Luận văn: Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ô tô hiện đại potx

Các phương pháp hình thành hòa khí trong động cơ diesel...33 Chương III: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG HIỆN ĐẠI 35 3.1... DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ

ĐỀ TÀI

“Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và

cháy trên động cơ ôtô hiện đại”

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

i Lý do lựa chọn đề tài 11

ii Mục tiêu của đề tài 11

v Phương pháp nghiên cứu 12

vi Các nội dung chính trong đồ án 12

Chương I: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH

1.1 CƠ SỞ NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN

HỢP VÀ CHÁY 13

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY 13

1.2.1 Phương pháp chụp ảnh 14

1.2.2 Phương pháp nghiên cứu quá trình cháy bằng kỹ thuật sợi 17

1.2.3 Phương pháp phân tích quá trình cháy bằng phép chụp ảnh theo lớp (TCA).20 1.2.4 Kỹ thuật đo LIF 21

Chương II: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ 25 2.1 SỰ HÌNH THÀNH HỖN HỢP (HÒA KHÍ) TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 25

2.1.1 Khái niệm sự hình thành hòa khí 25

2.1.2 Phân loại kiểu hình thành hòa khí 26

2.2 HÌNH THÀNH HÒA KHÍ TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG 26

2.2.1 Yêu cầu thành phần khí hỗn hợp động cơ xăng 26

2.2.2 Hình thành hòa khí trong động cơ phun xăng 27

2.3 HÌNH THÀNH HỖN HỢP TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL 30

2.3.1 Chất lượng tia phun và các nhân tố ảnh hưởng 30

2.3.2 Cấu trúc và sự phát triển của tia phun nhiên liệu 32

2.3.3 Các phương pháp hình thành hòa khí trong động cơ diesel 33

Chương III: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG HIỆN ĐẠI 35 3.1 HỆ THỐNG PHUN XĂNG 35

3.1.1 Đặc điểm 35

3.1.2 Phân loại 35

3.2 HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ GIÁN TIẾP EFI 35

3.2.1 Tìm hiểu chung 35

3.2.2 Các khối điều khiển của hệ thống phun xăng điện tử gián tiếp 38

3.2.3 Hệ thống L - Jetronic 40

3.3 HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI 47

3.3.1 Giới thiệu 47

3.3.2 Hình thành hỗn hợp phân lớp 49

3.3.3 Chế độ điều khiển 56

3.3.4 Phun phân lớp 57

3.3.5 Nhu cầu trong tương lai 61

Chương IV: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL 63 4.1 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DIESEL- HỆ THỐNG CDI 63

4.2.1 Hệ thống nhiên liệu EFI- Diesel 66

4.2.2 Hệ thống nhiên liệu với ống phân phối Common Rail (CRS) 73

4.2.3 Hệ thống cung cấp nhiên liệu với bơm – vòi phun kết hợp điều khiển điện tử (EUI và HEUI ) 80

Chương V: HÌNH THÀNH HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT VÀ CHÁY DO NÉN (HCCI) 89 5.1 GIỚI THIỆU 89

5.2 PHÁT THẢI ĐỘC HẠI TỪ CHẾ HCCI 90

5.2.1 NOx 90

5.2.2 PM 91

5.2.3 HC 91

5.2.4 CO 92

5.3 NHỮNG TRỞ NGẠI CƠ BẢN ĐỐI VỚI HCCI 92

5.3.1 Hình thành hỗn hợp đồng nhất 92

5.3.2 Điều khiển thời điểm tự cháy và thời gian cháy 93

5.4 CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG VÀ THÔNG SỐ ĐIỀU KHIỂN CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY HCCI 94

5.4.1 Tỷ số nén 94

5.4.2 Thay đổi pha phối khí 94

5.4.3 Nhiệt độ khí nạp 95

5.4.4 Hệ số dư lượng không khí λ 95

5.4.5 Tốc độ động cơ 95

5.4.6 Tính chất nhiên liệu 96

5.5 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHUYỂN TIẾP 96

5.6 ỨNG DỤNG CỦA CHẾ ĐỘ HCCI TRÊN ĐỘNG 98

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

……… Hưng yên, ngày … tháng … năm 2012

Giáo viên hướng dẫn:

Khổng Văn Nguyên

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

……… Hưng yên, ….ngày … tháng … năm 2012

Giáo viên phản biện:

Nguyễn Mạnh Cường

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

GDI Động cơ phun xăng trực tiếp (Gasoline Direct Injiection Engine)

EFI Phun xăng điện tử (Electronic fuel injection)

ECU Bộ điều khiển động cơ (Enginer Control Unit)

EGR Đơn vị năng lượng (Exhaust Gases Return)

A/F Tỷ lệ không khí / nhiên liệu (Air / Fuel ratio)

EDU Bộ điều khiển (Electronic Driver Unit)

ε Tỷ số nén

ECM Bộ điều khiển động cơ (Electronic control module)

φs Góc đánh lửa sớm

SPV Van điều khiển

TCV Van điều khiển thời điểm phun

CRS Hệ thống sử dụng ống phân phối (Common rail system)

EUI Điều khiển vòi phun điện tử (Electronically Controlled Unit Injector)HEUI Điều khiển vòi phun điện tử bằng thủy lực (Hydraulically Actuated

Electronically Controlled Unit Injector)

INJ Kim phun (Injiection)

ge Suất tiêu thụ nhiên liệu

TCA Hệ thống phân tích quá trình cháy

LIF Laser cảm ứng huỳnh quang (Laser Induced Fluorescence)

λ Tỷ lệ hỗn hợp không khí/nhiên liệu

VVT Van biến thiên (Variable Van Timing)

HC Hydrocacbon

FSI Dòng chảy nhiên liệu phân lớp (Fule Stratified Injection)

màng lửa với OH-LIF (phải) 22Hình 2.1 Hệ thống phun xăng đơn điểm 26Hình 2.2 Bố trí vòi phun trong hệ thống phun xăng đa điểm, gián tiếp 27Hình 2.3 Hệ thống phun xăng đa điểm 27Hình 2.4 Cấu trúc cơ bản của hệ thống phun xăng trực tiếp 28Hình 2.5 Động cơ phun xăng trực tiếp của hãng Mitsubishi 28Hình 2.6 Các đường đặc tính phun nhiên liệu 30Hình 2.7 Cấu tạo của tia nhiên liệu 31Hình 2.8 Ảnh hưởng của áp suất đến chiều dài tia phun 32Hình 2.9 Sự thay đổi các thông số của tia nhiên liệu theo thời gian phun 32Hình 3.1 Sơ đồ khối thể hiện kết cấu cơ bản của EFI 35Hình 3.2 Sơ đồ cơ bản của EFI 36Hình 3.3 Phân loại hệ thống EFI 36Hình 3.4 Sơ đồ khối cấp xăng 37Hình 3.5 Sơ đồ khối bộ điều khiển trung tâm 38Hình 3.6 Sơ đồ mạch điện hệ thống điều khiển 39Hình 3.7 Sơ đồ điều chỉnh phun nhiên liệu ở các chế độ 41Hình 3.8 Sơ đồ làm đậm khi hâm nóng 42Hình 3.9 Chức năng hiệu chỉnh hỗn hợp 43Hình 3.10 Sơ đồ hiệu chỉnh hỗn hợp 44Hình 3.11 Sơ đồ điều khiển bằng cam biến hỗn hợp 45Hình 3.12 Mô hình hiệu chỉnh khí xả CO đối vơi các xe không có cảm biến oxy hoặc cảm biến A/F 45Hình 3.13 Hệ thống phun xăng trực tiếp 46

Hình 3.15 Buồng đốt đồng nhất và phun phân lớp 48Hình 3.16 Đồ thị thể hiện giảm tổn thất nhiên liệu, cháy phân lớp 48Hình 3.17 Cung cấp nhiên liệu của động cơ GDI 48Hình 3.18 Kết cấu buồng cháy hãng FORD 49Hình 3.19 Sơ đồ các dạng buồng đốt tạo hỗn hợp phân lớp của động cơ GDI 51Hình 3.20 Sơ đồ chuyển động dòng khí nạp vào của buồng cháy Spray Guide 52Hình 3.21 Vị trí của kim phun và bugi trong kiểu buồng đốt Spray Guide 52Hình 3.22 Sơ đồ bố trí buồng cháy động cơ GDI 53Hình 3.23 Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide của Renault 53Hình 3.24 Kết cấu buồng đốt Wall – Guide 54Hình 3.25 Sơ đồ bố trí kim phun và bugi của buồng đốt Wall Guide 54Hình 3.26 Kết cấu buồng đốt kiểu Air – Guide 54Hình 3.27 Biểu đồ chế độ hoạt động của động cơ GDI 55Hình 3.28 Mô hình mô tả phun phân lớp với dạng 3 buồng đốt 57Hình 3.29 Các dạng buồng đốt tạo chuyển động dòng khí 58Hình 3.30 Buồng đốt kỹ thuật kiểu wall - guild 58Hình 3.31 Khoảng cách tia lửa trong quá trình 60Hình 4.1 Đặc tính phun dầu thường 63Hình 4.2 Đặc tính của hệ thống phun common rail 63Hình 4.3 Sơ đồ tổng quan hệ thống EFI- DIesel 65Hình 4.4 Sơ đồ lắp ECU trong hệ thống 66Hình 4.5 Hệ thống EFI- Diesel thông thường 66Hình 4.6 Bơm piston kiểu hướng trục 67Hình 4.7 Bơm piston kiểu hướng kính 67Hình 4.8 Sơ đồ tổng quan van SPV (van điều khiển) 67Hình 4.9 Sơ đồ cấu tạo van SPV thông thường 68Hình 4.10 sơ đồ nguyên lý của van SPV thông thường 68Hình 4.11 Sơ đồ cấu tạo loại van SPV hoạt động trực tiếp 69Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý của van SPV hoạt động trực tiếp 69Hình 4.13 Cấu tạo của TCV (van điều khiển thời điểm phun) 70Hình 4.14 Sơ đồ cấu tạo hệ thống nhiên liệu Diesel điện tử với ống phân phối 71Hình 4.15 Bơm cấp nhiên liệu kiểu bánh răng ăn khớp ngoài 72Hình 4.16 Bơm cao áp loại 2 piston 72Hình 4.17 Cấu tạo bơm cao áp loại ba piston 73Hình 4.18 Sơ đồ nguyên lý bơm cao áp loại 3 piston 74Hình 4.19 Bơm cao áp loại 4 piston 74Hình 4.20 Cấu tạo ống phân phối 75Hình 4.21 Bộ hạn chế áp suất 75

Hình 4.24 Quá trình thực hiện phun 78Hình 4.25 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu EUI 78Hình 4.26 Sơ đồ hệ thống dẫn động phun của EUI 80

Hình 4.28 Các giai đoạn hoạt động của vòi phun 81Hình 4.29 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu HEUI 82Hình 4.30 Cấu tạo vòi phun HEUI 83Hình 4.31 Quá trình phun của vòi phun HEUI 83Hình 5.1 Sơ đồ vùng cháy của động cơ HCCI 87Hình 5.2 So sánh phát thải NOx của các loại động cơ 89

Hình 5.3 Phân Loại quá trình hình thành hỗn hợp của HCCI 90

Hình 5.4 So sánh thời điểm phun và quy luật phun của HCCI với DI 91Hình 5.5 Sự hình thành hỗn hợp trong đơn xi lanh động cơ HCCI 91Hình 5.6 Ảnh hưởng của tỷ số nén tới quá trình cháy 92Hình 5.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp tới quá trình cháy HCCI 93

Hình 5.8 So sánh quá trình cháy của các loại nhiên liệu diesel 94Hình 5.9 So sánh quá trình cháy của nhiên liệu xăng và diesel 94

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường ĐHSPKT Hưng Yên Đến nay

chúng em đã hoàn thành chương trình Và được giao đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên

cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ô tô hiện đại”, dưới sự

hướng dẫn của thầy Th S Khổng Văn Nguyên Đến nay chúng em đã hoàn thành

Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Th S Khổng Văn Nguyên, là người đã

hướng dẫn chúng em hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn, tài liệu để chúng

em hoàn thành được đồ án này

Đồng thời chúng em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô và các bạn sinh viêntrong Khoa cơ khí động lực trường ĐHSPKT Hưng Yên giúp đỡ tạo và tạo điều kiện chochúng em hoàn thành đồ án này

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Hùng

Cao Xuân Triệu

MỞ ĐẦU

i Lý do lựa chọn đề tài

*) Tính cấp thiết của đề tài

Bước sang thế kỉ 21, sự tiến bộ về khoa học kỹ thuật của nhân loại đã bước lênmột tầm cao mới Rất nhiều những thành tựu khoa học kỹ thuật, các phát minh, sáng chếmang đậm chất hiện đại và có tính ứng dụng cao Là một quốc gia có nền kinh tế đangphát triển, nước ta đã và đang có những cải cách mới để thúc đẩy kinh tế Việc tiếp thu,

áp dụng các thành tựu khoa học tiên tiến của thế giới đang rất được nhà nước quan tâmnhằm cải tạo, đẩy mạnh phát triển các ngành công nghiệp mới, với mục đích đưa nước ta

từ một nước nông nghiệp lạc hậu thành một nước công nghiệp phát triển

Trong các ngành công nghiệp mới đang được nhà nước chú trọng, đầu tư pháttriển thì công nghiệp ôtô là một trong những ngành tiềm năng Do sự tiến bộ về khoa họccông nghệ nên quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hoá phát triển một cách ồ ạt, tỉ lệ ônhiễm nguồn nước và không khí do chất thải công nghiệp ngày càng tăng Các nguồn tàinguyên thiên nhiên như: Than, đá, dầu mỏ…bị khai thác bừa bãi nên ngày càng cạn kiệt.Điều này đặt ra bài toán khó cho ngành động cơ đốt trong nói chung và ôtô nói riêng, đó

là phải đảm bảo chất lượng khí thải và tiết kiệm nhiên liệu

Vì thế, đề tài: “Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô

hiện đại” được thực hiện nhằm phần nào bổ sung thêm nguồn tài liệu tham khảo, giúp

sinh viên thấy được bức tranh tổng quát về cấu tạo cũng như quá trình hình thành hỗnhợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại

*) Ý nghĩa của đề tài

Đề tài giúp sinh viên năm cuối khi sắp tốt nghiệp có thể củng cố kiến thức, tổng hợp và nâng cao kiến thức chuyên ngành cũng như những kiến thức ngoài thực

tế, xã hội để các sinh viên trong trường đặc biệt là sinh viên trong khoa Cơ Khí Động Lực tham khảo

Đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động

cơ ôtô hiện đại” không chỉ giúp cho chúng em tiếp cận với thực tế và tạo nguồn tài liệu

cho các bạn học sinh, sinh viên các khoá sau có thêm nguồn tài liệu để nghiên cứu, họctập

Những kết quả thu thập được sau khi hoàn thành đề tài này trước tiên là sẽ giúp chochúng em, những sinh viên lớp ĐLK8LC.1 có thể hiểu sâu hơn về quá trình hình thànhhỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại có những kiến thức cơ bản để áp dụng vàothực tế phát huy những ưu điểm mà động cơ ôtô mang lại

ii Mục tiêu của đề tài

Với yêu cầu nội dung của đề tài, mục tiêu cần đạt được sau khi hoàn thành đề tài

- Nắm được các kiến thức cơ bản về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trênđộng cơ ôtô

- Đề suất cải tiến quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô

iii Đối tượng và khách thể nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

- Ngiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ xăng hiện đại

- Ngiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ diesel hiện đại Khách thể nghiên cứu:

- Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại

iv Nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu và phân tích quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ô tôhiện đại

-Tổng hợp tài liệu trong và ngoài nước để hoàn thiện đề tài nghiên cứu của mình:

“Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại”

v Phương pháp nghiên cứu

Người nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp sau:

1 Tham khảo tài liệu

Dựa vào những tài liệu về phương pháp nghiên cứu khoa học, phương pháp giảngdạy, tài liệu chuyên nghành ôtô để có hướng nghiên cứu thích hợp

2 Phương pháp tham khảo ý kiến

3 Dịch tài liệu: chủ yếu dịch tiếng Anh từ tài liệu hướng dẫn Mixture Formation inInternal Combustion Engine

vi Các nội dung chính trong đồ án

Thuyết minh của đề tài được trình bày theo các phần như sau:

 Mở đầu

 Chương 1 Các phương pháp ngiên cứu hình thành hỗn hợp trên động cơ

 Chương 2 Tổng quan về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ

 Chương 3 Hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ xăng hiện đại

 Chương 4 Hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ diesel hiện đại

 Chương 5 Hình thành hỗn hợp và cháy do nén (HCCI)

 Kết luận và đề xuất ý kiến

Chương I: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH

là các công việc chủ yếu của việc quan sát chụp ảnh quá trình cháy Ánh sáng có thể tựphát ra từ chính khí cháy cần quan sát, hoặc nếu không thì dùng một nguồn sáng bênngoài chiếu sáng thể tích khí cần quan sát chụp ảnh

Ngày xưa người ta thường dùng phim để ghi lại hình ảnh theo nguyên lý chụp ảnhnói chung Vì quá trình cháy trong động cơ diễn ra rất nhanh nên mỗi một ảnh cũng phảiđược chụp với tốc độ rất nhanh để giảm ảnh hưởng của sự chuyển động của môi chấttrong xi lanh đến độ nét của hình ảnh Do vậy mỗi chu trình thường chỉ ghi lại được mộthình ảnh ở một vị trí góc quay trục khuỷu nào đó Muốn ghi lại một loạt hình ảnh quátrình cháy ở các góc độ quay khác nhau của trục khuỷu người ta phải thực hiện trên nhiềuchu trình động cơ ở chế độ làm việc ổn định Phương pháp này được gọi là phương phápchụp ảnh đơn tốc độ cao

Ngày nay với các thành tựu mới của khoa học công nghệ, người ta đã sử dụng các

kỹ thuật quang điện tử và kỹ thuật số để thực hiện mục đích này Với kỹ thuật này có thểghi được một cách liên tục hàng trăm bức ảnh hoặc hơn trong một giây nên có thể nhậnđược một loạt hình ảnh liên tiếp trong cùng một chu trình động cơ, tức là ta có thể xemđược diễn biến quá trình cháy trong từng chu kỳ riêng biệt Phương pháp này được gọi làphương pháp quay phim liên tục tốc độ cao

Các phương pháp chụp ảnh, ghi hình nói trên đều cần đến nguồn sáng và máyquay phim tốc độ cao

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY

Để đi sâu tìm hiểu từng kỹ thuật đo sẽ mất rất nhiều thời gian, nên ở đây sẽ chỉ trìnhbày một số kỹ thuật đo cơ bản cũng được áp dụng khá phổ biến trong quá trình tìm hiểu

về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ

1.2.1 Phương pháp chụp ảnh

Để nghiên cứu quá trình cháy một cách trọn vẹn, ngoài quan sát sự hình thành vàphát triển của màng lửa cần phải quan sát được hiện tượng phun nhiên liệu và hình thànhhỗn hợp trước khi quá trình cháy xảy ra Các quá trình phun nhiên liệu này không phátsáng nên cần phải có một nguồn sáng để chiếu sáng trong khi quan sát hoặc ghi lại hình

ảnh Hình 1.1 giới thiệu một sơ đồ thiết bị thí nghiệm điển hình được sử dụng để quan sát

chụp ảnh quá trình cháy trong động cơ diesel một xi lanh chuyên dùng cho nghiên cứu.Trong sơ đồ này, ánh sáng từ một nguồn sáng phản xạ qua một gương chiếu sáng các tianhiên liệu phun trong xi lanh động cơ Các tia nhiên liệu phun được chiếu sáng khi đóđược ghi hình bằng một máy ảnh đặt ở phía kia của xi lanh

Phương pháp chụp ảnh tốc độ cao yêu cầu buồng cháy phải được chiếu sáng vớimột cường độ sáng cao trong một khoảng thời gian rất ngắn Các đặc điểm chính củanguồn sáng được chọn là độ sáng, sự phân bố quang phổ và tốc độ lặp lại của nó

Hình 1.1 Sơ đồ thí nghiệm chụp ảnh quá trình phun nhiên liệu và quá trình cháy trong

động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp

Nguồn sáng có thể chiếu sáng liên tục hoặc chiếu sáng ở dạng xung tuỳ theo yêucầu chụp ảnh đơn hay ghi hình liên tục Nguồn sáng dạng xung được sử dụng trong chụp ảnh đơn, trong trường hợp này các xung ánh sáng với độ dài xung rất ngắn quyết định độphân giải của hệ thống và cho phép sử dụng được các máy ảnh có tốc độ chậm hơn vì khi

đó thời gian ghi ảnh được quyết định bởi độ dài xung chiếu sáng Các đèn xung laser có

độ dài xung rất ngắn tới 20 (ns)

Có hai loại đèn chiếu sáng liên tục trong vùng quang phổ nhìn thấy là đèn halogenvolfram thạch anh và đèn tròn một chiều trong đó loại thứ nhất có năng lượng lớn và khảnăng chiếu sáng rộng nên được dùng rộng rãi hơn Trong trường hợp dùng nguồn sángliên tục thì thời gian ghi một ảnh được quyết định bởi tốc độ máy ảnh (tức là = 1/số ảnhtrong một giây)

Nhìn chung các máy ảnh tốc độ cao đều trang bị các nguồn sáng phát xung ngắn(vài micro giây) nên có thể chụp được các bức ảnh tức thời và tăng được độ nét của ảnh

Với mục đích nghiên cứu quá trình cháy, người ta thường dùng nguồn sáng laser

vì nó có năng lượng cao và độ dài xung rất ngắn

Tuỳ theo yêu cầu quan sát chụp ảnh các hiện tượng trong buồng cháy mà người ta

có cách bố trí hệ thống thiết bị chụp ảnh khác nhau

Phương pháp bố trí thiết bị như trên hình 1.2 dùng để quan sát chụp ảnh quá trình

phun nhiên liệu và quá trình cháy phát triển theo phương hướng kính của xi lanh từ tâmvòi phun Cách bố trí như trên có thể quan sát được cả hiện tượng chuyển động xoáy củamôi chất trong quá trình phun nhiên liệu và cháy Để thực hiện được yêu cầu chụp ảnhnày, piston phải có kết cấu kéo dài đặc biệt và đỉnh piston phải bằng vật liệu trong suốt

và đặt các gương phản chiếu cố định phía dưới như trên hình 1.2 Nhược điểm của

phương pháp bố trí như trên là vật liệu trong suốt trên đỉnh piston rất nhanh bị đục domuội than bám dính vào Hơn nữa, dùng hai gương như trên dễ làm cho hình ảnh bị rung

và do đó độ nét của ảnh bị ảnh hưởng

Hình 1.2 Quan sát quá trình phun nhiên liệu và cháy từ phía trên nắp xi lanh

Để quan sát chụp ảnh các phần cơ bản nào đó của buồng cháy thì có thể bố trí sơ

đồ thiết bị như trên hình 1.2 với cửa sổ quan sát bằng vật liệu trong suốt đặt trên nắp

máy Kết cấu bố trí như trên đơn giản hơn phương pháp chụp ảnh từ dưới lên như trên

hình 1.1 và độ cứng vững của hệ thống gương cũng cao hơn nên độ nét của hình ảnh tốt

hơn Tuy nhiên cách bố trí này chỉ bố trí được cửa sổ nhỏ nên không quan sát được toàn

bộ buồng cháy

Sơ đồ bố trí trên hình 1.3 không cần gương phản chiếu nên độ cứng vững của hệ

cho phép quan sát được cả diễn biến quá trình cháy theo phương dọc xi lanh Tuy nhiên

sơ đồ này không cho phép quan sát được đặc điểm quá trình phun và cháy trên toàn bộtiết diện ngang buồng cháy Chính vì vậy phương pháp này thường áp dụng cho việcquan sát chụp ảnh quá trình phun nhiên liệu và cháy đối với động cơ có buồng cháythống nhất dùng vòi phun có các lỗ phun đối xứng và phun chính tâm xi lanh

Hình 1.3 Quan sát chụp ảnh quá trình cháy theo phương ngang quá buồng cháy

Các phương pháp bố trí và lắp đặt thiết bị quan sát và chụp ảnh buồng cháy như

mô tả ở trên có ưu điểm là cửa sổ quan sát rộng nhưng yêu cầu phải thay đổi nhiều về kếtcấu xi lanh, piston hoặc nắp xi lanh Do vậy, để khắc phục các khó khăn này, ngày nayngười ta dùng thiết bị nội soi thay thế cho các ống kính lớn trước kia Thiết bị này chỉ cầnkhoan một cửa sổ rất nhỏ vào buồng cháy để đưa được một đèn nội soi vào Đèn nội soi

là bộ phận chính của thiết bị, đường kính chỉ đến 5(mm), tức là bằng đường kính của cáccảm biến đo áp suất khí thể trong xi lanh Đèn nội soi thường được làm lám bằng nướcđối lưu cưỡng bức để có thể làm việc lâu dài trong môi trường nhiệt độ cao trong buồngcháy Hình ảnh thu được từ đầu nội soi được truyền đến một máy ảnh tốc độ cao để ghi

lại Hình 1.4 giới thiệu sơ đồ khối của hệ thống thiết bị đo và sơ đồ lắp đặt đầu nội soi

trong động cơ Đầu quan sát có góc nhìn 80o và phương nhìn tuỳ theo kết cấu (ở đây là

30o so với trục của nó)

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống chụp ảnh buồng cháy dùng thiết bị nội soi

Tín hiệu hình ảnh thu được bởi máy ảnh CID sẽ được số hoá và được lưu giữ trênmáy vi tính PC và từ đó có thể xử lý tiếp

1.2.2 Phương pháp nghiên cứu quá trình cháy bằng kỹ thuật sợi

1.2.2.1 Khái niệm về công nghệ sợi quang

Nguyên lý truyền sáng tin bằng sợi quang đã được sử dụng khá phổ biến trongngành sáng tin Trong nghiên cứu động cơ đốt trong hiện nay người ta cũng đã sử dụng

kỹ thuật này trong kỹ thuật đo và truyền dữ liệu ra ngoài, ví dụ như áp dụng trong đo ápvới cảm biến áp suất quang học như đã giới thiệu trong chương trước Trong phần nàygiới thiệu phương pháp nghiên cứu hình ảnh quá trình cháy bằng kỹ thuật sợi quang

Hình 1.5 giới thiệu sơ đồ và nguyên lý truyền dẫn ánh sáng của một cáp quang.

Cáp quang gồm có lõi bằng sợi quang và lớp vỏ bọc Trên bề mặt phân cách giữa lớp vỏbọc và mặt lõi có tráng một lớp bảo vệ phản xạ ánh sáng Ánh sáng đi vào cáp quang từphía đầu dưới một góc côn và bị phản xạ bên trong cáp như được chỉ ra trên hình vẽ và

do vậy ánh sáng được truyền dẫn bởi cáp quang với hiệu quả rất cao và có thể đi xa

Hình 1.5 Sơ đồ một cáp quang

Độ lớn góc côn nhận ánh sáng của cáp quang phụ thuộc vào kết cấu và vật liệu của

nó, ví dụ đối với cáp quang silica thì góc côn nhận ánh sáng bằng khoảng 25o

1.2.2.2 Lắp đặt đầu đo cáp quang

Để quan sát được các hiện tượng xảy ra trong buồng cháy, các đầu quang học

được lắp trên thành buồng cháy như chỉ ra trên sơ đồ trên hình 1.6 Để bảo vệ cho các cáp

quang khỏi bị ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ cao trong xi lanh, người ta lắp một thanhsaphire vào đầu quang học và tiếp xúc trực tiếp với khí cháy thay cho đầu cáp quang.Thanh saphire này không tiếp xúc trực tiếp với đầu cáp quang mà cách một khoảng nhỏ

để tránh ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ khí thể đến đầu cáp quang như đã nói Vớicách bố trí lắp đặt như trên, góc nhìn của đầu đo bị không chế ở khoảng 2 đến 12o

Hình 1.6 Sơ đồ lắp đặt đầu quang học dùng cáp quang

Dùng đầu đo cáp quang để nghiên cứu quá trình cháy có ưu điểm là không cầnphải thay đổi kết cấu động cơ nhiều như các phương pháp chụp ảnh qua các cửa sổ quanghọc vì các đầu đo cáp quang có đường kính rất nhỏ, chỉ khoảng vài milimét nên chỉ cầnkhoan và lắp đặt lên thành buồng cháy tương tự như lắp đặt các cảm biến áp suất khí thể

đã giới thiều ở chương trước Hơn nữa vì các đầu đo nhỏ và dễ dàng lắp đặt nên có thểđặt nhiều đầu đo ở các vị trí khác nhau trên thành buồng cháy để nghiên cứu sự hìnhthành các tâm cháy và lan tràn màng lửa trong buồng cháy Thậm chí các đầu đo quang

học có thể được lắp đặt trên bugi hay trên xu páp của động cơ

Hình 1.7 Sơ đồ một bugi lắp 8 đầu quang học dùng cáp quang Hình 1.7 giới thiệu sơ đồ các bugi có lắp các đầu quang học dùng cáp quang Mỗi

bu gi lắp 8 đầu quang học để quan sát nghiên cứu sự hình thành các tâm cháy và sự pháttriển của màng lửa

Sơ đồ hình 1.7 (a) là một bugi tiêu chuẩn, xung quang cực giữa người ta khoan 8

lỗ để lắp 8 đầu quang học Việc khoan 8 lỗ này đòi hỏi công nghệ khoan phải chính xác

vì nếu có một sai sót nhỏ có thể gây hiện tượng lọt điện từ cực giữa sang mát làm hỏngbugi Để khắc phục khó khăn này và cải thiện chất lượng lắp đặt các đầu quang học,người ta có thể chế tạo một bugi đặc biệt để lắp các đầu quang học xung quanh một cách

dễ dàng như sơ đồ hình 1.7 (b) Bugi này có phần thân phải khoan lỗ đặt đầu quang học

ngắn hơn bugi tiêu chuẩn, cực giữa được làm rời và được lắp vào thân bugi bằng ren Cáccáp quang trong đầu quang học được bảo vệ khỏi ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ caocủa khí thể bằng các đầu saphire Đầu kia của các cáp quang được nối với một ống nhânquang Một khi tín hiệu ra của ống nhân quang vượt quá một giá trị nhất định thì thời

và xử lý trên máy vi tính để đánh giá sự hình thành các trung tâm cháy và sự lan trànmàng lửa

1.2.3 Phương pháp phân tích quá trình cháy bằng phép chụp ảnh theo lớp (TCA)

Hệ thống cáp quang nhiều đầu đo như giới thiệu ở trên cung cấp cho ta thông tin

về cường độ bức xạ của ngọn lửa nhờ một số lượng lớn các đầu quang học, mỗi đầu quansát một góc nhỏ của không gian buồng cháy Tuy nhiên trong trường hợp này cần phảilắp đặt các đầu quang học xung quanh buồng cháy, kể cả trên nắp xi lanh, trên thành xilanh và trên piston Nếu dùng bugi đặt nhiều đầu quang học thì tránh được việc thay đổi

về động cơ nhưng thông tin nhận được bị hạn chế chỉ ở vài điểm mà các đầu quang họcnhìn tới được Để khắc phục các nhược điểm của các phương pháp nói trên, người ta cóthể dùng hệ thống phân tích quá trình cháy bằng phép chụp theo lớp Phương pháp nàyquan sát sự lan tràn màng lửa nhờ các đầu quang học dùng cáp quang đặt trong đệm làmkín của nắp xi lanh

Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống phân tích quá trình cháy kiểu chụp ảnh phân lớp

Nguyên lý chụp ảnh của hệ thống phân tích quá trình cháy bằng phương phápchụp ảnh theo lớp khác với các kỹ thuật chụp ảnh khác đã nói ở trên Các đầu quang họctrong hệ thống quan sát được đặt hoặc hướng tâm dọc theo thành xi lanh, hoặc song songvới nhau Chúng đo thời gian đến của màng lửa theo góc nhìn của mỗi một đầu quanghọc, từ đó có thể tính được đường bao của màng lửa Hệ thống TCA vẫn dựa trên việcphát hiện bức xạ ngọn lửa dọc theo góc nhìn của mỗi một đầu quang học, nhưng các đầuquang học được bố trí theo cách mà phương nhìn của các đầu quang học khác nhau cắtnhau Hình ảnh ngọn lửa được tính toán từ tín hiệu đo của tất cả các đầu quang học nhờ

kỹ thuật dựng lại theo phương pháp chụp ảnh phân lớp Số lượng các điểm cắt nhau củaphương nhìn của các đầu quang học quyết định độ phân giải của hệ thống

Sơ đồ bố trí hệ thống TCA được giới thiệu trên hình 1.8 Nó bao gồm một đệm

nắp máy có gắn các đầu đo dùng cáp quang Một hệ thống TCA tiêu chuẩn bao gồm 100đầu quang học được chia thành các nhóm, mỗi nhóm có đến 5 đầu quang học và dùngchung một thấu kính hội tụ để giảm góc nhìn từ 30o xuống 4o như giới thiệu trên sơ đồ

hình 1.9 Khi một hệ thống như trên được sử dụng cho một buồng cháy có đường kính xi

lanh 80(mm) thì độ phân giải cục bộ vào khoảng 8(mm) chiều rộng và 4(mm) chiều dày.Người ta sử dụng các cáp quang truyền tín hiệu cực ngắn U(V) và các diot quang họccảm nhận tín hiệu cực ngắn U(V) để có thể làm việc được với toàn bộ quang phổ bức xạtrong quá trình cháy Các tín hiệu ra từ các bộ khuyếch đại được ghi lại trên máy ghi dữliệu đa năng đa kênh

Hình 1.9 Bộ phận quang học để hạn chế góc nhìn của đầu quang học

1.2.4 Kỹ thuật đo LIF

1.2.4.1 Nguyên lý đo LIF

LIF hay huỳnh quang cảm ứng laser (LIF-Laser Induced Fluorescence) là mộtphương pháp đo quang học dựa trên sự phát sáng tức thời của các phân tử hoặc nguyên tử

sau khi hấp thụ ánh sáng laser có bước sóng thích hợp Hình 1.10 minh họa nguyên lý đo

LIF

Hình 1.10 Nguyên lý phương pháp đo LIF

Để tạo ra hiện tượng phát sáng cảm ứng laser người ta gây ra một chớp sáng rấtngắn (kéo dài khoảng 15 ns) làm kích thích các phần tử thay đổi trạng thái gốc Nhữngđiện tử được kích thích sẽ trở lại trạng thái gốc sau một khoảng thời gian nhất định phụ

thuộc vào loại phân tử Sự thay đổi trạng thái gốc của mỗi loại phân tử phụ thuộc vàochiều dài của bước sóng kích thích Vì vậy qua sự thay đổi chiều dài bước sóng, có thểlựa chọn và phân loại phân tử Cường độ ánh sáng phát ra là thước đo trực tiếp cho nồng

độ của loại khí Thời gian mà ánh sáng phát ra được đo là rất ngắn, chỉ khoảng 200(ns)nên ánh sáng của sự cháy không gây ảnh hưởng đến việc đo

1.2.4.2 Ứng dụng của phương pháp đo LIF

Phương pháp LIF được ứng dụng phổ biến để nghiên cứu sự lan tràn màng lửanhờ xác định mật độ của gốc OH

Dưới đây là một ví dụ về ứng dụng phương pháp đo LIF để chẩn đoán quá trìnhcháy trong động cơ đánh lửa sử dụng nhiên liệu khí (gas-IC-engines)

Để thực hiện nhiệm vụ đo này, một động cơ nghiên cứu 1 xi lanh với sự tiếp cậnquang được lắp đặt ở viện động cơ đốt trong thuộc trường Đại học Công nghệ Graz Áo.Động cơ này có đặc điểm bố trí tương đương với động cơ xe hiện đại với vòi phun trựctiếp trong khi cung cấp sự tiếp cận quang rộng rãi thông qua một tấm thủy tinh thạch anh

và một cửa sổ trên piston Để đạt được một sự so sánh tốt với một động cơ tiêu chuẩn thìphải vận hành động cơ theo quá trình cháy ở mức áp suất đỉnh lên tới 60 (bar)

+ Ứng dụng LIF để đo hình thành hỗn hợp:

Thật khó tưởng tượng khi có sự kích thích trực tiếp phân tử hydro bằng cácphương pháp chiếu sáng laser, do đó thật cần thiết phải thêm vào một chất chỉ thị vớinhiên liệu cái mà cung cấp mật độ huỳnh quang cao trong khi không làm thay đổi đặctính của nhiên liệu Sự lựa chọn đúng chất chỉ thị sẽ là rất quan trọng cho sự thành côngcủa phương pháp này

Do đó, Triethylamine (TEA) được chọn là một chất chỉ thị được pha trộn với hydro ở 200 (ppm), cho phép nó được sử dụng đến một áp suất tối đa là 200 (bar) trong khi vẫn còn cung cấp một tín hiệu mạnh Ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ lên tín hiệu là khá thấp đối với chất chỉ thị này, do đó tạo điều kiện thuận lợi cho các phép đo dưới điều kiện động cơ Đối với nghiên cứu này, thật cần thiết để cung cấp một hỗn hợp đồng nhất trong xi lanh với tỷ lệ không khí/nhiên liệu đã biết, cái mà

có thể đạt được bằng việc phun một lượng xác định của hỗn hợp hydro/chất chỉ thị vào cổ hút Thực hiện đối với mỗi góc quay trục khuỷu tương ứng cho phép hiệu chuẩn những hình ảnh phun trực tiếp, trong khi đồng thời bù trừ cho ảnh hưởng như không đồng nhất của tia laser, sự biến màu của tiếp cận quang và sự ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ Kết quả là những hình ảnh thu nhỏ về tỉ lệ không khí/nhiên liệu cái mà có thể được sử dụng cho một sự tối ưu hóa trực tiếp quá trình hình thành hỗn hợp và sự xác nhận mô hình CFD

+ Ứng dụng LIF để phân tích quá trình cháy

Ứng dụng LIF cho việc phân tích quá trình cháy là cần thiết Một mặt có thể hình dung ngọn lửa bằng sử dụng chất chỉ thị trong nhiên liệu, sau đó nó được đốt cháy cùng với nhiên liệu và do đó đánh dấu vùng đốt cháy bằng sự biến mất của tín hiệu huỳnh quang Tuy nhiên, phương pháp này được giới hạn đo với một sự phân

bố hỗn hợp đồng nhất của chất chỉ thị và nhiên liệu trong buồng cháy

Trong trường hợp này, một sự hiển thị trực tiếp ngọn lửa có thể đạt được bằng việc kích thích những phân tử hình thành trong quá trình cháy, từ đó dẫn đến áp dụng phương pháp OH-LIF Phương pháp này tăng một cách đáng kể nhu cầu về thiết bị đo, cả hai phương pháp được sử dụng song song trong những nhiệm vụ đo

Tóm lại, quan sát hình ảnh quá trình cháy và ngọn lửa trong động cơ đốt trongthường được thực hiện để hiểu rõ hơn bản chất của quá trình lan tràn màng lửa, cơ chếcủa sự cháy kích nổ trong động cơ xăng, và đặc điểm quá trình phun nhiên liệu và cháykhuyếch tán trong động cơ diesel Kỹ thuật quan sát hình ảnh sử dụng động cơ chuyêndùng trong nghiên cứu đã được áp dụng rộng rãi trong nghiên cứu quá trình cháy củađộng cơ vì nó đơn giản và dễ thực hiện Các kỹ thuật tiên tiến hơn như hệ thống nội soi,

hệ thống đầu quang học dùng cáp quang, kỹ thuật đo LIF áp dụng cho động cơ đánh lửa

sử dụng nhiên liệu thể khí là một ví dụ điển hình trong phương pháp đo laser quang học.Thông qua ví dụ minh họa này, có thể nắm bắt được một cách thức đo đạc quá trình hìnhthành hỗn hợp và cháy diễn ra trong động cơ và kết quả đạt được từ đo đạc là cơ sở để

một cách dễ dàng với sự thay đổi tối thiểu về kết cấu động cơ Hiện nay với sự phát triểncủa công nghệ thông tin và các kỹ thuật xử lý tiên tiến, việc quan sát, chụp ảnh và phântích hình ảnh quá trình cháy được thực hiện rất dễ dàng ngay trên các động cơ thươngmại bình thường Trong số các thiết bị này, hệ thống thiết bị chụp ảnh 513D của hãngAVL của cộng hoà Áo, được sử dụng rộng rãi

Chương II: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ

CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ

2.1 SỰ HÌNH THÀNH HỖN HỢP (HÒA KHÍ) TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.1.1 Khái niệm sự hình thành hòa khí

Hình thành hòa khí là quá trình tạo ra hỗn hợp giữa nhiên liệu và không khí cóthành phần thích hợp với từng chế độ làm việc của động cơ Hỗn hợp đó gọi là hòa khí.Hình thành hòa khí có ảnh hưởng quyết định đến quá trình cháy, qua đó đến tính kinh tế,tính hiệu quả, độ êm dịu và chất lượng khí thải của động cơ

Tỷ lệ không khí với nhiên liệu được gọi là thành phần hoà khí Thành phần hoàkhí được đánh giá theo một trong 2 chỉ tiêu sau đây:

* Hệ số dư lượng không khí:

0

.L G

Gkk- lưu lượng không khí thực tế cấp cho động cơ ở một chế độ cụ thể, kg/s

Gnl - lưu lượng nhiên liệu cấp cho động cơ ở một chế độ cụ thể kg/s

L0- lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoà toàn 1kg nhiên liệu, kg/kg

* Tỷ lệ không khí và nhiên liệu ( Air/ Fuel ratio – viết tắt là A/F):

nl

kk

kg

G F A

1 / 

Trong quá trình làm việc động cơ đòi hỏi thành phần hoà khí ở mỗi chế độ làmviệc khác nhau

* Tỷ lệ hòa khí của động cơ:

- Ở chế độ làm việc khởi động ở chế độ làm việc thấp (00C) thì tỷ lệ không khí vànhiên liệu (A/FR) là 1:1

- Ở chế độ làm việc khởi động ở chế độ nhiệt độ thường (200C) thì tỷ lệ không khí

và nhiên liệu là 5:1

- Ở chế độ làm việc không tải thì tỷ lệ không khí và nhiên liệu là 11:1

- Ở chế độ làm việc chạy chậm thì tỷ lệ không khí và nhiên liệu là 12- 13:1

- Ở chế độ làm việc tăng tốc thì tỷ lệ không khí và nhiên liệu là 8:1

- Ở chế độ làm việc với công suất cực đại thì tỷ lệ không khí và nhiên liệu là 13:1

12 Ở chế độ làm việc với tốc độ trung bình thì tỷ lệ không khí và nhiên liệu là 1612 18:1

16-Sự hình thành hòa khí có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng quá trình cháy, do

đó ảnh hưởng đến tính kinh tế, tính hiệu quả, độ êm dịu và mức độ độc hại của khí thải của động cơ

Quá trình hình thành hòa khí bao gồm các quá trình lý hóa phức tạp, đan xen hoặc

kế tiếp nhau tùy theo loại động cơ

2.1.2 Phân loại kiểu hình thành hòa khí

- Theo loại nhiên liệu:

Hình thành hòa khí trong động cơ xăng

Hình thành hòa khí trong động cơ diesel

- Theo vị trí hình thành hòa khí:

Hình thành hòa khí bên trong xi lanh

Hình thành hòa khí bên ngoài xi lanh

- Theo tính chất của hòa khí:

Hình thành hòa khí đồng nhất

Hình thành hòa khí không đồng nhất

2.2 HÌNH THÀNH HÒA KHÍ TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG

2.2.1 Yêu cầu thành phần khí hỗn hợp động cơ xăng

Muốn cho hoà khí có chất lượng để đảm bảo cho động cơ làm việc tốt thì quá trìnhtạo hỗn hợp trong động cơ xăng phải thoả mãn những yêu cầu sau:

Tỷ lệ giữa không khí và xăng thể hiện qua hệ số dư lượng không khí  hoặc A/Fphải thích hợp nhất đối với từng chế độ làm việc của động cơ Trong phạm vi thay đổirộng về tốc độ và phụ tải, giới hạn thay đổi của thành phần hoà khí trong động cơ xăngdùng Bộ chế hòa khí (BCHK) nằm trong phạm vi từ min = 0,3 đến ma x = 1,2 hoặc tínhtheo A/F là 1:1 đến 22:1

Xăng chứa trong hỗn hợp phải giúp cho quá trình cháy phát triển tốt nhất, nghĩa làxăng phải ở trạng thái hơi Phần xăng còn lại ở thể lỏng chưa kịp bốc hơi phải là nhữnghạt xăng có đường kính nhỏ

Hỗn hợp trong toàn bộ thể tích buồng cháy của mỗi xi lanh phải có thành phầnnhư nhau Với yêu cầu đó, trên một số động cơ nhiều xi lanh người ta dùng các bộ chếhoà khí 2 họng

Số lượng và thành phần hoà khí trong các xi lanhcủa động cơ nhiều xi lanh phảinhư nhau

2.2.2 Hình thành hòa khí trong động cơ phun xăng

Trong hệ thống phun xăng, xăng được phun vào động cơ với áp suất khoảng 3 ÷ 4bar đối với loại phun vào đường ống nạp và 40 bar với loại phun trực tiếp vào xy lanh

Do được phun ra với áp suất cao và định lượng chính xác bằng điều khiển điện tử, nênxăng được xé nhỏ, bay hơi và hòa trộn rất tốt với không khí tạo thành hòa khí Có hai loại

là phun gián tiếp và phun xăng trực tiếp vào xy lanh

Loại phun xăng gián tiếp được sử dụng rất rộng rãi và được chia làm loại phun xăngđơn điểm và phun xăng đa điểm

2.2.2.1 Hệ thống phun xăng đơn điểm

Hình 2.1 Hệ thống phun xăng đơn điểm

1 Bơm; 2 Lọc; 3 Bộ ổn áp; 4 Vòi phun điện từ;5 Cảm biến khí nạp( Cảm biến gió);

6 Van khí nạp không tải;7 Cảm biến bướm ga; 8 Bộ điều khiển điện tử; 9 Bướm ga;10 Tín hiệu tốc độ vòng quay động cơ; 11 Tín hiệu nhiệt độ động cơ;12 Cảm

biến thành phần hỗn hợp λ

Theo phương án này, xăng được phun vào ống nạp chung để cung cấp hỗn hợpcho các xy lanh Toàn bộ động cơ chỉ có một vòi phun ở đường ống nạp chung cho tất cảcác xy lanh Về mặt nguyên tắc có thể sử dụng các phương pháp phun liên tục hay phungián đoạn Vòi phun được bố trí ngay trên bướm ga, tại đây vận tốc dòng không khí lớnnhất tạo điều kiện tốt cho quá trình xé tơi xăng và hoà trộn với không khí

Bộ điều khiển điện tử (ECU) 8 nhận tín hiệu từ các cảm biến khác nhau trên động

cơ, trong đó thông số điều khiển chính là lưu lượng không khí nạp qua cảm biến khí nạp( cảm biến gió) Tín hiệu dòng điện tỷ lệ với lưu lượng không khí nạp sẽ phản ánh đến bộđiều khiển, qua đó điều khiển lượng nhiên liệu phun ở vòi phun 4 Ngoài ra, bộ điềukhiển còn nhận các tín hiệu khác như trình bày trên hình vẽ để thực hiện các chức năngnhư làm đậm khi hâm nóng máy, khi tăng tốc, không tải

Hệ thống phun xăng đơn điểm là trạng thái trung gian giữa hệ thống nhiên liệu dùng

bộ chế hòa khí và hệ thống nhiên liệu sử dụng phun xăng đa điểm (Multi Point Injection)

2.2.2.2 Hệ thống phun xăng đa điểm

Hình 2.2 Bố trí vòi phun trong hệ thống phun xăng đa điểm, gián tiếp

Trong hệ thống phun đa điểm, mỗi xi lanhmột vòi phun bố trí ngay trước xuppápnạp

Hệ thống phun nhiều điểm so với hệ thống phun trung tâm có ưu điểm là xăngđược phun vào xuppáp là nơi có nhiệt độ cao nên điều kiện bay hơi tốt hơn và tránh đượchiện tượng đọng bám xăng trên thành ống nạp Tuỳ theo tính chất phun người ta còn phânbiệt hệ thống phun xăng liên tục hay gián đoạn Ngoài ra, theo thiết bị điều khiển có thểphân biệt hệ thống phun xăng điều khiển cơ khí, điện tử hay cơ khí- điện tử

Hình 2.3 Hệ thống phun xăng đa điểm

1 Không khí nạp; 2 Cảm biến khí nạp( Cảm biến gió; 3 Bướm hỗn hợp; 4 Xupap nạp;

5 Vòi phun; 6 Tín hiệu điều khiển phun; 7 Bộ điều khiển phun xăng;8 Các tín hiệu cảm

biến vào bộ xử lý; 9 Xăng từ bơm chuyển

Trong các động cơ phun xăng điện tử phun gián tiếp, hoà khí được hình thành ở cổhút, trước xuppap hút Thành phần hoà khí được quyết định bởi lượng nhiên liệu phun rakhỏi các vòi phun xăng (tuỳ theo phương pháp phun) căn cứ vào các tín hiệu gửi về bộđiều khiển điện tử trung tâm (còn gọi là ECU, ECM, hay máy tính của ôtô), trong đó 2 tínhiệu quan trọng nhất là: mức tải của động cơ và tốc độ động cơ Lượng nhiên liệu phun rakhỏi vòi phun xăng được quyết định bởi thời gian mở vòi phun theo xung điều khiểnphun từ ECU gửi ra, áp suất xăng thường trực ở vòi phun và lưu lượng của vỏi phun Để

xác định lượng khí nạp (gió) làm cơ sở cho viêc điều khiển phun xăng có thể sử dụng cáccảm biến khí nạp khác nhau

2.2.2.3 Hệ thống phun xăng trực tiếp

Ở động cơ phun xăng trực tiếp quá trình hình thành hòa khí được thực hiện bêntrong xi lanhXăng được phun trực tiếp vào xi lanhvới áp xuất cao 40 bar nên rất tơi Tiếp

đó lại được sấy nóng bởi các chi tiết trong buồng cháy và khí sót nên nhanh chóng bayhơi và hòa trộn tạo thành hòa khí

Hình 2.4 Cấu trúc cơ bản của hệ thống phun xăng trực tiếp

Để đốt được hòa khí nghèo nhằm mục đích giảm tiêu thụ nhiên liệu và khí độc hạitrong khí thải người ta sử dụng phương pháp hình thành hòa khí phân lớp (StrafiedMixture Formation) Bản chất của phương pháp này là tổ chức hình thành hòa khí saocho tạo sự phân bố không đồng nhất (phân bố lớp) của hòa khí, bugi đánh lửa được bố trítại vị trí sao cho khi bật tia lửa điện thì hòa khí tại đây có  = 0,85 - 0,95 để dễ bén lửa tốtnhất, phần hòa khí này sau khi bốc cháy sẽ làm mồi để đốt phần hòa khí còn lại có  lớnhơn (hòa khí siêu nghèo)

Hình 2.5 Động cơ phun xăng trực tiếp của hãng Mitsubishi

1 Đường ống nạp;2,4 Các xuppáp;3 Bugi; 5 Vòi phun; 6 Buồng cháy

Hình 2.5 mô tả phương pháp hình thành hòa khí bằng cách phun trực tiếp vào động cơ

xăng của hãng Mitsubishi áp dụng phương pháp hình thành hòa khí phân lớp ở chế độkhông tải 50 %

Khi đó xăng được phun vào cuối quá trình nén, do ảnh hưởng của hình dạng buồngcháy trên đỉnh piston tạo thành đám mây hòa khí không đồng nhất bốc lên tới bugi, tạiđây hòa khí đạt giá trị dễ bén lửa Để điều chỉnh tải ở chế độ này, người ta chỉ thay đổilượng nhiên liệu phun vào buồng cháy, còn lượng không khí nạp giữ không đổi (giốngnhư động cơ điêzen gọi là điều chỉnh chất)

Còn khi động cơ làm việc từ 50 % tải đến toàn tải, xăng được phun vào đầu quátrình nạp Khi đó xăng bay hơi và hòa trộn với không khí trong xi lanhtạo thành hòa khítrong suốt quá trình nạp và nén nên có thể coi là đồng nhất Để điều chỉnh tải trọng ở chế

độ này người ta sử dụng bướm ga để điều chỉnh hỗn hợp giống như ở động cơ phun xănggián tiếp vào đường ống nạp

2.3 HÌNH THÀNH HỖN HỢP TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL

Cũng giống như động cơ xăng, hình thành hòa khí trong động cơ điêzen gồm 3 quátrình cơ bản là xé nhỏ, bay hơi nhiên liệu và hòa trộn tạo thành hòa khí Ba quá trình nàyxảy ra đan xen có tác dụng tương hỗ với nhau, trong đó quá trình bay hơi diễn ra suốt quátrình hình thành hòa khí

Sự hình thành hòa khí trong động cơ điêzen có đặc thù riêng với vai trò quyết địnhcủa việc phun nhiên liệu vào xi lanhtrong cuối quá trình nén

2.3.1 Chất lượng tia phun và các nhân tố ảnh hưởng

Chất lượng phun biểu thị bằng độ phun nhỏ (phun tơi) và độ phun đều

Độ phun nhỏ được đánh giá bằng đường kính trung bình của hạt r tb Giả thiết cáchạt đều có dạng cầu Khi xác định đường kính trung bình của hạt cần đảm bảo điều kiệnthời gian bay hơi của hạt trung bình giả định và của toàn bộ các hạt trong tia là như nhau

mà thời gian này phụ thuộc vào tỉ số giữa diện tích xung quanh và thể tích hạt nhiên liệu.Điều kiện trên thể hiện qua biểu thức:

V r

F

V

n n

tb

tb tb

1

1

3

: Tổng diện tích mặt ngoài của tất cả các hạt

Độ phun đều là đại lượng đặc trưng cho mức độ đồng đều về kích thước hạt đối vớiphương pháp hòa khí hỗn hợp thể tích yêu cầu độ phun nhỏ và độ phun đều cũng phảicao Trên đồ thị đặc tính phun nhiên liệu, trục hoành biểu thị bán kính hạt r, trục tungbiểu thị giá trị hàm f là tỉ lệ (%) số hạt có bán kính r trên tổng số tất cả các hạt

Hình 2.6 Các đường đặc tính phun nhiên liệu

Đường 1: Thể hiện vừa nhỏ vừa đều

Đường 2: Không nhỏ và không đều

Đường 3: Không nhỏ nhưng đều

Như vậy, hai nhánh của đặc tính càng dốc hoặc hiệu số giữa rmin và r max càng nhỏthì độ phun đều càng tốt, đỉnh đặc tính càng gần trục tung thì độ phun nhỏ càng cao Đặc tính phun cũng có thể biểu thị thông qua đường đặc tính tổng tương đối thể

hiện tỉ số tương đối e =

Tăng mật độ không khí làm tăng sức cản nên nhiên liệu bị xé nhỏ và đêu hơn Tuynhiên áp suất trong buồng cháy động cơ điêzen cuối kỳ nén chỉ thay đổi trong phạm vi

30 ÷ 50 bar nên ít ảnh hưởng tới chất lượng phun

Sức căng mặt ngoài, độ nhớt của nhiên liệu càng lớn làm cho lực cản khi xé nhỏtăng nên độ phun nhỏ và độ phun đều càng giảm

Đường kính lỗ phun càng nhỏ mép lỗ phun sắc cạnh thì hạt càng nhỏ và đều

Khi tăng tốc độ động cơ tốc độ nhiên liệu qua lỗ phun nhỏ và đều Đối với hệ thốngnhiên liệu điều khiển lượng nhiên liệu cung cấp tại bơm cao áp, khi đó áp suất phun cũngtăng nên chất lượng phun càng được cải thiện

2.3.2 Cấu trúc và sự phát triển của tia phun nhiên liệu

Hình 2.7 Cấu tạo của tia nhiên

liệu

a Mật độ dọc tia

b Hình dạng tia

c Mật độ trong tiết diện

ngang của tia

d Tốc độ trong tiết diện ngang

Sau khi ra khỏi lỗ phun, dòng nhiên liệu

bị xé nhỏ và tạo thành tia Những phần tửnhiên liệu ra đầu tiên gặp sức cản khí động rấtlớn nên tốc độ của nó giảm rất nhanh Nhữngphần tử nhiên liệu ra sau chịu sức cản nhỏ hơnnên tốc độ giảm chậm và đuổi kịp và gạtnhững phần tử đi trước sang hai bên để đi vàomũi tia Vì vậy, về cấu trúc tia nhiên liệu chiathành hai phần là lõi và vỏ tia

Hình 2.8 Sự thay đổi các thông số

của tia nhiên liệu theo thời gian

phun

Trong quá trình phun, các thông số hìnhdọc của tia đều biến đổi, trong đó mức đọ tăngchiều dái Lt được biểu thị bằng tốc độ vậnđộng của mũi tia Wt Hình 2.8 biểu thị sự thay

đổi của Lt, Bt và Wt theo thời gian phun t.Theo đó trong khi Lt, tăng dần như theo quyluật parabôn thì Wt giảm rất nhanh do sức cảnkhí động của môi trường còn Bt thì ít thay đổi.Nói chung quy luật phát triển của tia phun phụthuộc nhiều yếu tố như áp suất phun, kết cấu

và kích thước lỗ phun

Hình 2.9 Ảnh hưởng của áp suất

đến chiều dài tia phun

Khi tăng áp suất phun tốc độ nhiên liệulưu động qua lỗ phun tăng nên Lt tăng nhanhhơn Khi tăng áp suất môi trường phun, sứccản khí động tăng lên Wt và Lt giảm, đồng thời

at và Bt tăng Nếu tăng đường kính lỗ phun màgiữ nguyên áp suất phun và áp suất môi trườngthì Lt tăng vì phần lõi tia khi ấy có kết cấu chặtchẽ hơn nên có động năng lớn hơn Ngoài ra,vận động rối của không khí trong buồng cháycũng ảnh hưởng đến hình dạng và sự phát triểncủa tia và có vai trò rất quan trọng trong cácloại buồng cháy tận dụng rối của không khí đểtạo thành hoà khí như buồng cháy thống nhấthỗn hợp thể tích màng, hỗn hợp màng vàbuồng cháy ngăn cách

2.3.3 Các phương pháp hình thành hòa khí trong động cơ diesel

Yêu cầu đối với quá trình tạo hoà khí là phải tạo được sự phân bố nhiên liệu theothời gian và không gian trong buồng cháy một cách tốt nhất để nhiên liệu cháy đúng lúc,cháy hoàn toàn, đạt được chỉ tiêu kinh tế (ge nhỏ ) và hiệu quả cao (pe lớn) nhưng áp suấtcực đại (pz ) và tốc độ tăng áp suất (

Để tạo thành hoà khí, người ta sử dụng các biện pháp:

Kết hợp chặt chẽ giữa số lượng, hình dạng và sự phân bố tia nhiên liệu với hình

Sử dụng chuyển động xoáy lốc mạnh của không khí trong buồng cháy được tạo ratrong quá trình nạp và nén Tuỳ từng loại buồng cháy cụ thể mà các biện pháp trên được

áp dụng riêng lẻ hay phối hợp với nhau ở mức độ cao hay thấp Theo sự phân chia vềkhông gian, buồng cháy được phân thành hai loại buồng cháy thống nhất và buồng cháyngăn cách

Như vậy, nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ đốt trong là một công việchết sức khó khăn, phức tạp, đòi hỏi phải có kiến thức sâu, rộng về nhiệt động học, hoáhọc, và phải được trang bị những thiết bị nghiên cứu chuyên dùng Các biện phápthí nghiệm thực hiện tại các nhà máy hoặc phòng thí nghiệm thông thường chỉ chophép đánh giá chất lượng quá trình cháy một cách gián tiếp thông qua các thông sốchung của chu trình công tác như: áp suất chỉ thị trung bình, áp suất có ích trungbình, suất tiêu hao nhiên liệu riêng, mầu sắc và thành phần hoá học của khí thải, .Những thông số này không chỉ phụ thuộc vào chất lượng quá trình cháy mà còn phụthuộc vào mức độ tổn thất nhiệt, tổn thất cơ học trong động cơ và chất lượng các quátrình khác của chu trình

Chương III: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP

VÀ CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG HIỆN ĐẠI3.1 HỆ THỐNG PHUN XĂNG

3.1.1 Đặc điểm

Ưu điểm:

- Giảm tiêu hao nhiên liệu động cơ

- Tăng hiệu suất thể tích hay công suất lít của động cơ

- Khí thải bớt độc hại hơn

- Hoạt động tốt trong mọi điều kiện địa hình và thời tiết, không phụ thuộc vào tưthế của xe (lên xuống dốc cao và cua gấp…)

đo lưu lượng khí nạp

- Phân loại theo cách thức phun: Phun xăng điện tử trực tiếp và phun xăng điện tửdán tiếp

- Phân loại theo số vòi phun: Hệ thống phun xăng đơn điểm và hệ thống phunxăng đa điểm

3.2 HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ GIÁN TIẾP EFI

Hệ thống phun xăng điện tử EFI gồm ba khối thành phần sau: Khối điều khiểnđiện tử, khối cấp xăng, khối cấp gió.

Hình 3.1 Sơ đồ khối thể hiện kết cấu cơ bản của EFI

Hệ thống EFI sử dụng các cảm biến khác nhau để phát hiện tình trạng của động cơ

và điều khiển chạy của xe ECU động cơ tính toán lượng phun nhiên liệu tối ưu và làmcho các vòi phun phun nhiên liệu

Hình 3.2 Sơ đồ cơ bản của EFI

Theo phương pháp phát hiện lượng không khí nạp thì hệ thống EFI được chia làmhai loại như sau:

Loại L- EFI Loại D-EFI

Hình 3.3 Phân loại hệ thống EFI Loại L-EFI (loại điều khiển lưu lượng không khí): Loại này sử dụng một cảm biến

lưu lượng khí nạp để phát hiện lượng không khí chạy vào đường ống nạp Có hai phươngpháp phát hiện: Một là trực tiếp đo khối lượng khí nạp và một loại là thực hiện hiệu chỉnhdựa vào thể tích không khí

Loại D- EFI (loại điều khiển áp suất đường ống nạp): Loại này đo áp suất trong

đường ống nạp để phát hiện lượng không khí nạp theo tỷ trọng của không khí nạp

3.2.2 Các khối điều khiển của hệ thống phun xăng điện tử gián tiếp

3.2.2.3 Khối điều khiển điện tử

Phần điện trong hệ thống có nhiệm vụ cung cấp thông tin của động cơ tới bộ điềukhiển trung tâm (ECU), thực hiện cấp tín hiệu cho các bộ phận thừa hành, các bộ phậncảnh báo Các thông tin cần thu thập phản ánh trạng thái làm việc tức thời của động cơ

gồm: Nhiệt độ máy, nhiệt độ khí nạp, lượng O2 trong khí xả, lưu lượng khí nạp, vị tríbướm ga, tín hiệu thời điểm đánh lửa, tín hiệu khởi động, số vòng quay trục khuỷu, hiệntượng kích nổ, … Các thông tin được thực hiện nhờ các cảm biến và đưa về ECU ECU

xử lý các thông tin, tính toán các trạng thái thực tế và đưa ra các tín hiệu tối ưu điềukhiển các cơ cấu chấp hành: Vòi phun khởi động lạnh, các vòi phun chính, điều chỉnh chế

độ mở van khí đường không tải Các cảm biến của hệ thống phun xăng thường được tổhợp với các hệ thống điều khiển tự động khác (nếu có) trên xe

ECU có hai chức năng chính: Điều khiển thời điểm phun và điều khiển lượngphun nhiên liệu

Chức năng điều khiển thời điểm phun quyết định khi nào thì từng vòi phun sẽphun nhiên liệu vào xi lanh Để thực hiện điều này nó sử dụng tín hiệu đánh lửa sơ cấp từ

bộ chia điện hoặc biến áp đánh lửa

Chức năng điều khiển lượng phun sẽ quyết định bao nhiêu lượng nhiên liệu đượcphun vào các xi lanh Điều đó được xác định bằng:

1) Tín hiệu phun cơ bản: Tín hiệu này được xác định bằng tín hiệu tốc độ động cơ

và tín hiệu lượng khí nạp

2) Các tín hiệu hiệu lượng phun: Các tín hiệu này nhận từ các cảm biến khác,

ngoài ra còn có một mạch khuếch đại công suất để kích hoạt vòi phun

Hình 3.5 Sơ đồ khối bộ điều khiển trung tâm

3.2.3 Hệ thống L - Jetronic

3.2.3.1 Nguyên lý hoạt động

Khi động cơ hoạt động, không khí được hút vào động cơ, cảm biến đo gió đolượng khí nạp và gửi tín hiệu đến bộ điều khiển trung tâm (ECU) Ngoài ra tín hiệu đánhlửa cũng được gửi tới ECU đó là 2 tín hiệu cơ bản và ECU xác định được tín hiệu điều

khiển phun cơ bản (gọi là tỉ lệ lý thuyết)

Kết hợp với các tín hiệu do các cảm biển khác gửi đến ECU sẽ điều chỉnh tín hiệuphun xăng cho phù hợp và gửi tới vòi phun nhiên liệu Khi nhận được tín hiệu vòi phun

mở, xăng có áp suất cao do bơm xăng tạo ra thường trực tại dàn phân phối được phun vàođường nạp kết hợp với không khí tạo thành hỗn hợp cung cấp cho động cơ

3.2.3.2 Điều khiển hiệu chỉnh lượng phun

Lượng phun cơ bản:

Lượng khí nạp

Lượng phun cơ bản = K

Tốc độ động cơ

K: Hệ số hiệu chỉnh.

a Làm đậm trong và sau khi khởi động

Quá trình làm đậm này sẽ tăng lượng phun phụ thuộc vào nhiệt độ nước làm mát

(nhiệt độ động cơ, lượng phun tăng khi nhiệt độ nước làm mát thấp) để nâng cao khả

năng khởi động và giúp động cơ hoạt động ổn định trong một khoảng thời gian nhất địnhsau khi khởi động Lượng phun sẽ giảm dần đến lượng phun cơ bản Tín hiệu gửi đếnECU từ cực ST của khoá điện ECU nhận biết động cơ đang khởi động và từ cảm biếnnhiệt độ nước làm mát ECU nhận biết nhiệt độ động cơ