (pure air) và hỗn hợp nghèo (lean) kết hợp với hỗn hợp giàu (rich) tạo nên khu vực mép lửa (flame edge zone) Động cơ diesel hoạt động dựa trên sự tự cháy của hỗn hợp nhiên liệu không đồng nhất, điều này ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của quá trình cháy.
Không thể đạt được sự đồng nhất hoàn toàn giữa lượng nhiên liệu phun và không khí nạp trong quá trình đốt cháy Trong hỗn hợp này, có những khu vực với hệ số dư lượng không khí dao động từ λ = 0 (thuần nhiên liệu) đến λ = ∞ (thuần không khí) Bên ngoài giọt nhiên liệu, giá trị Lambda khoảng 0.3 đến 1.5 Điều này cho thấy sự phun sương nhiên liệu, hệ số dư lượng không khí cao và luồng không khí nạp dịch chuyển nhanh tạo ra nhiều khu vực có giá trị Lambda thấp, giúp động cơ dễ cháy và giảm muội than trong quá trình đốt Đồng thời, với lượng khí thải tuần hoàn cao, lượng khí thải NOx cũng được giảm thiểu.
Sự phun sương nhiên liệu trong hệ thống UIS đạt áp suất lên đến 2200 bar, trong khi hệ thống Common-rail (CRS) có áp suất tối đa 1800 bar Điều này tạo ra vận tốc tương đối cao giữa nhiên liệu và không khí trong xy lanh, dẫn đến hiệu ứng tán xạ mạnh mẽ trong quá trình phun.
Hình 3.6 Đường cong tỷ số A/F đối với một hạt nhiên liệu chuyển động
Chú thích: a Vận tốc tương đối thấp b Vận tốc tương đối cao
Nhà sản xuất động cơ hướng đến việc giảm khối lượng và chi phí, đồng thời tối ưu hóa công suất Để đạt được điều này, động cơ cần hoạt động với lượng không khí dư tối thiểu trong điều kiện tải cao Thiếu hụt không khí có thể dẫn đến tăng lượng muội than, vì vậy việc đo lường chính xác lượng nhiên liệu phun là rất quan trọng để cân bằng với lượng không khí sẵn có tại từng tốc độ động cơ Đặc biệt, ở những khu vực có áp suất khí quyển thấp, cần điều chỉnh lượng nhiên liệu phun nhỏ hơn so với những khu vực có áp suất khí quyển cao.
3.4.2 Thời điểm khởi phun và thời điểm phân phối
Thời điểm khởi phun là yếu tố quyết định sự khởi đầu của quá trình cháy, ảnh hưởng đến mức độ khí thải, tiêu hao nhiên liệu và tiếng ồn trong quá trình hoạt động Do đó, việc tối ưu hóa thời điểm khởi phun là rất quan trọng để cải thiện các đặc tính công suất của động cơ.
Thời điểm khởi phun được xác định dựa trên vị trí độ trên puly trục khuỷu so với "dấu điểm chết trên", tại đó vòi phun mở ra và nhiên liệu được phun vào buồng đốt.