Thiết kế và thử nghiệm hệ thống hóa hơi nhiên liệu lỏng cung cấp cho buồng đốt đẳng tích

Vấn đề cấp thiết liên quan đến động cơ đốt trong

Nguồn nhiên liệu

Tốc độ khai thác, tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch quá nhanh so với tốc độ hình thành khiến chung ta rơi vào tình trạng ngày càng khan hiếm và dần trở nên cạn kiệt Ước tính trữ lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ còn đủ dùng trong 53 năm, lưu trữ lượng khí thiên nhiên dùng được khoảng 55 năm nữa và than đá là 113 năm nữa ( nếu tốc độ khai thác và tiêu thụ nhiên liệu như hiện tại) Còn ở nước ta , với tốc độ khai thác hiện nay, sẽ còn 34 năm dùng dầu mỏ ,63 năm dùng khí thiên nhiên và chỉ còn 4 năm nguồn than đá sẽ cạn kiệt

Theo dự báo của các chuyên gia, trong vòng 10 năm nữa, ít nhất 60% số lượng xe hơi đang vận hành trên thế giới sẽ sử dụng những loại nhiên liệu sạch thay vì dùng xăng. Dưới đây là 5 nhiên liệu thay thế cho xăng hoàn hảo:

Khí Hydro: Đứng trước việc dòng xe điện bị hạn chế về mặt phạm vi hoạt động do phải phụ thuộc vào các trạm sạc pin công cộng, các nhà sản xuất ô tô đang lên kế hoạch chuyển sang dùng nhiên liệu hydro Nhờ đó, xe điện có thể nạp nhiên liệu như dòng xe máy xăng/dầu thông thường Khi vào trong xe, hydro sẽ chuyển hóa năng lượng hóa học thành điện và cung cấp cho hoạt động của chiếc xe Tất cả những gì xe thải ra trong quá trình vận hành sẽ chỉ là nước và không gây ô nhiễm môi trường.

Khí thiên nhiên CNG: Hiện nay, CNG đã được chứng minh là một nhiên liệu thay thế hữu ích CNG được sản xuất bằng cách nén khí tự nhiên ở áp suất cao và không có chất gây ô nhiễm Là loại nhiên liệu không mùi và không ăn mòn, CNG hiện đã được sử dụng cho xe Khi chạy bằng CNG, xe cần được trang bị bình nhiên liệu lớn Theo các nghiên cứu, CNG có thể cắt giảm 40% chi phí sản xuất và 80% khí thải Chỉ có điều, các trạm nạp nhiên liệu này vẫn còn rất ít và quá trình lưu trữ cũng rất nguy hiểm.

Biodiesel: Diesel sinh học là loại nhiên liệu được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật Tuy không chứa thành phần dầu mỏ nhưng diesel sinh học lại có thể trộn lẫn với diesel gốc dầu thông thường để trở thành nhiên liệu cho xe Diesel sinh học được đánh giá là một nhiên liệu sạch với mức khí thải thấp hơn nhiều so với các loại nhiên liệu thông thường Sử dụng dầu diesel sinh học không chỉ an toàn cho môi trường mà còn mang đến ích lợi cho nền kinh tế quốc gia Vì được sản xuất từ đậu tương nên diesel sinh học giúp các quốc gia giảm sự phụ thuộc vào nguồn dầu nhập khẩu.

Ethanol từ cây ngô: Thân cây ngô, thức ăn thừa, thậm chí cả lốp xe cũ là sự kết hợp tuyệt vời để cho ra thứ nhiên liệu Ethanol sinh học Trong môi trường yếm khí, dưới sức nóng vài nghìn độ C, không có ôxy, hỗn hợp này không cháy mà bị “bẻ gẫy vụn” bởi cacbon ôxít, cacbon đi-ôxít và hydro Hỗn hợp khí thu được dạng gas sạch, lạnh và chỉ cần chất xúc tác là tách được Ethanol và nhiều loại cồn khác.

Thiết kế và thử nghiệm hệ thống hóa hơi nhiên liệu lỏng cung cấp cho buồng đốt đẳng tích

Rác thải: Quá trình chuyển đổi rác thải thành nhiên liệu hóa lỏng được gọi là khí hóa.

Các hạt rắn được chuyển thành khí tổng hợp bằng nhiệt và sau đó chưng cất với ethanol Xăng cũng xuất hiện trong hỗn hợp nhiên liệu làm từ rác nhưng với lượng khá nhỏ Một số nước trên thế giới nay đã bắt đầu sử dụng nhiên liệu từ rác thải cho xe [1]

Nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ

Để đáp ứng các yêu cầu của xã hội như an ninh năng lượng và biến đổi khí hậu, việc tăng cường hiệu suất nhiệt của động cơ được thực hiện mạnh mẽ cần thiết trong những ngày này Đối với các công nghệ động cơ cụ thể để cải thiện hiệu suất nhiệt của động cơ, chu trình Atkinson, EGR làm mát (Tuần hoàn khí thải), và các công nghệ ma sát thấp đã được phát triển Kết quả là, nhiệt tối đa hiện tại hiệu suất đạt gần 40% Tuy nhiên, vì người ta cho rằng hiệu suất nhiệt của động cơ cao hơn nhiều trong tương lai là cần thiết để đáp ứng các yêu cầu xã hội nghiêm ngặt hơn, một động cơ L4 nguyên mẫu mới có thiết kế hành trình dài với khối lượng giảm cao là điều tra để làm rõ hướng đi trong tương lai trong bài báo này Liên quan đến quá trình đốt cháy, khái niệm tăng cường tinh gọn với EGR làm mát là đã kiểm tra Kết quả là có thể đạt được hơn 45% hiệu suất nhiệt của động cơ Bài báo này mô tả các phương tiện để nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ và một khả năng trong tương lai

Các quốc gia trên thế giới đang giới thiệu nhiên liệu nghiêm ngặt hơn các tiêu chuẩn nền kinh tế như một phần của các biện pháp để giải quyết các vấn đề liên quan đến an ninh năng lượng và biến đổi khí hậu Để tương ứng với những yêu cầu, các nhà sản xuất ô tô đã và đang nỗ lực rất nhiều để phát triển các phương tiện mới Một ví dụ dễ hiểu là HV(Hybrid Vehicles) có được phổ biến rộng rãi trên toàn thế giới vì nhiên liệu kinh tế của HV tốt hơn nhiều so với các phương tiện thông thường. Đối với việc phát triển động cơ, nâng cao động cơ tối đa hiệu suất nhiệt đặc biệt cần thiết cho HV vì động cơ các điểm hoạt động chủ yếu ở khu vực tải động cơ cao, nơi động cơ hiệu suất nhiệt gần với hiệu suất nhiệt cực đại của động cơ.

Do đó, hiệu suất nhiệt tối đa của động cơ đối với HV đã được nâng cao trước động cơ cho các loại xe thông thường Trong những ngày này, các công nghệ đã được phát triển cho HV đang được được áp dụng cho động cơ của các phương tiện thông thường. Hình 1 cho thấy lịch sử hiệu suất nhiệt của động cơ và hướng đi trong tương lai Như mô tả trước đó, hiệu suất nhiệt tối đa của động cơ đạt gần 40% Các công nghệ chính đã được phát triển để góp phần nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ là chu trình Atkinson, EGR được làm mát và thấp công nghệ ma sát Trong ngắn hạn, nó được kỳ vọng sẽ tăng cường hiệu suất nhiệt động cơ tối đa hơn 40% bằng cách sửa đổi các công nghệ hiện tại Tuy nhiên, vì nó được coi là nhiều hiệu suất nhiệt động cơ cao hơn được yêu cầu để đáp ứng nghiêm ngặt hơn yêu cầu xã hội trong tương lai, công nghệ mới nên đã phát triển Trong các phần tiếp theo, bài báo này mô tả tương lai công nghệ nâng cao hiệu suất nhiệt động cơ.

Sinh viên thực hiện: Lương Minh Huy

Trần Hừng Sáng Người hướng dẫn: TS.Nguyễn Minh Tiến

Hình 1.1 Lịch sử hiệu suất nhiệt động cơ và định hướng tương lai [2]

Hiệu suất nhiệt lý thuyết của động cơ được biết đến với tên gọi chu trình Otto Phương trình này có nghĩa là tỷ lệ mở rộng cao hơn hoặc cao hơn tỷ số nhiệt riêng dẫn đến hiệu suất nhiệt của động cơ cao hơn Trước đây có thể đạt được bằng cách nâng cao tỷ số nén hoặc bằng cách làm chậm EVO (Thời gian mở van xả) và cái sau có thể đạt được bằng cách áp dụng đốt nạc Tuy nhiên nâng cao độ nén Tỷ lệ và đốt cháy nạc có một số vấn đề cần giải quyết và tăng cường quá trình đốt cháy.

Hiệu suất nhiệt thực tế của động cơ là kết quả của các tổn thất khác nhau như tổn thất cơ học, tổn thất bơm, tổn thất nhiệt làm mát, tổn thất khí thải, và tổn thất không cháy,khác với hiệu suất nhiệt động cơ lý thuyết.

Giảm thiểu ô nhiễm

Vấn đề khí thải trong động cơ ngày càng quan trọng đối với con người và môi trường xung quanh Khí thải ảnh hưởng quá nhiều tới đời sống và chất lượng không khí quanh chúng ta, để đem ra những phương pháp tốt nhất thì các nhóm nghiên cứu đã đưa ra những biện pháp để có thể áp dụng trực tiếp lên động cơ và mang lại hiểu quả công việc một cách tốt nhất.

- Nhóm 1: Tổ chức tốt quá trình cháy nhằm giảm ô nhiễm do các chất như NOx, CO,

HC ngay tại nguồn,bao gồm các biện pháp liên quan đến việc tối ưu hóa kết cấu của các chi tiết, cụm chi tiết và hệ thống có ảnh hướng đến quá trình cháy Bắt đầu thiết kế đỉnh pistong và nắp máy tạo hiệu ứng lốc xoáy, tăng khả năng hòa trộn nhiên liệu và không khí tốt hơn, quá trình cháy diễn ra nhanh hơn – thường áp dụng cho động cơ diesel và phun xăng trực tiếp.Sử dụng hệ thống tăng áp, tăng đường kính xu-páp, giảm tổn thất trên đường nạp để tăng hiệu suất nạp.Tính toán thiết kế thời điểm mở sớm xu- páp thải một cách tối ưu; sử dụng các hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử, tăng

Thiết kế và thử nghiệm hệ thống hóa hơi nhiên liệu lỏng cung cấp cho buồng đốt đẳng tích áp suất phun, lựa chọn kiểu phun đơn điểm hay đa điểm…Mặc dù đây là các biện pháp rất hữu hiệu nhưng chỉ riêng bản thân chúng chưa thể giúp động cơ đáp ứng được các tiêu chuẩn ô nhiễm ngày càng nghiêm ngặt hơn.

- Nhóm 2: Xử lý khí thải là các biện pháp nhằm đảm bảo hàm lượng các chất độc hại có trong khí thải trước khi thải vào môi trường phải nhỏ hơn giới hạn cho phép đã được quy định trong các điều luật Có rất nhiều công nghệ khác nhau để xử lý khí thải như: Hệ thống hồi lưu khí xã EGR , bộ xử lý khí thải kiểu xúc tác 3 đường (trung hòa

3 thành phần cơ bản trong khí thải là CO, HC và NOx), Bộ lọc PM, Bộ xử lý khí thải kiểu ô-xy hóa dùng cho động cơ diesel, Bộ xử lý NOx kiểu tích lũy,

- Nhóm 3: Sử dụng kết hợp các hệ thống phụ trợ Để phát huy hiệu quả của hai nhóm giải pháp trên cũng như hạn chế sự phát thải quá mức của động cơ ở một số chế độ làm việc, cần phải sử dụng thêm các hệ thống phụ trợ như: Hệ thống kiểm soát vòng lặp kín (hồi lưu khí thải); hệ thống đảm bảo nhiệt độ khí nạp; hệ thống phun khí (O2) nhằm hỗ trợ phản ứng trên đường thải,…

- Nhóm 4: Các giải pháp có liên quan đến nhiên liệu Nhiên liệu có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính ô nhiễm khí thải của động cơ đốt trong Có nhiều giải pháp giảm ô nhiễm khí thải có liên quan đến nhiên liệu như: Đảm bảo sự phù hợp giữa động cơ và nhiên liệu (động cơ có tỷ số nén càng cao thì sử dụng xăng có chỉ số octan càng lớn); nâng cao chất lượng nhiên liệu (ít tạp chất và các phụ gia độc hại); sử dụng nhiên liệu xanh, nhiên liệu thay thế; sử dụng phụ gia trong nhiên liệu,….Thực tế hiện nay cho thấy, một trong những biện pháp hiệu quả giảm thiểu sự độc hại của khí thải động cơ là việc chế tạo và sử dụng hệ thống phin lọc Ví dụ như hệ thống CRT (Continously Regenerating Trap) của hãng Volvo Trucks cho phép giảm 80-90% tỷ lệ CO, HC, NO và các phần tử cứng trong khí thải Bộ phin này được thiết kế cho động cơ xe tải và đã trở thành cấu trúc không thể thiếu đối với hầu hết xe buýt chạy trong thành phố HãngPSA Peugeot–Citroen cũng gặt hái nhiều thành công trong lĩnh vực này.

Các biện pháp cải tiến động cơ đốt trong

Cải thiện công nghệ

Trong quá trình phát triển động cơ, kỹ thuật EGR lần đầu tiên được áp dụng trong động cơ diesel động cơ để hạn chế tốc độ hình thành NOX nhiệt bằng cách giảm nhiệt độ buồng đốt nhờ sự pha loãng của tươi nạp bằng một lượng khí thải nhất định được tái chế khi nạp động cơ Nhưng với các vấn đề ngày càng tăng về năng lượng và môi trường, các quốc gia khác nhau trên thế giới đã phát triển nghiêm ngặt hơn các quy định về phát thải và tiết kiệm nhiên liệu của phương tiện giao thông động cơ xăng theo hướng giảm kích thước Động cơ với đánh lửa bằng tia lửa điện tăng áp đang ngày càng trở nên phổ biến trong thị trường thế giới do tính nhỏ gọn và công suất cao Tuy nhiên, do mật độ công suất cao của turbo tăng áp động cơ, sự cháy kích nổ và nhiệt độ cao của khí thải ở tải trọng cao tạo thành vấn đề Nhiệt độ ngày càng tăng cũng có thể gây ra vấn đề tăng phát thải NOX Theo đó, EGR cũng thường được sử dụng trong động cơ xăng cùng với các kỹ thuật nâng cao.

Không giống như động cơ diesel, động cơ xăng không thể sử dụng để giảm phát thải NOX một cách hiệu quả Do đó, khí thải tuần hoàn trên động cơ xăng được sử dụng chủ yếu để giảm tiết lưu tổn thất ở phạm vi tải một phần, do đó giảm tiêu thụ nhiên liệu và thứ hai là giảm mức phát thải NOX Để giữ nguyên mô-men xoắn và công suất đầu ra sau khi giới thiệu EGR trong động cơ xăng, cần mở thêm bướm ga động cơ để tăng mật độ điện tích bị mắc kẹt, có thể giảm tổn thất bơm và tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu so với khi không sử dụng EGR Trên mặt khác, động cơ xăng hoạt động với không khí đẳng áp– hỗn hợp nhiên liệu để đáp ứng nhu cầu của TWC, do đó, nồng độ O2 trong khí thải rất thấp, điều này sẽ gây ra phát thải NOX thấp hơn.

Khi EGR nóng được sử dụng trong động cơ, khí thải có thể được sử dụng để làm nóng lượng khí nạp, do đó chất lượng đốt cháy và hiệu suất nhiệt được cải thiện Tuy nhiên, EGR được làm mát làm tăng mật độ đầu vào và do đó làm tăng hiệu suất thể tích của động cơ Đồng thời,nhiệt độ giảm có thể làm giảm phát thải NOX hơn nữa, nhưng sự thay đổi theo chu kỳ sẽ tăng lên so với EGR nóng.

Cooled EGR là một công nghệ quan trọng cho phép các động cơ SI giảm kích thước và cung cấp phương tiện để đáp ứng yêu cầu thị trường về việc làm nhiều hơn với ít hơn So sánh những ưu điểm và nhược điểm giữa EGR nóng và EGR làm mát được đưa ra trong bài báo này Như ai cũng biết, điểm quan trọng của hoạt động động cơ xăng là giảm đáng kể hiệu suất chuyển đổi năng lượng trong hoạt động tải một phần.

Vì vậy, nhiều nỗ lực đã được thực hiện để giảm tổn thất bơm và tối ưu hóa hiệu suất nhiệt động của động cơ Tuy nhiên, rủi ro gõ cửa đặt ra những hạn chế mạnh mẽ đối với hiệu suất và hiệu quả của động cơ xăng Vì vậy, trong hoạt động đầy tải, việc làm giàu nhiên liệu thường là được thông qua để ngăn chặn tiếng gõ EGR có thể làm giảm áp suất đốt cháy và ức chế tiếng nổ, và lợi ích bổ sung là tiết kiệm nhiên liệu cũng như giảm phát thải HC và CO. Động cơ xăng tăng áp là một đại diện tiêu biểu của động cơ giảm kích thước Kỹ thuậtEGR kết hợp với tăng áp động cơ phun xăng trực tiếp là xu hướng của động cơ xăng ngày nay.

Hình 1.2 So sánh các đặc tính đốt cháy để làm giàu nhiên liệu 11% và 10% EGR (tốc độ động cơ 4000 vòng / phút, áp suất tăng 90 kPa, thời điểm đánh lửa của

Hình 1.3 Động cơ phát thải trước chất xúc tác từ các tỷ lệ EGR khác nhau (tốc độ động cơ của 4000 vòng / phút, hỗn hợp nhiên liệu-không khí đo đẳng áp) [3]

(1) Kỹ thuật EGR có thể giảm mức tiêu thụ nhiên liệu của xăng động cơ và đáp ứng các quy định khí thải nghiêm ngặt hơn trong tương lai cùng với các kỹ thuật tiên tiến khác.

(2) Động cơ sử dụng EGR nóng có thể sử dụng khí thải để làm nóng khí nạp, thúc đẩy quá trình đốt cháy, và do đó cải thiện hiệu suất nhiệt.Trong khi EGR được làm mát làm tăng mật độ khí nạp, do đó tăng hiệu suất thể tích của động cơ Đồng thời, nhiệt độ

Trần Hừng Sáng Người hướng dẫn: TS.Nguyễn Minh Tiến giảm có thể làm giảm phát thải NOX hơn nữa, nhưng sự phát thải HC và sự thay đổi theo chu kỳ được tăng lên so với EGR nóng.

(3) Knock là một vấn đề chính để cải thiện BMEP của xăng động cơ Phương pháp thường dùng để ức chế kích nổ là nhiên liệu làm giàu Sử dụng EGR được làm mát thay vì sử dụng quá nhiều nhiên liệu để ngăn chặn tiếng gõ và để giảm phát thải là một biện pháp hiệu quả trong động cơ xăng.

(4) Với sự phát triển của động cơ xăng giảm kích thước, động cơ xăng tăng áp ngày càng trở nên phổ biến trong thị trường và việc triển khai EGR, do đó khó khăn hơn, dẫn đến vấn đề chung sống trong động cơ Hơn nữa, sử dụng EGR trong xăng tăng áp động cơ phải xem xét vấn đề ăn khớp turbo.

Công nghệ đốt trong tiên tiến thế hệ mới vô tận [4]

Vào giữa những năm 1990, người ta cho rằng lượng khí thải độc hại của động cơ diesel truyền thống, chẳng hạn như Nox và muội than Các công nghệ đốt tiên tiến hiện có bao gồm xăng đánh lửa nén (GCI), đánh lửa nén điều khiển phản ứng nhiên liệu kép (RCCI) ,nhiên liệu kép xăng / diesel đốt nguội trộn trước cao (HPCC) , tích điện đồng nhất đánh lửa nén (HCCI), nén phun xăng trực tiếp phân tầng vừa phải và cao hơn đánh lửa (GDCI), tất cả đều có hiệu suất nhiệt rất cao

Công nghệ tăng cường áp suất cao và tăng cường nhỏ [4]

Trong những năm gần đây, công nghệ tăng áp cao tiên tiến đã phát triển nhanh chóng, trong đó có điện công nghệ tăng áp (eBooster), công nghệ tăng áp biến đổi hình học (VGT) và điều chỉnh công nghệ tăng áp hai giai đoạn (RTST) Trong số đó, eBooster có thể cải thiện đáng kể đặc tính đáp ứng của hệ thống nạp và cải thiện hiệu quả tải lớn của bên trongđộng cơ đốt trong, nhưng có những vấn đề như giá thành cao và khả năng chịu nhiệt kém của điện thiết bị Công nghệ VGT là công nghệ được sử dụng phổ biến trên các dòng xe phân khối nhỏ cao cấp hiện nay Công nghệ tăng áp này có thể cải thiện đặc tính mô-men xoắn tốc độ thấp,cải thiện đáng kể mật độ công suất của động cơ đốt trong, và thúc đẩy sự phát triển củađộng cơ đốt trong theo hướng thu nhỏ. Công nghệ tăng áp hai giai đoạn được điều chỉnh chủ yếu bao gồm WGT + FGT và VGT + FGT hai phương pháp tăng áp, chủ yếu phù hợp với động cơ đốt trong phân khối lớn hơn

Nhóm Liu Ruilin của Trường Cao đẳng Vận tải Quân sự Quân đội đã thiết kế và phát triển VGT +Hệ thống tăng áp FGT cho một động cơ diesel hạng nặng ở cao nguyên, thiết kế một chiến lược kiểm soát độ cao thay đổi, trong đó kiểm tra hiệu suất của hai giai đoạn có thể điều chỉnh động cơ diesel tăng áp ở các độ cao và điều kiện làm việc khác nhau được thực hiện bằng cách sử dụng hệ thống thử nghiệm mô phỏng độ cao của động cơ đốt trong Kết quả cho thấy tại một độ cao 5500m, mô-men xoắn cực đại và công suất định mức của bộ siêu nạp có thể điều chỉnh hai giai đoạn động cơ diesel tăng lần lượt 11,0% và 11,8%.

Công nghệ điều khiển thông minh động cơ đốt trong đa biến và đa hệ thống [4]

Cải thiện hệ thống đánh lửa

Các nghiên cứu mở rộng gần đây tập trung vào việc cải thiện hiệu suất nhiệt của động cơ đánh lửa bằng tia lửa để đạt được cấp độ của động cơ diesel do các vấn đề về sự nóng lên toàn cầu và an ninh năng lượng Trong động cơ đánh lửa bằng tia lửa điện, một giải pháp để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu là bằng cách đưa vào đốt hỗn hợp trong đó không khí được tạo ra nhiều hơn và trộn với nhiên liệu xăng có cổng phun Bằng cách nghiêng hỗn hợp, đỉnh nhiệt độ cháy giảm và giảm nitơ oxit (NOx) hình thành Do nhiệt độ đốt cháy thấp nên nhiệt tổn thất từ điện tích đốt cháy thành xi

Trần Hừng Sáng Người hướng dẫn: TS.Nguyễn Minh Tiến lanh cũng giảm làm tăng hiệu quả Đồng thời, chạy một động cơ ở chế độ đốt cháy nạc với bướm ga mở rộng giúp giảm nhiên liệu tiêu thụ và ít tổn thất bơm hơn Trong điều tra thực nghiệm do các tác giả tiến hành, động cơ đánh lửa hiện nay có thể được hoạt động ở tỷ lệ không khí thừa cao λ lên đến 1,6 để đạt được mức cao nhất hiệu quả Tuy nhiên, bằng cách giảm lượng nhiên liệu phun vào, có phạt tổn thất công suất đầu ra từ động cơ Trong động cơ on-road ứng dụng, không phải lúc nào cũng có thể vận hành quá trình đốt cháy ở tỷ lệ không khí dư thừa cao xem xét giới hạn khả năng lái mà động cơ tải và tốc độ rất nhanh Để ổn định trên đường thay đổi tải, một trong những công nghệ hiện tại để nâng cấp đầu ra năng lượng là bằng cách tạo áp suất đầu vào cao bằng cách sử dụng một trong hai bộ tăng áp hoặc turbo tăng áp hiện có trên thị trường động cơ Cải thiện hơn nữa hiệu suất nhiệt và phạm vi tải là bằng cách tăng áp suất tăng áp suất nạp lên mức tối đa và tạo ra tia lửa điện thời điểm đánh lửa thường được đặt ở giới hạn kích nổ Tuy nhiên, có một hạn chế trong điều kiện tải cao hạn chế nhiệt hiệu quả của động cơ đánh lửa do áp suất cao quá mức gây ra dâng lên bên trong buồng đốt Nó được gọi là hiện tượng gõ Khi áp suất khí nạp tăng, nhiệt độ và áp suất là đủ cao để tự động đốt cháy hỗn hợp khí cuối chưa cháy Nếu động cơ cứ chạy ở tình trạng này thì có khả năng bị hỏng pít-tông động cơ đầu ở một chu kỳ nhất định Hiện tượng này gây ra bởi sự tự động đánh lửa của hỗn hợp khí cuối trước khi xuất hiện sự lan truyền ngọn lửa bắt lửa là điều không mong muốn đối với thiết kế động cơ Để ngăn chặn những hiện tượng như vậy, nhiệt độ của khí chưa cháy phải được làm nguội trước khi xảy ra hiện tượng tự bốc cháy Người ta biết rộng rãi rằng sự pha loãng khí dư có xu hướng giảm nhiệt độ khí cuối để ngăn chặn tiếng gõ xu hướng cháy.

Một phương pháp khác là tăng ngọn lửa hỗn loạn tốc độ lan truyền càng nhanh càng tốt để đạt được thành xi lanh trước tự động đánh lửa xảy ra Điều này có thể được tăng cường bằng cách tăng không khí ban đầu xoáy vào buồng đốt Trong điều kiện triệt tiêu tiếng nổ bằng nhiên liệu thành phần, số octan thể hiện chất lượng chống kích nổ của nhiên liệu Nhiên liệu có trị số octan cao kéo dài thời gian trễ đánh lửa là thuận lợi cho ngọn lửa đến thành buồng đốt trước xảy ra hiện tượng tự bốc cháy Nhiên liệu xăng điển hình có chứa chỉ số octan 95 có sẵn ở một số quốc gia nhất định, đặc biệt là ở Châu Âu, đã được sử dụng trong các nghiên cứu trước đây

Mô phỏng máy tính được các nhà sản xuất động cơ sử dụng rộng rãi để hầu như cải tiến thiết kế động cơ Có thể giảm chi phí thí nghiệm Trong bài báo này, các phương pháp để có hiệu suất nhiệt cao động cơ đánh lửa bằng tia lửa điện được nghiên cứu số bằng cách sử dụng động lực học chất lỏng tính toán ba chiều (3D-CFD) kết hợp với cơ chế phản ứng hóa học giảm của nhiên liệu chuẩn chính là sự pha trộn của hai thành phần iso-octan (iC8H18) và n-heptan (nC7H16) Phương pháp thiết lập mức hoặc ngọn lửa phương trình G Mô hình đốt cháy lan truyền được sử dụng trong điều tra này Điều này mục đích của bài báo là cải thiện phạm vi tải của động cơ đánh lửa bằng tia lửa xăng và tiết kiệm nhiên liệu bằng phương pháp số trong khi duy trì hiệu suất nhiệt được chỉ định cao nhất có thể Thí nghiệm của động cơ đánh lửa tăng cường nạc

Thiết kế và thử nghiệm hệ thống hóa hơi nhiên liệu lỏng cung cấp cho buồng đốt đẳng tích được tiến hành bằng cách tiêm nhiên liệu tham chiếu chính có trị số octan 90 (PRF90) tại cửa nạp nhiều thứ khác nhau Các nghiên cứu tính toán được mô phỏng bằng hóa chất cơ chế phản ứng và so sánh với các thí nghiệm làm điểm dựa Cải thiện hiệu suất nhiệt hơn nữa mà không bị phạt về điện giảm được tính toán bằng cách sử dụng EGR làm mát mô phỏng, động cơ cao tỷ lệ xoáy và nhiên liệu chống va đập cao bằng cách sử dụng tham chiếu chính nhiên liệu (PRF) có trị số octan là 95.

Hình 1.4 Lịch sử phát thải NOx của động cơ trong các trường hợp từ 1 đến 5 [5]

Hình 1.5 Phát thải NOX từ động cơ ở các trường hợp khác nhau [5]

Sự phát thải của động cơ trong lịch sử NOX như một hàm của góc quay mức độ của năm trường hợp khác được thể hiện trong hình 1.4.

Hình 1.5 cho thấy lượng khí thải nitơ oxit NOX từ các mô phỏng khác nhau và thực nghiệm các số trường hợp Dự đoán các đường cong áp suất khớp với các đường cong thực nghiệm một cách hợp lý do đó, phát thải NOX Xu hướng phát thải NOX từ động cơ giảm dần khi tỷ lệ không khí thừa λ tăng do thấp hơn nhiệt độ cao nhất trong điều kiện gầy hơn như mong đợi.

Quá trình đốt cháy tăng áp có khả năng cải thiện nhiệt động cơ hiệu quả mà không làm mất khả năng lái Bão hòa nhiệt được chỉ định hiệu suất thu được là 43,56% ở λ = 1,3 với áp suất đẩy là 117 kPa (cơ bụng) Tăng áp suất nạp vào (150 kPa) cho phép động cơ để tạo ra công suất đầu ra cao hơn với hiệu suất nhiệt được chỉ định hình phạt do làm chậm thời điểm đánh lửa tia lửa nhất thiết phải tránh vượt quá tốc độ tăng áp suất Tuy nhiên, khi làm mát khí thải pha loãng được sử dụng, hiệu suất nhiệt được chỉ định cao hơn sẽ tăng ở 45,9% Tỷ lệ xoáy động cơ cao và nhiên liệu chống va đập cao có tiềm năng để nâng cấp hiệu quả Nó được tìm thấy trong bài báo này, có nghĩa là mô phỏng số 3D với phản ứng hóa học chi tiết cơ chế, hiệu suất nhiệt cao nhất được chỉ định có thể đạt được ở 48,2% bằng cách kết hợp quá trình đốt cháy tăng cường tinh gọn với EGR được làm mát, cao tỷ số vòng xoáy của động cơ và nhiên liệu chống va đập cao có trị số octan 95.

1.2.3 Sử dụng lưỡng nhiên liệu hoặc nhiên liệu thay thế

*Nghiên cứu sử dụng LPG như một nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong

Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquified Petroteum Gas - LPG) được biết đến như là một nhiên liệu thay thế cho xăng và diesel, thành phần hóa học chủ yếu của LPG là Propane (C3H8) và Butane (C4H10) LPG dễ dàng chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí khi ở điều kiện nhiệt độ và áp suất môi trường Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng bên trong bình chứa nhiên liệu LPG có hai trạng thái pha tồn tại đồng thời, pha lỏng nằm ở phía đáy của bình và pha khí ở phía trên của bình Nhiên liệu LPG có tỷ số giãn nở khoảng 15 đến 20 lần so với nước và 1 đơn vị thể tích LPG có thể tạo ra khoảng 250 đơn vị thể tích khí Kết quả nghiên cứu này đã đưa đến quy phạm an toàn về lưu trữ nhiên liệu LPG trong thùng nhiên liệu tối đa không được vượt quá 80% thể tích với áp suất của bình không được vượt quá 20 bar Quy phạm an toàn này có thể được hiểu rằng, khoảng 20% thể tích còn lại dùng để cho phần nhiên liệu lỏng chuyển pha và giãn nở nhiệt ở điều kiện môi trường Để tăng hệ số an toàn và dễ dàng phát hiện khi bị rò rỉ, các nhà sản xuất đưa thêm một lượng không đáng kể khí tạo mùi vào trong LPG thương phẩm Cũng giống như các nhiên liệu truyền thống (xăng và diesel), nhiên liệu LPG có tỷ trọng nhẹ hơn nước (khoảng 0,53 ÷ 0,58 kg/lít) và nặng gấp 2 lần tỷ trọng của không khí Vì vậy, trong quá trình sử dụng khi bị rò rỉ nhiên liệu LPG sẽ

Thiết kế và thử nghiệm hệ thống hóa hơi nhiên liệu lỏng cung cấp cho buồng đốt đẳng tích tích tụ lại và có khả năng gây cháy nếu thỏa mãn đồng thời hai điều kiện: nhiệt độ của hỗn hợp đạt 481o C với tỷ lệ LPG/không khí (2% ÷ 9,5%) So với nhiên liệu xăng và diesel, nhiên liệu LPG còn có các ưu điểm như: nhiệt trị thấp QH = 46MJ/kg, tỉ số không khí nhiên liệu (A/F) khoảng 15,5, trị số Ốctan đến 112, nhiệt độ ngọn lửa khi đốt cháy LPG trong không khí đo được lớn hơn 1900oC và lớn hơn 2740oC khi đốt cháy trong môi trường chỉ có Ôxi (O2) nguyên chất

1.2.3a Các nghiên cứu nước ngoài

Hình 1.6 Các nghiên cứu nước ngoài [6]

1.2.3b Nghiên cứu LPG ở Việt Nam

Các nghiên cứu trên thực tế khi chuyển từ động cơ xăng sang LPG mà không thay đổi tỉ số nén của động cơ, công suất động cơ giảm khoảng 10% Tuy nhiên mô men của động cơ LPG tăng nhanh hơn so với nhiên liệu xăng, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ LPG chỉ bằng 50% so với xăng khi tốc độ động cơ trong khoảng 5000 vòng/phút đến 7000 vòng/phút Mức độ phát thải CO của xe gắn máy sử dụng nhiên liệu LPG giảm hơn 80% so với xăng ở mọi chế độ tốc độ của động cơ Phát thải HC thay đổi rất ít theo tốc độ động cơ và chỉ bằng 5% so với mức độ phát thải HC của động cơ xăng ở vùng tốc độ trung bình Biến thiên mức độ phát thải NOx theo tốc độ động cơ đạt giá trị cực tiểu ở 2000 vòng/phút và tăng dần ở tốc độ cao hơn.

Lê Anh Tuấn và Phạm Minh Tuấn cùng các cộng sự đã nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng LPG trên động cơ diesel truyền thống Mazda WL Các kết quả nghiên cứu bước đầu đã chỉ ra rằng thành phần PM có trong khí thải đã giảm rõ rệt khi sử dụng động cơ lưỡng nhiên liệu Tỷ lệ thành phần nhiên liệu trong hỗn hợp và tốc độ của động cơ có ảnh hưởng đến hiện tượng kích nổ, để tăng khả năng sử dụng LPG mà không sảy ra hiện tượng kích nổ có thể sử dụng một trong số các giải pháp kỹ thuật sau: giảm tỉ số nén của động cơ và giảm góc phun sớm diesel hoặc cải tạo hệ thống cấp nhiện liệu phù hợp với qui luật cung cấp diesel mồi, để đơn giản hơn có thể thực hiện phương án luân hồi khí thải EGR Khi giảm góc phun sớm có thể tăng tỉ lệ LPG lên mà không xảy ra hiện tượng kích nổ

Phạm Hữu Tuyến và các cộng sự đã thực hiện nghiên cứu trên động cơ diesel D1146TI với LPG được cấp trên đường ống nạp, nhiên liệu diesel vẫn được phun vào xy lanh ở cuối kỳ nén Kết quả cho thấy, LPG thay thế được một phần nhiên liệu diesel trong khi động cơ vẫn đạt được mô men và công suất cực đại Động cơ hoạt động với LPG/diesel có hàm lượng phát thải CO, HC và PM cao hơn nhưng hàm lượng NOx và muội ít hơn Cũng với lưỡng nhiên liệu LPG/Diesel, Trần Thanh Hải Tùng cùng các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu trên đối tượng khác là động cơ diesel Toyota 3C-TE. Kết quả thực nghiệm cho thấy mức LPG thay thế có thể đạt tới 40%, độ khói giảm ở tất cả các chế độ, trong khi đó CO và HC tăng nhưng vẫn đạt tiêu chuẩn EURO II, lượng giảm NOx là 6,7%

1.2.3c Các giải pháp chuyển đổi

Theo hai hướng đó là: Động cơ diesel lưỡng nhiên liệu (LPG/Diesel) và động cơ chỉ sử dụng LPG Sự khác biệt của hai giải pháp kỹ thuật này là ở hệ thống cấp nhiên liệu và giải pháp đốt cháy nhiên liệu ở bên trong động cơ (hệ thống đánh lửa)

- Động cơ lưỡng nhiên liệu (LPG/Diesel) được trang bị đồng thời hai hệ thống cung cấp nhiên liệu là LPG và Diesel mà không có sự can thiệp gì đến các thông số kết cấu của động cơ nguyên bản Nhiên liệu LPG được cấp trên đường ống nạp và nhiên liệu Diesel vẫn được phun trực tiếp vào trong xylanh động cơ, vai trò chủ yếu của nhiên liệu Diesel là tạo ra nguồn lửa đốt cháy phần nhiên liệu LPG khó cháy hơn còn lại trong buồng cháy Tuy nhiên với động cơ LPG/Diesel này sẽ phải tồn tại đồng thời hai hệ thống cấp nhiên liệu và việc điều khiển nhiên liệu LPG/Diesel là tương đối phức tạp, thêm vào đó lượng nhiên liệu LPG thay thế chưa cao và vẫn phải phụ thuộc vào nhiên liệu Diesel.

- Trong khi đó, động cơ Diesel chuyển đổi thành động cơ đơn nhiên liệu LPG sẽ không phụ thuộc vào nhiên liệu Diesel, hệ thống nhiên liệu cũ được thay thế hoàn toàn bằng hệ thống cung cấp LPG cùng với một số thay đổi khác đảm bảo cho việc đốt cháy LPG Hệ thống chuyển đổi và pha trộn kiểu chế hòa khí là kiểu cổ nhất, đã được ứng dụng vài thập kỉ và vẫn được sử dụng rộng rãi Nhiên liệu LPG được chuyển đổi thành hơi sau đó trộn với không khí trước khi đi vào ống dẫn hút Các hệ thống phun

Sủ dụng lưỡng nhiên liệu hoặc nhiên liệu thay thế

dụng ethanol như là một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì.Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột,xen-lu-lô, lignocellulose Ethanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống [7]

Một số nghiên cứu cơ bản trên buồng đốt đẳng tích

Ở một nghiên cứu về đánh lửa đa kênh của hỗn hợp n-pentaneair nghèo trong một buồng hình cầu của các tác giả Hao Zhao và các cộng sự [8] Bài báo này đã phát triển một chiến lược đánh lửa mới bằng cách sử dụng tia lửa đa kênh So với tia lửa điện đơn thông thường, kỹ thuật đánh lửa ba kênh cho phép ba lần phóng điện được phân tách theo không gian và đồng bộ theo thời gian để tăng kích thước hạt nhân đánh lửa trong khi vẫn duy trì cùng một tổng năng lượng đánh lửa Các đặc tính phóng điện ba kênh đánh lửa sự phát triển hạt nhân và xác suất đánh lửa của hỗn hợp n-pentane/không khí nghèo đã được nghiên cứu và so sánh với đặc tính của tia lửa điện đơn kênh trong buồng đốt hình cầu với khoảng cách phóng điện khác nhau, áp suất và mức độ pha loãng CO2 Kết quả thử nghiệm cho thấy tia lửa điện ba kênh làm tăng xác suất đánh lửa và mở rộng đáng kể giới hạn đánh lửa tiết kiệm nhiên liệu so với phóng điện một kênh trong tất cả các điều kiện thử nghiệm Mô phỏng số một chiều được thực hiện bằng cách sử dụng mô hình động học n-pentan chi tiết (Bugler và cộng sự 2017) và kết quả cho thấy rằng sự gia tăng của xác suất đánh lửa nhẹ nhiên liệu và sự giảm năng lượng đánh lửa tối thiểu bằng cách sử dụng tia lửa đa kênh là kết quả của việc tăng kích thước hạt nhân đánh lửa so với bán kính đánh lửa tới hạn tối thiểu Nghiên cứu này khẳng định những ưu điểm của việc sử dụng tia lửa điện đa kênh trên động cơ đốt cháy tiên tiến tiết kiệm nhiên liệu.

Hình 1.7 Kết quả mô phỏng sự phân bố nhiệt độ theo thời gian cho hệ thống đánh lửa đa kênh sử dụng vỏ đánh lửa [8]

Hình 1.8 Cấu hình điện cực đánh lửa gây ra bởi (a) đơn kênh (0,35 mJ) và (b) đa kênh (0,35 mJ) và (c) cấu hình điện cực đơn kênh (0,7 mJ) cho hỗn hợp n-pentanair ở

ER=0,68, P=0,5 atm và L=2mm [8] Ở một nghiên cứu về tăng cường đánh lửa của hỗn hợp nghèo propane/air bằng plasma phóng điện đa kênh dưới áp suất thấp của các tác giả Bingxuan Lina và các cộng sự [9] Tăng cường khả năng đánh lửa trong lò đốt cháy nghèo dưới áp suất thấp là thách thức lớn nhất đối với máy bay độ bền cao Trong nghiên cứu này, đánh lửa hỗ trợ plasma sử dụng phóng tia lửa đa kênh được đề xuất theo lý thuyết về bán kính ngọn lửa tới hạn (Rc) Phương pháp đánh thủng theo giai đoạn thời gian được áp dụng để tách giai đoạn đánh thủng khỏi sự phóng điện Giai đoạn hồ quang được hạn chế để giảm tổn thất năng lượng và duy trì điện áp cao Các thí nghiệm đánh lửa sử dụng phóng tia lửa điện đơn kênh (SSD) phóng tia lửa điện đa kênh tập trung (MSD) và MSD phân tán đã được tiến hành Kết quả cho thấy Rc rất quan trọng đối với quá trình đánh lửa Xác suất đánh lửa của SSD giảm nhanh chóng khi áp suất giảm do yêu cầu

Rc lớn hơn Việc tăng cường đánh lửa MSD tập trung là rõ ràng ở cùng một áp suất ban đầu so với SSD và MSD phân tán Khả năng tăng cường đánh lửa chỉ đạt được khi đa kênh kết hợp để tạo ra hạt đánh lửa lớn hơn nhiều và vượt quá Rc một cách dễ dàng Tuy nhiên, khả năng đánh lửa của MSD ở áp suất cực thấp với hỗn hợp nghèo và

Thiết kế và thử nghiệm hệ thống hóa hơi nhiên liệu lỏng cung cấp cho buồng đốt đẳng tích cân bằng không hoạt động như mong đợi do sự phân tách của nhân ngọn lửa MSD có thể tăng cường sự bắt lửa để chuyển đổi ngọn lửa nhưng ít ảnh hưởng đến sự lan truyền ngọn lửa tiếp theo.

Hình 1.9 Xác suất đánh lửa được điều khiển bởi SSD và MSD tập trung dưới các áp suất ban đầu khác nhau với tỷ lệ tương đương là Φ= 0,8- 1,0 - 1,6 [9]

Hình 1.10 Sự phát triển của nhân đánh lửa được điều khiển bởi SSD và MSD tập trung bằng cách sử dụng hỗn hợp đo phân cực ở 1 [9]

Hình 1.11 Biểu đồ phát triển ngọn lửa của SSD và MSD ở tỉ lệ hòa trộn Φ=1.0 và P=1 atm [9]

Từ những nghiên cứu trên chúng ta có thể thấy rằng các hệ thống đánh lửa mới này đã được phát triển và nghiên cứu rất nhiều nhưng vẫn phụ thuộc vào việc kết hợp với hệ thống đánh lửa cảm ứng thông thường để sử dụng trong xi lanh, và những công nghệ mới thường có những bất cập về tính kinh tế trong quá trình sản suất rất khó để có thể áp dụng vào động cơ thực tế Cho đến thời điểm hiện tại, hệ thống đánh lửa thông thường vẫn chiếm vai trò quan trọng trong động cơ đánh lửa cưỡng bức Do đó, nhiều nghiên cứu liên quan đến hệ thống đánh lửa rất cần thiết nhằm mục đích tối ưu hóa hệ thống đánh lửa thông thường Vì vậy ở nghiên cứu này nhóm đã tập trung nghiên cứu về hệ thống đánh lửa đa điểm lửa nhằm cải thiện thời gian phát triển của ngọn lửa ban đầu để xây dựng hệ thống đánh lửa tin cậy

Trong nghiên cứu này của Yukihide Nagano và các đồng nghiệp [11], chỉ được áp dụng trong phạm vi bán kính ngọn lửa từ 10 mm đến 80 mm Ở bán kính ngọn lửa dưới 10 mm, sự truyền ngọn lửa có thể bị ảnh hưởng bởi năng lượng tia lửa Vách ngăn có thể ảnh hưởng đến sự lan truyền của ngọn lửa bằng cách giảm vận tốc cháy khi ngọn lửa lớn dần và tiến gần đến bức tường hơn Trong nghiên cứu này, tổng thể tích của buồng tương đương với một hình cầu có bán kính 203 mm Do đó, sự lan truyền của ngọn lửa trong nghiên cứu này không bị ảnh hưởng bởi các thành buồng ở bán kính 80 mm Hình 2.4, hình 2.5 là hình ảnh trong thí nghiệm của Yukihide Nagano và các đồng nghiệp [10]

Hình 1.12 Sự thay đổi của vận tốc cháy kéo dài với tốc độ dãn của ngọn lửa và hình ảnh của ngọn lửa ở các bán kính khác nhau trong quá trình truyền ngọn lửa [10]

Hình 1.13 Sự biến đổi của số Markstein(Ma), thu được từ các thí nghiệm với phần mol hydro(xH2) ở các tỷ lệ khác nhau [10].

Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của nồng độ hydro lên ngọn lửa hydro/methan/Không khí lan truyền hình cầu được nghiên cứu ở các tỷ lệ tương đương khác nhau ở áp suất khí quyển Các vận tốc cháy tầng, số Markstein và xu hướng mất ổn định của ngọn lửa đã được kiểm tra [10]

Các kết quả cho thấy rằng sự gia tăng nồng độ hydro trong nhiên liệu nhị phân dẫn đến sự gia tăng vận tốc đốt cháy lớp không gia cố mặc dù một phần 0,5 mol hydro trong nhiên liệu dẫn đến ít hơn 15% tổng mức tăng vận tốc đốt cháy lớp không nén đối với ba tỷ lệ tương đương Ảnh hưởng của việc tăng nồng độ hydro đến độ nhạy của ngọn lửa đối với sự kéo dài là không đơn điệu Chiều dài Markstein đo được thay đổi không đơn điệu khi tăng X H 2 đối với ba tỷ lệ tương đương trong khi số Markstein thay đổi không đơn điệu với X H 2 ở φ = 0,8 và 1,0 và tăng đơn điệu ở φ = 1,2 Số Markstein được đánh giá phân tích có thỏa thuận định tính thỏa đáng với số Markstein đo được đối với ba tỷ lệ tương đương Vì số Lewis hiệu dụng được chứng minh là tính chất chủ yếu ảnh hưởng đến sự biến đổi của số Markstein với nồng độ hydro, nên xu hướng không đơn điệu quan sát được trong số Markstein đo được có thể chủ yếu là do sự biến đổi không đơn điệu của số Lewis hiệu dụng của hỗn hợp có thành phần phần trăm số mol hydro [10].

Việc tăng nồng độ hydro cũng có ảnh hưởng không đơn điệu đến xu hướng không ổn định của ngọn lửa ở các tỷ lệ tương đương 0,8 và 1,0 Kết quả cho thấy rằng mặc dù ngọn lửa hydro được chứng minh là không bền hơn ngọn lửa metan, ngọn lửa

Thiết kế và thử nghiệm hệ thống hóa hơi nhiên liệu lỏng cung cấp cho buồng đốt đẳng tích hydro có thể ổn định hơn nhiên liệu nhị phân của hydro và metan với 0,7 mol phần tử hydro ở các tỷ lệ tương đương là 0,8 và 1,0 [10].

Okafor và các đồng nghiệp của ông đã nghiên cứu về tốc độ lan truyền màng lửa của hỗn hợp hidro-metan/không khí ở ba tỷ lệ hòa trộn tương đương () là 0.8, 1.0, và 1.2 trong buồng đốt đẳng tích (CVCC), kết quả cho thấy vận tốc cháy tầng, kết quả cho thấy sự gia tăng nồng độ hidro trong hỗn hợp nhiên liệu dẫn đến gia tăng tốc độ cháy tầng Mặc dù 0.5 mol hidro trong nhiên liệu dẫn đến ít hơn 15% tổng tốc độ gia tăng của vận tốc cháy tầng ở cả ba tỷ lệ hòa trộn [11]

Trong nghiên cứu mới nhất của Nguyễn Minh Tiến về ảnh hưởng của năng lượng đánh lửa và ion H+ đến tốc độ cháy tầng, thời gian cháy trễ và cháy chính của hỗn hợp nghèo metan/không khí ( =0.6, 0.7 và 0.8), kết quả cho thấy theo khi tăng nồng độ hidro trong hỗn hợp thì nhiệt độ lượng tỏa ra cao hơn, sự lan truyền màng lửa nhanh hơn và thời gian cháy ngắn hơn ở cả ba tỷ lệ hòa trộn tương đương khác nhau.Ở nghiên cứu này, ông cũng cho thấy được tốc độ cháy tầng SL tăng phi tuyến tính với việc tăng tỷ lệ thành phần hidro cho tất cả tỷ lệ hòa trộn tương đương, SL tăng dần khi tăng hidro từ 0 đến 20% và tăng khá nhanh khi tỷ lệ thành phần hidro lớn hơn 20% [12]

Cơ sở thiết kế

Dựa vào đặc tính hóa hơi của nhiên liệu được sử dụng Trong nghiên cứu này, xăng được chọn là nhiên liệu để thí nghiệm

Tính chất lý-hóa của xăng:

Có hai hiện tượng cháy có thể xảy ra:

Trị số octan của xăng biểu hiện tính chống kích nổ của xăng Xăng có trị số octan càng cao thì tính chống kích nổ càng cao Xăng có trị số octan cao sử dụng cho động cơ có tỉ số nén cao Nếu sử dụng xăng có trị số octan thấp cho xe có tỉ số nén cao sẽ gây hiện tượng cháy kích nổ Nếu sử dụng xăng có trị số octan cao cho xe có tỉ số nén thấp thì xăng sẽ cháy khó cháy, cháy không hết tạo cặn than làm bẩn máy, hao xăng Chỉ số octane thấp nhất là 92 và cao nhất đang sử dụng là 98

Tính bay hơi thích hợp

Xăng muốn cháy được trong máy thì cần phải bay hơi, trộn với một lượng oxy vừa đủ để đạt được hiệu suất đốt cao nhất, đối với động cơ đốt trong, chúng được trộn với nhau thông qua bộ chế hòa khí Nếu xăng bay hơi không thích hợp thì máy sẽ không phát huy được hết công suất, hao xăng nhiều và gặp phải những sự cố kỹ thuật sau:

 Hiện tượng nghẹt xăng hay nút hơi

 Hiện tượng ngộp xăng (sặc xăng)

Tính ổn định hóa học cao

Khả năng giữ vững bản chất hóa học chống lại ảnh hưởng của môi trường xung quanh gọi là tính ổn định hóa học của xăng Tính ổn định hóa học của xăng bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố: nhiệt độ, diện tích tiếp xúc với không khí, độ sạch và khô của vật chứa, mức độ tồn chứa và thời gian tồn chứa Xăng có hàm lượng keo nhựa càng cao thì có tính ổn định hóa học càng thấp.

Không có sự ăn mòn, tạp chất cơ học và nước

Xăng có tính ăn mòn kim loại do sự có mặt của các hợp chất lưu huỳnh, các axít, keo nhựa chưa tinh chế hết trong quá trình chế biến.

 Tạp chất cơ học có trong xăng gồm những chất từ bên ngoài rơi vào trong quá trình bơm rót, vận chuyển như cát, bụi, các chất được pha thêm trong quá trình sản xuất, chế biến như nhiên liệu cháy, chất ổn định, …

 Nước từ bên ngoài rơi vào xăng trong quá trình xuất, nhập, tồn chứa

Sơ đồ tổng quát hệ thống hóa hơi

Mạch điện điều khiển kim phun

Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển kim phun

Mạch điện điều khiển thiết bị gia nhiệt

Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện bộ khống chế nhiệt độ

Cách vận hành hệ thống hóa hơi

Bước 1: Cấp điện cho bộ gia nhiệt.

- Bật công tắc cho điện chạy qua làm nóng 2 vòng điện trở nhiệt.

- Chỉnh đồng hồ báo nhiệt ở mức 110 độ C.

- Chờ nhiệt độ tăng cho đến 110 độ C, khi đó relay sẽ đóng điện ngừng cấp cho vòng nhiệt điện trở.

- Nhiệt độ được duy trì ở mức 110 độ C.

Bước 2: Nạp xăng vào xylanh nén khí.

- Ta rút cần đẩy của xylanh, xăng từ trên bình chứa sẽ được hút vào trong xylanh theo đường ống.

- Xăng sẽ đầy khi cần đẩy được rút hết hành trình.

Bước 3: Nạp khí vào xylanh nén khí.

- Cho dòng khí khoảng 3-4 atm vào xylanh nén khí.

- Khi đó piston sẽ nén xăng tạo ra áp suất đẩy xăng đến kim phun.

Bước 4: Cấp nguồn và điều khiển kim phun.

- Nối dây kim phun vào ắc quy 12V.

- Nạp code vào arduino điều khiển kim phun : int Relay = 6 ; void setup() {

{ pinMode(Relay, OUTPUT); digitalWrite(Relay, HIGH);

} void loop() { digitalWrite(Relay, LOW); delay(20); digitalWrite(Relay, HIGH); delay(200);

- Cấp nguồn 5V cho arduino hoạt động

Bước 5: Thực hiện hóa hơi.

- Bình hóa hơi đang nóng ở mức 110 độ C.

- Xăng được nén đến đầu kim phun.

- Ta cấp nguồn 12V cho kim phun, khi đó relay đóng ngắt sẽ làm kim phun đóng mở liên tục.

- Xăng được nén sẽ phun ra với khoảng thời gian và số lần theo code đã nạp trước đó.

- Xăng được phun vào trong bình gia nhiệt sẽ hóa hơi bay theo đường ống đi vào buồng đốt đẳng tích.

LẮP ĐẶT THỬ NGHIỆM TRÊN BUỒNG ĐỐT ĐẲNG TÍCH

Chuẩn bị nhiên liệu trước khi thí nghiệm

- Nhiên liệu sử dụng: Xăng RON 95

- Hỗn hợp được tính toán dựa vào công thức tính toán áp suất từng phần Nhiên liệu được hòa trộn với không khí ở tỷ lệ =(0.8 - 1.2) ở điều kiện nhiệt độ và áp suất trong phòng.

Tỷ lệ mol của nhiên liệu xăng (giả sử xăng là C8H18) và không khí được tính toán bằng phương trình sau:

C8H18 + 12,5 ∅ (O2 + 3,76N2) → CO2 + H2O Vậy ta có số mol của C8H18 là: nC8H18 =

Tỷ lệ mol nhiên liệu của xăng là: λ C8H18 = 1+ 12,5 1

Tỷ lệ mol của không khí: λ air = 1 – λ C8H18

Công thức tính áp suất của xăng:

C8H18: Tỷ lệ mol của xăng air: Tỷ lệ mol của không khí

PC8H18: Áp suất thành phần của xăng (bar)

Pair: Áp suất thành phần của không khí (bar)

Pi: Áp suất thí nghiệm trước khi cháy (ở thí nghiệm này Pi= 1 bar)

Quy trình vận hành buồng đốt đẳng tích

- Để bắt đầu tiến hành thí nghiệm ta cần phải hút hết lượng không khí ở trong các đường ống dẫn nhiên liệu và buồng đốt để tránh tình trạng sai tỉ lệ nạp mong muốn.

- Đóng, mở các van xả và van cung cấp nhiên liệu/không khí rồi bật máy hút chân không sao cho đồng hồ hiển thị áp suất âm SR1Q002A00 đạt mức -1 bar.

Bước 2: Nạp nhiên liệu và không khí vào buồng đốt theo tỉ lệ.

- Kiểm tra thiết bị hiển thị ANTEK CS1-PR và cảm biến áp suất âm SR1Q002A00 để định lượng không khí và nhiên liệu được nạp vào.

- Tiến hành mở van không khí và nhiên liệu cấp vào buồng đốt Lượng nhiên liệu và không khí được cấp vào ứng với ϕ=(0.8-1.2) đã được tính toán trước đó.

Bước 3: Hoà trộn không khí và nhiên liệu.

- Hỗn hợp hoà khí được hút qua xi-lanh và nén trở lại buồng đốt thông qua máy hút chân không và máy nén khí Việc này làm cho hỗn hợp hoà khí có độ tơi và tạo ra dòng rối giúp quá trình cháy diễn ra tốt hơn.

Bước 4: Đóng van nhiên nhiệu tiến hành đánh lửa.

- Đóng các van nạp không khí và nhiên liệu để tránh các vấn đề cháy nổ ngoài buồng đốt xảy ra.

- Cảm biến áp suất ST18 được sử dụng để kiểm tra áp suất đạt được bao nhiêu khi xảy ra quá trình cháy

3.1 Sơ đồ bố trí thực nghiệm thực tế.

Buồng cháy đẳng tích được thiết kế với đường kính 160mm, với chiều dài là 320mm sử dụng chất liệu thép không rỉ được lắp ghép với hai mặt bích có thể chịu áp lực lên tới 10 MPa đảm bảo an toàn cháy nổ trong quá trình thực nghiệm Xung quanh thân được khoét với các chức năng khác nhau: thứ nhất một cổng là để lắp đặt van cấp nhiên liệu và không khí cho buồng cháy và thực hiện hút không khí dư trong buồng đốt thông qua việc sử dụng bơm chân không Thứ hai là sử dụng là để lắp đặt cảm biến áp suất P2 dùng để đo trong quá trình đốt cháy có nhiệm vụ xác nhận rằng hỗn hợp không khí nhiên liệu trong buồng đốt đã được đốt cháy hay chưa Tiếp theo là đường xả những thành phẩm của quá trình đốt cháy và lỗ còn lại là để lắp điện cực đánh lửa gắn ở trung tâm của buồng đốt.

Hình 3.2 Sơ đồ bố trí đường ống và cặp điện cực của buồng đốt đẳng tích.

(1)Buồng cháy đẳng tích (CVCC), (2) Đế giữ điện cực Omron BS-1, (3) Cảm biến áp suất dương (0-6 bar), (4) Cặp que điện cực dương, (5) Que điện cực âm, (6) Đường cấp hỗn hợp nhiên liệu, (7) Cảm biến áp suất âm (-1-3 bar), (8) Đường ống khí xả

Hình 3.3 Bô bin đơn và ắc quy 12V.

Hình 3.4 Đế giữ điện cực Omron BS-1 và điện trở sứ

Hình 3.5 Que điện cực được lắp đặt trực tiếp trong buồng đốt.

- Thiết bị đo năng lượng đánh lửa

Dòng cao áp được thu nhập bằng tay đo cao áp SEW PD-20 (thông số được liệt kê ở bảng 3.1) để biết được điện áp đánh lửa tại thời điểm bắt đầu phóng tia lửa điện Cường độ dòng điện được đo bằng thiết bị đo dòng Peason Current Monitor 8122 (thông số được liệt kê ở bảng 3.2) để đo sự thay đổi của dòng điện khi phóng điện và so sánh được sự thay đổi của dòng điện khi thêm trở hoặc giảm bớt trở từ đó có thể xác định năng lượng đánh lửa qua hai dữ liệu này.

Hình 3.6 Tay đo cao áp SEW PD-20.

Bảng 3.1 Thông số chi tiết của tay đo cao áp SEW PD-20.

Tổng trở vào 500MΩ Độ chính xác

DCV (0 ~ 20kV) +/- 1%, DCV (20kV ~ 30kV) +/- 2%, ACV (0 ~ 20 kV) typically +/- 5% at 60Hz Điện áp làm việc 30kV DC or 20kV AC

Hình 3.7 Thiết bị đo dòng Peason Current Monitor 8122.

Bảng 3.2 Thông số chi tiết của thiết bị đo dòng Peason Current Monitor 8122. Độ nhạy 1 V/A ± 1% Điện trở ngoài 50 Ω

Tần số thấp 3dB cut-off 400 Hz

Tần số cao ± 3dB 250MHz (xấp xỉ)

Kiểu đầu nối BNC (UG-290A/U)

- Cảm biến áp suất và thiết bị thu thập dữ liệu

Thiết bị đo áp suất được lắp đặt ở hai vị trí sau đây:

+ Thứ nhất là cảm biến áp suất trong buồng đốt được lắp đặt ngay chính giữa thân buồng đốt có tên là ST18 Pressure transmitter (với các thông số chính được thể hiện ở bảng 3.3), thiết bị được thu thập tín hiệu áp suất qua một con trở có giá trị 300Ω để quy đổi dòng điện từ -4-20mA sang 1.2- 7.2V(DC) tương đương với áp suất từ 0-6 bar kết nối với máy Oscillocope Gwinstek GDS-1104B và Oscillocope Gwinstek GDS-1104B để ghi lại giá trị áp suất và năng lượng đánh lửa.

+ Thứ hai là cảm biến áp suất âm được dùng để đo áp suất của buồng đốt sau khi hút chân không Thiết bị này có tên là cảm biến áp suất âm SR1Q002A00 (với các thông số được thể hiện trong bảng 3.3), thiết bị được kết nối qua màn hình hiển thịANTEK CS1-PR (thông số được hiển thị trong bảng 6) để thu thập tín hiệu áp suất khi hút chân không và nạp nhiên liệu Vị trí lắp đặt ở ngoài buồng đốt ngay van cấp nhiên liệu cũng như hút chân không.

Hình 3.8 Cảm biến áp suất ST18 Pressure transmitter.

Bảng 3.3 Thông số chi tiết của cảm biến áp suất ST18 Pressure Transmitter. Điện áp hoạt động 110~220V /50~60Hz

Lưu lượng bơm 51-57 lít/phút

Chân không tuyệt đối 150 Micron

Hình 3.9 Cảm biến áp suất âm SR1Q002A00

Bảng 3.4 Thông số chi tiết của cảm biến áp suất âm SR1Q002A00

Nguồn cấp cho thiết bị 8…30(Vdc)

Tín hiệu đầu ra 4~20 (mA), 0~5 (Vdc)

Nhiệt độ hoạt động -25~85 ˚C Độ chính xác ≤ 0.1%

Hình 3.10 Thiết bị hiển thị ANTEK CS1-PR.

Bảng 3.5 Thông số chi tiết của thiết bị hiển thị ANTEK CS1-PR.

Nguồn cấp cho thiết bị AC115/230 (V), 50~60Hz

Tín hiệu đầu vào 4~20 (mA), 0~10 (Vdc)

Voltage: 0~5 (Vdc)/0~10(Vdc) Curent: 0~10 (mA), 0~20 (mA), 4-20

Hình 3.11 Máy phát hiện sóng Oscillocope Gwinstek GDS-1104B.

Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật máy phát hiện sóng Oscillocope Gwinstek GDS-1104B.

Tốc độ lấy mẫu 1 GSa/s

Rise time 5ns Độ phân giải 1mV~10V/div Đầu vào AC, DC, GND

Trở kháng vào 1Mohm, 16pF Độ chính xác DC 3% Điện áp đầu vào lớn nhất 300Vpk

Chức năng +,-,x,:, FFT, chế độ XY

Nguồn Trigger CH1, CH2, CH3, CH4, EXT

Thời gian quét 5ns/div ~ 100s/div

Nguồn cung cấp 100~240VAC, 50/60Hz

Hình 3.12 Máy phát hiện sóng Hantek DSO5072P

Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật máy phát hiện sóng Hantek DSO5072P

Tần số lấy mẫu 500Ms/s-1Gs/s

Dải điện áp V/div 1mV/div~20V/div

Dai thời gian times/div 10ns/div~50s/div

Lưu trữ Setup,Wave,Bitmap

Chế độ trigger Edge, Pluse, Video, Alternate

Giao diện USB OTG,Pass/Fail

Kích thước (W×H×D) 306mm ×147mm × 122mm

- Bơm hút chân không VE115N

Bơm hút chân không trong thí nghiệm này được đặt ở trước van an toàn trên buồng cháy và sau van chống cháy ngược của đường nhiên liệu Mục đích của việc bố trí này là để bơm chân không có thể hút sạch lượng không khí có trong buồng đốt và trên đường ống nạp khí khi đã khoá các hệ thống van cần thiết Việc làm này nhằm

Thiết kế và thử nghiệm hệ thống hóa hơi nhiên liệu lỏng cung cấp cho buồng đốt đẳng tích đảm bảo cung cấp lượng nhiên liệu và không khí một cách chính xác trong quá trình tiến hành thí nghiệm.

Hình 3.13 Bơm hút chân không VE115N.

Bảng 3.8 Thông số bơm hút chân không VE115N. Điện áp hoạt động 110~220V /50~60Hz

Lưu lượng bơm 51-57 lít/phút

Chân không tuyệt đối 150 Micron

Sau khi đã nạp được tỷ lệ không khí và nhiên liệu theo mong muốn, xi-lanh khí nén có nhiệm vụ hoà trộn đều, tơi lượng không khí và nhiên liệu trên thành hỗn hợp hoà khí Điều này giúp cho quá trình đốt cháy diễn ra một cách thuận lợi.

Hình 3.14 Xi-lanh khí nén.

Bảng 3.9 Thông số chi tiết của Xi-lanh khí nén. Đường kính 100mm

Hành Trình 350mm Áp suất 0,1~1Mpa

- Hệ thống cung cấp nhiên liệu

Nhiên liệu sử dụng trong thí nghiệm này gồm ba loại khí (mêtan, hydro, cacbon monoxide) được nén trong bình cấp ở áp suất khoảng 200 bar có sử dụng van hạ áp và van chống cháy ngược để đảm bảo an toàn Bình nhiên liệu được nối vào buồng đốt qua hệ thống dây dẫn khí có và các van để kiểm soát khí khi đưa vào bằng cách lắp đặt cảm biến áp suất âm trong buồng đốt Bước đầu tiên để hòa trộn nhiên liệu là làm sạch không khí trong buồng đốt Sau đó nhiên liệu được đưa vào cùng với không khí, với mong muốn là hỗn hợp được tính toán bởi công thức áp suất một phần đạt tỉ lệ áp suất tuyệt đối tại 1 bar Sau đó hỗn hợp này được đưa qua bình hòa trộn để đảm bảo nhiên liệu đạt được điều kiện đốt cháy tốt nhất.

Hình 3.15 Bình cung cấp nhiên liệu.

Hình 3.16 Van điều áp và van chống cháy ngược.

Thu thập dữ liệu

Thu nhận tín hiệu giá trị áp suất và năng lượng ở máy Oscillocope Gwinstek GDS-1104B và Hantek DSO5072P, tính toán để thu được kết quả.

Tính toán các thông số cơ bản

Trong thí nghiệm này nhóm đã sử dụng phương pháp thể tích không đổi (CVM) để xác định tốc độ cháy của hỗn hợp xăng-không khí Sử dụng dữ liệu áp suất thu được bên trong buồng đốt Những thông số áp suất liên quan đến SL được đề cập bởi Matstugi và đồng nghiệp

Trong đó: p – áp suất tức thời trong buồng đốt đẳng tích (bar) pe – áp suất cực đại (bar) p0 – áp suất ban đầu (bar)

SL – tốc độ cháy tầng (cm/s)

R – bán kính bên trong buồng đốt đẳng tích

=(Cp/Cv) – nhiệt dung riêng của khí chưa được đốt cháy

Sử dụng thông tin áp suất để tính toán hai thông số giá trị nhiệt đại diện (RHHR) và tiêu chuẩn hóa tỏa nhiệt tích lũy (NCHR) đề xuất bởi Hwang và cộng sự

Giá trị nhiệt đại diện được tính bằng :

Tiêu chuẩn hóa tỏa nhiệt tích lũy được tính bằng:

Thời gian cháy chính là khoảng thời gian được tính từ thời gian tương ứng tại 10% củaNCHR cực đại đến thời gian tương ứng tại 90% của NCHR cực đại.

KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM

Diễn biến áp suất thu được từ buồng cháy

Áp suất trong buồng cháy đẳng tích được phát hiện nhờ vào cảm biến ST18 và lưu trong máy phát hiện sóng Oscillocope được thể hiện ở (hình 4.1)

Hình 4.1 Áp suất thu được thông qua máy phát hiện sóng.

Thời gian (ms) Á p su ất tr on g bu ồn g đố t( ba r )

Hình 4.2 Áp suất trong buồng đốt Sau khi đánh lửa, áp suất ban đầu gần như không tăng trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó tăng mạnh và đạt cực đại do lượng nhiệt tỏa ra lớn Sau đó, áp suất lại giảm nhanh do thất thoát nhiệt Giá trị cực đại của áp suất tăng khi tỷ lệ hòa trộn tương đương từ 0.8 lên 1.2. Áp suất đạt cực đại tại ɸ= 1.2 nhưng tại ɸ= 1 thì thời gian sớm hơn và tỏa nhiệt nhanh hơn.

Nhiệt lượng tỏa ra

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Minh Tiến

Sinh viên thực hiện: Lương Minh Huy a Mã SV: a 1811514110112

Trần Hừng Sáng b Mã SV: b 1811504210135

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Tỷ lệ mol của xăng và không khí

- Áp suất thành phần của xăng và không khí

- Tài liệu tham khảo: Nguyen, M.T., et al., General Correlations of Iso-octane

Turbulent Burning Velocities Relevant to Spark Ignition Engines Energies,

3 Nội dung chính của đồ án:

- Tổng quan về đề tài

- Thiết kế hệ thống hóa hơi

- Lắp đặt và thử nghiệm trên buồng đốt đẳng tích

- Kết luận, báo cáo kết quả

4 Các sản phẩm dự kiến

- Báo cáo tổng quan, đề cương, luận văn tốt nghiệp

- Sơ đồ hệ thống điện điều khiển

- Hệ thống hóa hơi cho nhiên liệu lỏng

6 Ngày nộp đồ án: 20/2/2022 Đà Nẵng, ngày 11 tháng 2 năm 2022

Trưởng Bộ môn Người hướng dẫn

Lời đầu tiên, nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GVC TS. Nguyễn Minh Tiến – trưởng bộ môn “ Công nghệ kỹ thuật ô tô” đã trang bị kiến thức, kỹ năng cơ bản để hoàn thành đề tài nghiên cứu này

Nhóm cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong trường Đại học Sư phạm

Kỹ thuật – Đại Học Đà Nẵng nói chung và các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ kỹ thuật Ô tô nói riêng đã truyền đạt những kiến thức về môn đại cương cũng như các môn chuyên nghành, giúp các thành viên có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập.

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để chúng em có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.

Cuối cùng, chúng em xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn ủng hộ, dìu dắt, giúp đỡ và động viên tinh thần học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp. i

Nhóm chúng em xin cam đoan kết quả trong báo cáo đồ án tốt nghiệp này là kết quả từ sự cố gắng, tìm hiểu, nghiên cứu của cả nhóm dưới sự hướng dẫn của GVC.TS Nguyễn Minh Tiến Những số liệu tham khảo đều được trích dẫn trung thực rõ ràng.

Lương Minh Huy Trần Hừng Sáng

Nhận xét của người hướng dẫn

Nhận xét của người phản biện

Danh sách các bảng, hình vẽ v

Danh sách các ký hiệu, chữ viết tắt vi

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 3

1.1 Vấn đề cấp thiết liên quan đến động cơ đốt trong 3

1.1.2 Nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ 4

1.2 Các biện pháp cải tiến động cơ đốt trong 6

1.2.2 Cải thiện hệ thống đánh lửa 10

1.2.3 Sủ dụng lưỡng nhiên liệu hoặc nhiên liệu thay thế 13

1.3 Một số nghiên cứu cơ bản trên buồng đốt đẳng tích 17

Chương 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG HÓA HƠI NHIÊN LIỆU LỎNG 25

2.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống hóa hơi 26 v

2.3.1 Mạch điện điều khiển kim phun 28

2.3.2 Mạch điện điều khiển thiết bị gia nhiệt 29

2.4 Cách vận hành hệ thống hóa hơi 29

Chương 3 LẮP ĐẶT THỬ NGHIỆM TRÊN BUỒNG ĐỐT ĐẲNG TÍCH 31

3.1 Chuẩn bị nhiên liệu trước khi thí nghiệm 31

3.2 Quy trình vận hành buồng đốt đẳng tích 32

3.4 Tính toán các thông số cơ bản 44

Chương 4 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 46

4.1 Diễn biến áp suất thu được từ buồng cháy 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO vii

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 3.1 Thông số chi tiết của tay đo cao áp SEW PD-20 36

Bảng 3.2 Thông số chi tiết của thiết bị đo dòng Peason Current Monitor 8122 37

Bảng 3.3 Thông số chi tiết của cảm biến áp suất ST18 Pressure transmitter 38

Bảng 3.4 Thông số chi tiết của cảm biến áp suất âm SR1Q002A00 39

Bảng 3.5 Thông số chi tiết của thiết bị hiển thị ANTEK CS1-PR 39

Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật máy phát hiện sóng Oscillocope Gwinstek GDS-1104B.40 Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật máy phát hiện sóng Hantek DSO5072P 41

Bảng 3.8 Thông số bơm hút chân không VE115N 42

Bảng 3.9 Thông số chi tiết của Xi-lanh khí nén 43

Hình 1.1 Lịch sử hiệu suất nhiệt động cơ và định hướng tương lai………5

Hình 1.2 So sánh các đặc tính đốt cháy để làm giàu nhiên liệu 11% và 10%EGR (tốc độ động cơ 4000 vòng / phút, áp suất tăng 90 kPa, thời điểm đánh lửa của 6.6 CAD

Hình 1.3 Động cơ phát thải trước chất xúc tác từ các tỷ lệ EGR khác nhau (tốc độ động cơ của 4000 vòng / phút, hỗn hợp nhiên liệu-không khí đo đẳng áp)………8

Hình 1.4 Lịch sử phát thải NOx của động cơ trong các trường hợp từ 1 đến 5………12

Hình 1.5 Phát thải NOX từ động cơ ở các trường hợp khác nhau ………12

Hình 1.6 Các nghiên cứu nước ngoài ……… 15

Hình 1.7 Kết quả mô phỏng sự phân bố nhiệt độ theo thời gian cho hệ thống đánh lửa đa kênh sử dụng vỏ đánh lửa……….18

Hình 1.8 Cấu hình điện cực đánh lửa gây ra bởi (a) đơn kênh (0,35 mJ) và (b) đa kênh (0,35 mJ) và (c) cấu hình điện cực đơn kênh (0,7 mJ) cho hỗn hợp n-pentanair ở ER=0,68, P=0,5 atm và L=2mm………19

Hình 1.9 Xác suất đánh lửa được điều khiển bởi SSD và MSD tập trung dưới các áp suất ban đầu khác nhau với tỷ lệ tương đương là Φ= 0,8- 1,0 - 1,6……….20

Hình 1.10 Sự phát triển của nhân đánh lửa được điều khiển bởi SSD và MSD tập trung bằng cách sử dụng hỗn hợp đo phân cực ở 1………21

Hình 1.11 Biểu đồ phát triển ngọn lửa của SSD và MSD ở tỉ lệ hòa trộn Φ=1.0 và P=1 atm……….21

Hình 1.12 Sự thay đổi của vận tốc cháy kéo dài với tốc độ dãn của ngọn lửa và hình ảnh của ngọn lửa ở các bán kính khác nhau trong quá trình truyền ngọn lửa………22

Hình 1.13 Sự biến đổi của số Markstein(Ma), thu được từ các thí nghiệm với phần mol hydro(xH2) ở các tỷ lệ khác nhau……… 23

Hình 2.1 Hình vẽ mô phỏng hệ thống hóa hơi 26

Hình 2.2 Mô hình thực tế hệ thống hóa hơi sau khi gia công……… 27

Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển kim phun……….28

Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện bộ khống chế nhiệt độ………29 ix

Hình 3.2 Sơ đồ bố trí đường ống và cặp điện cực của buồng đốt đẳng tích……… 34

Hình 3.3 Bô bin đơn và ắc quy 12V.35 Hình 3.4 Đế giữ điện cực Omron BS-1 và điện trở sứ35 Hình 3.5 Que điện cực được lắp đặt trực tiếp trong buồng đốt.35 Hình 3.6 Tay đo cao áp SEW PD-20.36 Hình 3.7 Thiết bị đo dòng Peason Current Monitor 8122.37 Hình 3.8 Cảm biến áp suất ST18 Pressure transmitter.38 Hình 3.9 Cảm biến áp suất âm SR1Q002A0038 Hình 3.10 Thiết bị hiển thị ANTEK CS1-PR.39 Hình 3.11 Máy phát hiện sóng Oscillocope Gwinstek GDS-1104B.40 Hình 3.12 Máy phát hiện sóng Hantek DSO5072P41 Hình 3.13 Bơm hút chân không VE115N.42 Hình 3.14 Xi-lanh khí nén.42 Hình 3.15 Bình cung cấp nhiên liệu.43 Hình 3.16 Van điều áp và van chống cháy ngược.44 Hình 4.1 Áp suất thu được thông qua máy phát hiện sóng……… 46

Hình 4.2 Áp suất trong buồng đốt……….47

Hình 4.3 Tốc độ cháy tầng……….48

Hình 4.4 Nhiệt lượng cực đại……….49

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Dgap : Khoảng cách điện cực(mm)

S u 0 : Tốc độ cháy tầng(cm/s) λ : Tỷ lệ dư lượng không khí

Rc : Bán kính ngọn lửa tới hạn

Pe : Áp suất cực đại(bar)

Po : Áp suất ban đầu(bar) γ : Nhiệt dung riêng của khí chưa đốt

Eig : Năng lượng đánh lửa(mJ)

Pin-ch : Áp suất trong buồng đốt(bar)

- ĐCĐT: Động cơ đốt trong

- F/A : Fuel/Air – Tỉ số của nhiện liệu so với không khí

- EGR : Exhaust Gas Recirculation – Hệ thống tuần hoàn khí xả

- CVT : Continuously Variable Transmission – Hộp số vô cấp

- SI : Spark Ignition – Động cơ đánh lửa cưỡng bức (Động cơ xăng)

- SCR : Selective Catalytic Reducation – Hệ thống kiểm soát khí thải nhờ chất xúc tác xi

MỞ ĐẦU i Mục đích thực hiện đề tài

- Các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí đốt tự nhiên đã đáp ứng hầu hết nhu cầu năng lượng của nhân loại Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch là một trong những nguyên nhân chính gây ra biến đổi khí hậu, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người Biến đổi khí hậu toàn cầu đang diễn ra ngày càng nghiêm trọng. Biểu hiện rõ nhất là trái đất nóng lên, băng tuyết tan, nước biển dâng cao; các hiện tượng thời tiết bất thường, bão lũ, sóng thần, động đất, hạn hán, rét đậm kéo dài gây ra tình trạng thiếu lương thực và xuất hiện hàng loạt con người, và dịch bệnh gia súc Với tốc độ tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch như hiện nay thì việc thiếu hụt nguồn nhiên liệu hóa thạch trong tương lai là điều không thể tránh khỏi Để có thể tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch đồng thời đáp ứng được nhu cầu khắt khe về khí xả thì việc cải thiện hiệu suất nhiệt của động cơ là thực sự cần thiết Hiện tại với những công nghệ như hiện nay hiệu suất có thể đạt được lên tới hơn 40%, nhưng còn khá thấp Điều này là do nhiệt lượng sinh ra từ động cơ đốt trong bị thất thoát nhiều, để ứng dụng hiệu quả cho động cơ đốt trong thì những nghiên cứu cơ bản về quá trình cháy là cần thiết. Trong động cơ đánh lửa cưỡng bức, nhiên liệu cần phải được hòa trộn đồng nhất với không khí để đảm bảo quá trình cháy được tối ưu Để đảm bảo cho sự hòa trộn giàu nhiên liệu lỏng và không khí, nhiên liệu lỏng cần được hóa hơi trước Do đó quá trình nghiên cứu cũng sẽ tiến hành thuận lợi hơn do có thể kiểm soát tốt về tỉ lệ hòa trộn nhiên liệu và không khí.

- Vì vậy nhóm chọn đề tài nghiên cứu “Thiết kế và thử nghiệm hệ thống hóa hơi nhiên liệu lỏng cung cấp cho buồng đốt đẳng tích” để tiếp tục nghiên cứu về vấn đề này. ii Mục tiêu nghiên cứu

- Phân tích quá trình cháy, diễn biến áp suất cháy của buồng đốt

- Tính toán tốc độ cháy, thời gian cháy, năng lượng đánh lửa từ đó so sánh với nhiên liệu lỏng. iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi nghiên cứu: tốc độ cháy, áp suất cháy. iv Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng hệ thống hóa hơi để hóa hơi nhiên liệu cung cấp vào buồng đốt đẳng tích theo tỷ lệ ɸ ( 0.8-1.2) ứng với số mole không khí đã tính.

Thiết kế và thử nghiệm hệ thống hóa hơi nhiên liệu lỏng cung cấp cho buồng đốt đẳng tích v Cấu trúc của đồ án

- Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu

- Chương 2: Thiết kế hệ thống hóa hơi nhiên liệu lỏng

- Chương 3: Lắp đặt thử nghiệm trên buồng đốt đẳng tích

- Chương 4: Kết quả thử nghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 Vấn đề cấp thiết liên quan đến động cơ đốt trong (ĐCĐT)

Tốc độ khai thác, tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch quá nhanh so với tốc độ hình thành khiến chung ta rơi vào tình trạng ngày càng khan hiếm và dần trở nên cạn kiệt Ước tính trữ lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ còn đủ dùng trong 53 năm, lưu trữ lượng khí thiên nhiên dùng được khoảng 55 năm nữa và than đá là 113 năm nữa ( nếu tốc độ khai thác và tiêu thụ nhiên liệu như hiện tại) Còn ở nước ta , với tốc độ khai thác hiện nay, sẽ còn 34 năm dùng dầu mỏ ,63 năm dùng khí thiên nhiên và chỉ còn 4 năm nguồn than đá sẽ cạn kiệt

Theo dự báo của các chuyên gia, trong vòng 10 năm nữa, ít nhất 60% số lượng xe hơi đang vận hành trên thế giới sẽ sử dụng những loại nhiên liệu sạch thay vì dùng xăng. Dưới đây là 5 nhiên liệu thay thế cho xăng hoàn hảo:

Khí Hydro: Đứng trước việc dòng xe điện bị hạn chế về mặt phạm vi hoạt động do phải phụ thuộc vào các trạm sạc pin công cộng, các nhà sản xuất ô tô đang lên kế hoạch chuyển sang dùng nhiên liệu hydro Nhờ đó, xe điện có thể nạp nhiên liệu như dòng xe máy xăng/dầu thông thường Khi vào trong xe, hydro sẽ chuyển hóa năng lượng hóa học thành điện và cung cấp cho hoạt động của chiếc xe Tất cả những gì xe thải ra trong quá trình vận hành sẽ chỉ là nước và không gây ô nhiễm môi trường.

Định dạng
Số trang	76
Dung lượng	10,79 MB