Tìm hiểu các phương pháp hình thành hỗn hợp trong động cơ điezen và các giải pháp nâng cao hiệu suất nhiệt

Đến nay, em đã hoàn thành chương trình và được làm khóa luận tốt nghiệp với đề tài: “Tìm hiểu các phương pháp hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ Điezen và các giải pháp nâng cao hiệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ

TRẦN THỊ HÀ

TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG PHÁP HÌNH THÀNH HỖN HỢP CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐIEZEN VÀ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HÀ NỘI, 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ

TRẦN THỊ HÀ

TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG PHÁP HÌNH THÀNH HỖN HỢP CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐIEZEN VÀ CÁC GIẢI

PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT NHIỆT

Chuyên ngành: Sư Phạm Kĩ Thuật

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại Học Sư Phạm

Hà Nội 2 Đến nay, em đã hoàn thành chương trình và được làm khóa luận tốt nghiệp với đề tài: “Tìm hiểu các phương pháp hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ Điezen và các giải pháp nâng cao hiệu suất nhiệt”, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo - KS Trần Văn Giảng Khóa luận của em đã hoàn thành Vậy:

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất đến thầy giáo - KS Trần Văn Giảng, là người đã hướng dẫn em hết sức tận tình và chu đáo về cả mặt chuyên môn và tài liệu để em hoàn thành được khóa luận này

Đồng thời em cũng xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô và các bạn sinh viên trong Khoa Vật Lý, đặc biệt là các thầy giáo cô giáo trong tổ Kĩ thuật đã giúp đỡ tạo và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em hoàn tốt khóa luận này

Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình và người thân luôn cổ

vũ, động viên, giúp đỡ em hoàn thành khóa luận

Em xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, tháng 05 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Trần Thị Hà

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản khóa luận tốt nghiệp với đề tài: “Tìm hiểu các phương pháp hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ Điezen và các giải pháp nâng cao hiệu suất nhiệt” là kết quả nghiên cứu thực sự của tôi, được thực hiện dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết kết hợp với kiến thức chuyên ngành và dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy giáo - KS Trần Văn Giảng

Tôi xin cam đoan các số liệu, bảng biểu, hình ảnh và kết quả nghiên cứu trong khóa luận này là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác; các nhận xét, giải pháp đưa ra xuất phát từ thực tiễn và kinh nghiệm hiện có của bản thân

Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam đoan trên

Hà Nội, tháng 05 năm 2013 Sinh viên thực hiện

Trần Thị Hà

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và chỉ số xetan 8 Bảng 1.2: Các thành phần cơ bản và đặc tính của nhiên liệu động cơ 11 Bảng 2.1: Các thông số đặc trưng của quá trình công tác động cơ Điezen với những buồng cháy khác nhau 41

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ động cơ nén - nổ Điezen 5 Hình 1.2: Phạm vi biến đổi của hệ số dư không khí phụ thuộc vào chế độ

tải 12 Hình 1.3: Sự thay đổi của lượng nhiệt qhhn theo thành phần hỗn hợp (biểu

thị bằng ) 12 Hình 1.4 Sơ đồ thí nghiệm chụp ảnh quá trình phun nhiên liệu và quá

trình cháy trong động cơ Điezen phun nhiên liệu trực tiếp 15 Hình 1.5 Quan sát quá trình phun nhiên liệu và cháy từ phía trên nắp

xi lanh 16 Hình 1.6: Quan sát chụp ảnh quá trình cháy theo phương ngang quá

buồng cháy 17 Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống chụp ảnh buồng cháy dùng thiết bị nội soi 18 Hình 2.1: Buồng cháy không phân cách cho hình thành hỗn hợp theo

thể tích 21 Hình 2.2: Buồng cháy không phân cách cho hình thành hỗn hợp theo màng 22 Hình 2.3: Các buồng cháy xoáy lốc 25 Hình 2.4: Các dạng buồng cháy cháy trước 26 Hình 2.5: Hình ảnh phun xé nhỏ dòng nhiên liệu chảy từ vòi phun với tốc

độ bé 27 Hình 2.6: Hình ảnh chụp những giọt (hạt) nhiên liệu được phun xé nhỏ

dưới tác dụng của phản lực khí động học 28 Hình 2.7: 1 Đường đặc tính tổng hợp phun nhiên liệu; 2 Đường cong

tần suất 29 Hình 2.8: Các đặc tính phun tổng hợp với tần suất môi trường phun ở

những thời điểm phun khác nhau 31

Hình 2.9: Sự biến đổi của đường kính trung bình thể tích d V i và đường

kính trung bình của hạt nhiên liệu theo Dauteru dDi trong quá

trình phun đối với hệ thống cấp dẫn nhiên liệu Điezen IAMZ 32 Hình 2.10: Sơ đồ chùm tia nhiên liệu I 34 Hình 2.11: Hình ảnh chụp chùm tia nhiên liệu ở những pha phun khác nhau 35 Hình 2.12: Sự biến đổi các thông số chùm tia theo thời gian 35 Hình 2.13: Các đường cong độ xa của chùm tia và đặc tính phun MN/m2 36 Hình 2.14: Sự biến đổi của wtr và Lch theo các chế độ công tác khác nhau

của bộ cấp dẫn nhiên liệu điezen IAM 236 38 Hình 2.16: Hình ảnh chụp sự phát triển của chùm tia nhiên liệu khi phun 39 Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý động cơ 6 kì 43

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ

MỞ ĐẦU 1

NỘI DUNG 4

CHƯƠNG 1: NHIÊN LIỆU, HỖN HỢP CHÁY VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP TRONG ĐỘNG CƠ ĐIEZEN 4

1.1 Nhiên liệu của động cơ Điezen 4

1.1.1 Khái niệm chung 4

1.1.2 Nhiên liệu Điezen và động cơ Điezen 5

1.2 Tóm tắt về cấu trúc và các thành phần cơ bản của nhiên liệu dùng trong động cơ 9

1.2.1 Cấu trúc của nhiên liệu 9

1.2.2 Các thành phần cơ bản của nhiên liệu 9

1.2.3 Nhiệt trị của nhiên liệu 9

1.3 Hỗn hợp cháy 10

1.3.1 Hệ số dư không khí  11

1.3.2 Các thông số đặc trưng của hỗn hợp nạp mới 13

1.4 Các phương pháp nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp trong động cơ Điezen 13

1.4.1 Cơ sơ nghiên cứu, phân tích quá trình hình thành hỗn hợp trong động cơ Điezen 13

1.4.2 Các phương pháp nghiên cứu hình thành hỗn hợp và cháy

trong động cơ Điezen 14

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP HÌNH THÀNH HỖN HỢP CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐIEZEN VÀ CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT NHIỆT TRONG ĐỘNG CƠ 19

2.1 Sự hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ 19

2.2 Các loại buồng cháy trong động cơ Điezen 20

2.2.1 Buồng cháy không phân cách 20

2.2.2 Buồng cháy phân cách 24

2.3 Phun nhiên liệu và các thông số của quá trình phun 27

2.4 Sự phát triển của chùm tia nhiên liệu 33

2.4.1 Đặc tính của chùm tia 33

2.4.2 Ảnh hưởng của các nhân tố khác nhau tới sự phát triển và cấu trúc chùm tia 36

2.5 So sánh các phương pháp hình thành hỗn hợp khác nhau 40

2.6 Giải pháp nâng cao hiệu suất nhiệt động cơ Điezen 42

2.6.1 Đặt vấn đề 42

2.6.2 Giải pháp nâng cao hiệu suất nhiệt động cơ Điezen 42

KẾT LUẬN 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO………48

MỞ ĐẦU

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Bước sang thế kỉ 21, sự tiến bộ về khoa học kĩ thuật của nhân loại đã bước lên một tầm cao mới Rất nhiều những thành tựu khoa học kĩ thuật, các phát minh, sáng chế mang đậm chất hiện đại và có tính ứng dụng cao Là một quốc gia có nền kinh tế đang phát 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 tâm nhằm 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 phát triển thì ngành động cơ đốt trong là một trong những ngành tiềm năng

Do sự tiến bộ về khoa học công nghệ động cơ đốt trong phát triển một cách ồ

ạt, tỉ lệ ô nhiễm nguồn nước và không khí do chất thải của động cơ đốt trong ngày càng tăng Các nguồn tài nguyên 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 đó là phải đảm bảo chất lượng khí thải, tiết kiệm nhiên liệu và đặc biệt là nâng cao hiệu suất của động cơ Từ những năm 1784 đến năm 1901, trải qua 115 năm đã có rất nhiều những phát minh mới về động cơ đốt trong đặc biệt là động cơ Điezen và nâng cao hiệu suất nhiệt của loại động cơ này do những ưu điểm vượt trội của nó so với động cơ xăng Và

từ những năm 1901 trở lại đây chúng ta chủ yếu nghiên cứu nhằm mục đích nâng cao hiệu suất động cơ Điezen nhưng việc nâng cao được hiệu suất nhiệt

là rất thấp

Vì thế, đề tài: “Tìm hiểu các phương pháp hình thành hỗn hợp cháy

trong động cơ Điezen và các giải pháp nâng cao hiệu suất nhiệt” được thực

phần nhỏ bé vào việc giải quyết vấn đề cấp bách của động cơ Điezen hiện nay

là tiết kiệm nhiên liệu và nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ

1.2 Ý nghĩa của đề tài

Những kết quả thu thập được sau khi hoàn thành đề tài này trước tiên là

sẽ giúp cho em - sinh viên khoa Vật Lý chuyên ngành Sư phạm Kĩ thuật có thể hiểu sâu hơn về các phương pháp hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ Điezen và các giải pháp nâng cao hiệu suất, có những kiến thức cơ bản để áp dụng vào thực tế, phát huy những ưu điểm mà động cơ Điezen mang lại

2 Mục đích đề tài

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

đề tài như sau:

Tìm hiểu, nghiên cứu các phương pháp hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ Điezen Từ đó:

Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu suất động cơ Điezen

3 Giả thuyết khoa học

Nếu nghiên cứu, tìm hiểu được các phương pháp hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ Điezen sẽ giúp cho việc sử dụng động cơ tốt hơn, và giúp tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao được hiệu suất của động cơ

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Giới hạn nội dung vấn đề:

- Tìm hiểu, nghiên cứu các phương pháp hình thành hỗn hợp cháy trên động cơ Điezen

- Các giải pháp nâng cao hiệu suất của động cơ Điezen

Phạm vi nghiên cứu: Động cơ Điezen

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

Để thực hiện đề tài cần thực hiện các nhiệm vụ sau:

- Tìm hiểu, nghiên cứu và phân tích các phương pháp hình thành hỗn hợp cháy của động cơ Điezen

- Các giải pháp nâng cao hiệu suất nhiệt cho động cơ Điezen

- Tham khảo tài liệu trong và ngoài nước để hoàn thiện đề tài nghiên cứu của mình: “ Tìm hiểu các phương pháp hình thành hỗn hợp cháy của động cơ Điezen và các giải pháp nâng cao hiệu suất ”

6 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu: Lí thuyết

7 Cấu trúc khóa luận

Cấu trúc khóa luận gồm 3 phần chính:

- MỞ ĐẦU

- NỘI DUNG

Nội dung khóa luận gồm 2 chương:

Chương 1: Nhiên liệu, hỗn hợp cháy và các phương pháp nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp trong động cơ Điezen

Chương 2: Các phương pháp hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ Điezen và các giải pháp nâng cao hiệu suất nhiệt trong động cơ

- KẾT LUẬN

NỘI DUNG CHƯƠNG 1: NHIÊN LIỆU, HỖN HỢP CHÁY VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP

TRONG ĐỘNG CƠ ĐIEZEN 1.1 Nhiên liệu của động cơ Điezen

1.1.1 Khái niệm chung

Trong động cơ đốt trong, năng lượng nhiệt, cần thiết để biến đổi thành công cơ học, nhận được do phản ứng hóa học (phản ứng cháy) giữa nhiên liệu

và ôxy của không khí nạp vào trong xilanh Thời gian để tiến hành những phản ứng này trong động cơ cao tốc hiện đại là rất ngắn, chỉ khoảng vài phần trăm thậm chí vài nghìn giây Thời gian của quá trình chuẩn bị hỗn hợp nhiên liệu với không khí cho tới khi có phản ứng hóa học xảy ra mạnh phụ thuộc vào phương pháp hình thành hỗn hợp và số kì của động cơ

Phương pháp hình thành hỗn hợp nhiên liệu với không khí và tiến hành phản ứng hóa học là nguyên nhân của hàng loạt yêu cầu đối với nhiên liệu sử dụng trong động cơ đốt trong Trong các động cơ hình thành hỗn hợp bên trong đặc biệt là động cơ Điezen, nhiên liệu được đưa trực tiếp vào trong xilanh Bắt đầu phun nhiên liệu được tiến hành ở cuối quá trình nén ép và một phần nhỏ nhiên liệu bốc cháy trước, còn phần lớn tiếp tục đi vào trong quá trình cháy Do vậy cần phun nhiên liệu dưới dạng sương mù để đảm bảo cho

sự hòa trộn nhiên liệu với không khí ở trong xilanh

Thời gian thực hiện các giai đoạn của quá trình cháy nhiên liệu trong xilanh không được kéo dài Ngoài những yêu cầu cơ bản đã nêu trên, nhiên liệu sử dụng còn cần phải có những yêu cầu sau:

- Bảo đảm khởi động động cơ nhanh và tin cậy, không phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh

- Cho phép thực hiện quá trình cháy không hình thành muội và kết cốc trên bề mặt buồng cháy

- Tạo điều kiện giảm mòn và rỉ ống lót xilanh, xecmăng và pit-tông

- Bảo đảm điều kiện cháy hoàn toàn và đúng lúc, hạn chế số lượng các thành phần độc hại trong sản phẩm cháy

1.1.2 Nhiên liệu Điezen và động cơ Điezen

Những tính chất của nhiên liệu Điezen được giải thích tốt nhất sau khi nghiên cứu các đặc trưng của động cơ nén - nổ - động cơ Điezen Sơ đồ động

cơ nén - nổ Điezen được cho trên hình 1.1

Hình 1.1: Sơ đồ động cơ nén - nổ Điezen

Nguyên lí cơ bản của động cơ này là dựa trên nhiệt nén làm bốc cháy nhiên liệu Nhiên liệu được tiêm vào buồng nén mà ở đó không khí đã được nén tới 1 áp lực từ 41,5 - 45,5 kg/cm2 và đạt tới nhiệt độ ít nhất là 500°C Nhiệt độ này đủ để làm bốc cháy nhiên liệu và khí giãn nở làm tăng áp lực lên tới trên 70 kg/cm2 Áp lực này tác động lên pit-tông và làm động cơ chuyển động

Trong động cơ nén - nổ 4 kì bình thường, 1 vòng có thể chia thành 4 kì:

1 Hút không khí vào xilanh, sau đó van vào đóng lại

2 Nén không khí trong xilanh tới một thể tích xác định (trong kì nén này

áp suất và nhiệt độ tăng lên), khi đó nhiên liệu Điezen được phun vào buồng nén

3 Nhiên liệu cháy Khí cháy giãn nở trong khi tất cả các van đóng, áp lực tác động lên đầu pit-tông làm máy chuyển động

4 Van xả mở và khí cháy được thải ra ngoài buồng nén Kì này hoàn thành 1 vòng của động cơ và vòng tiếp theo được bắt đầu với việc đóng van

xả Như vậy có 1 kì sinh công và 3 kì không tải cho hai chuyển động của tay quay

Trong động cơ 2 kì không khí bị nén như trên, nhưng ngay gần đầu kì sinh công, van xả mở ra và xilanh được quét bằng không khí sạch từ một máy bơm sao cho kì trở lại nén không khí sạch Nén không khí sạch là cần thiết để đạt hiệu quả của tay quay và động cơ làm việc mạnh hơn và êm hơn so với động cơ bốn kì có cùng cỡ và tốc độ

Những thuận lợi chủ yếu của động cơ Điezen là sự gọn gàng của động

cơ, sạch sẽ và hiệu quả nhiệt cao

Như trên hình 1.1 đã trình bày, trong chu trình làm việc của động cơ Điezen, nhiên liệu tự bốc cháy trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tới hạn, không cần mồi lửa từ bugi Vì thế tính chất quan trọng của nhiên liệu Điezen

là chất lượng cháy của nó Chất lượng cháy của nhiên liệu Điezen phải được

đo bằng nhiệt độ cháy tức thời và bằng các phép thử động cơ được chế tạo đặc biệt để thu được các giá trị số đối với sự trễ cháy

Nhiệt độ cháy tức thời (SIT - Spontaneous Ignition Temperature) liên quan rất nhiều đến hàm lượng hyđro của dầu và đồng thời nó được xem như phép đo sự tiện lợi của việc dùng nhiên liệu Điezen

Một giá trị nhiệt độ thấp của sự tự bốc cháy trong ôxy được xem là thuận tiện cho việc dùng dầu đó Phép thử này chỉ là một chỉ dẫn rất chung cho sự tiện lợi của việc dùng nhiên liệu Điezen

Giá trị SIT của xăng ôtô (OC 75) là khoảng 500°C, của dầu Điezen (chỉ

số xetan 50) là 260°C và của octan là 235°C

Phương pháp tốt nhất đánh giá chất lượng nhiên liệu Điezen là thử trong động cơ, nhưng một phương pháp thử gần đúng có thể thu được là xác định tỉ

lệ parafin trong nhiên liệu Điezen

Trong trường hợp các nhiên liệu đi từ dầu mỏ thì hàm lượng parafin càng cao thì chất lượng cháy càng tốt Điều này không phải luôn đúng với các nhiên liệu thu được từ đá dầu và các phân đoạn thu được từ than đá

Một phép thử khác là điểm anilin Người ta dựa trên thực tế là các

hiđrocacbon thơm trộn lẫn dễ dàng với anilin ở nhiệt độ phòng, nhưng với các parafin cần đốt nóng tới một nhiệt độ tương đối cao chúng mới trộn lẫn hoàn toàn với anilin Điểm anilin được chuyển thành chỉ số Điezen theo biểu thức:

Điểm anilin (°F) × Trọng lượng (API)

100

Chỉ số Điezen không thật tin tưởng như chỉ số xetan nhưng nó là một chỉ dẫn hữu ích khi không có điều kiện thử động cơ Về giá trị số, chỉ số Điezen thường cao hơn 3 đơn vị so với chỉ số xetan và nó có thể chuyển thành chỉ số xetan theo công thức sau:

Chỉ số xetan (tính toán) = Chỉ số Điezen + 0,068 ×T sôi trungbình (0F ) − 22 (1.2) Khi chất lượng cháy được thử trong một động cơ Điezen chuẩn thì kết quả được biểu thị bằng chỉ số xetan Xetan là một parafin, C H16 34 chất lượng cháy cao và người ta gắn cho nó có chỉ số xetan bằng 100 α - Metylnaphtalen

là một hiđrocacbon thơm mà người ta quy ước nó có chỉ số xetan bằng 0 Chúng tạo nên thang đo chỉ số xetan Vậy chỉ số xetan của một nhiên liệu Điezen là phần trăm theo thể tích của xetan trong hỗn hợp hai hiđrocacbon xetan và α-metylnaphtalen mà nó có cùng chất lượng nổ như nhiên liệu đó

Ở Mĩ, người ta dùng một động cơ CFR (Cooperative of Fuel Research)

đã được tiêu chuẩn hoá để tiến hành phép thử dưới những điều kiện chuẩn về nhiệt độ không khí, tốc độ, tốc độ nhiên liệu và nhiệt độ làm lạnh Tỉ lệ nén có thể thay đổi được và được đo so với một thời gian trễ chuẩn Bởi vậy ý nghĩa chung của chất lượng cháy là nhiên liệu có thời gian trễ cháy thích hợp trong động cơ Một chỉ số xetan cao, vượt quá 48 là cần thiết cho động cơ tốc độ cao nhưng một động cơ tốc độ thấp không đòi hỏi như vậy bởi vì nó đòi hỏi nhiều thời gian cho sự cháy Ở nhiệt độ không khí cao hơn hay sự trộn không khí vào nhiên liệu kĩ càng hơn sẽ cần nhiên liệu với chỉ số xetan thấp hơn ở cùng một tốc độ Thật vậy, mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và chỉ số xetan là gần đúng như sau:

Bảng 1.1: Mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và chỉ số xetan

Một số phép thử cần thiết cho nhiên liệu Điezen như: phép thử độ tinh khiết (độ sạch), hàm lượng tro (không được quá 0,01%.), chất sa lắng (chỉ cần không vượt quá 0,25%), hàm lượng nước và hàm lượng asphalt

1.2 Tóm tắt về cấu trúc và các thành phần cơ bản của nhiên liệu dùng trong động cơ

1.2.1 Cấu trúc của nhiên liệu

Động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu ở cả ba thể rắn, lỏng, khí Động cơ Điezen sử dụng nhiên liệu ở thể lỏng Nguồn nhiên liệu lỏng được sử dụng chủ yếu là dầu mỏ tự nhiên, qua chưng cất trực tiếp và chế biến đặc biệt sẽ thu được dầu Điezen, xăng, dầu sôla, dầu mazut…

Nhiên liệu lỏng có thành phần chính là các hyđrocacbon, bao gồm các họ: parafin (ankan) có công thức CnH2n+2; naphaten (xicloankan) có công thức

CnH2n và aromatic có công thức CnH2n-6 hoặc CnH2n-12 Các hyđrocacbon như olefin, điolefin, axetylen chiếm hàm lượng rất nhỏ trong dầu mỏ Thông thường trong dầu mỏ chứa 8485% cacbon, 1214% hyđro, còn lại là khí nitơ, ôxy và lưu huỳnh Mỗi phần tử hyđrocacbon trong dầu mỏ có từ 530 nguyên tử cacbon (nhiên liệu Điezen có đến 30C)

1.2.2 Các thành phần cơ bản của nhiên liệu

Các thành phần cơ bản của nhiên liệu được quy định bởi tỉ lệ khối lượng hoặc thể tích của các nguyên tố riêng trong nhiên liệu Với nhiên liệu lỏng thường xét trong một đơn vị khối lượng Ví dụ trong 1kg izooctan (C8H18) có 0,842kg cacbon (gC) và 0,158kg hyđro (gH) Đối với 1kg nhiên liệu lỏng với thành phần gồm cacbon (gC), hyđro (gH) và oxy (gOnl), trong điều kiện không

có lưu huỳnh (gS = 0) có thể viết:

gC + gH + gOnl = 1kg (1.3) Trong đó gC, gH, gOnl – là khối lượng C, H, O có trong 1kg nhiên liệu

1.2.3 Nhiệt trị của nhiên liệu

Nhiệt trị của nhiên liệu là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu (đối với nhiên liệu lỏng) hoặc 1m3 nhiên liệu (đối với nhiên liệu khí)

Nhiệt trị cao ho ngoài nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy nhiên liệu, còn kể

cả nhiệt tỏa ra cho sự ngưng tụ của hơi nước chứa trong nhiên liệu hoặc hình thành khí đốt cháy hyđro Khi tính toán động cơ đốt trong nên dùng nhiệt trị thấp hu vì nhiệt độ của khí thải trong động cơ lớn hơn nhiệt độ ngưng tụ của hơi nước

Khi biết nhiệt trị cao ho (J/kg), có thể tính toán nhiệt trị thấp hu theo công thức gần đúng (đối với nhiên liệu lỏng):

hu = ho – rn (9gH + gH2O) = ho – 2,512.103 (9gH + gH2O), J/kg (1.4) Trong đó: rn – lượng nhiệt hóa hơi gần đúng của 1kg nước,

rn = 2,512.103 J/kg; 9gH – lượng hơi nước hình thành khi đốt cháy gH (kg) hyđro có trong 1kg nhiên liệu, kg; GH2O– lượng nước có trong 1kg nhiên liệu, kg

Nhiệt trị của nhiên liệu có thể xác định gần đúng theo công thức thực nghiệm nếu biết thành phần các nguyên tố của nhiên liệu Theo công thức của Menđêlêep, nhiệt trị thấp của nhiên liệu lỏng được tính:

Nhiệt trị cũng có thể đo bằng thí nghiệm:

- Nhiên liệu Điezen là: hu = 9750  10500 kcal/kg

- Xăng, dầu lửa: hu = 10300  10550 kcal/kg

1.3 Hỗn hợp cháy

Hỗn hợp cháy bao gồm hỗn hợp nạp mới và khí sót trong xilanh Hỗn hợp nạp mới là hỗn hợp cơ học giữa nhiên liệu và không khí Đối với động cơ Điezen là hỗn hợp giữa nhiên liệu Điezen với không khí được hình thành ở trong xilanh cuối kì nén ép

Bảng 1.2: Các thành phần cơ bản và đặc tính của nhiên liệu động cơ

Nhiệt trị (khi cháy 1kg nhiên liệu), MJ/kg 42,5

Nhiệt trị (khi cháy 1kg nhiên liệu), Kcal/kg 1000  10400

Nhiệt trị (khi cháy 1kmol hỗn hợp

Lượng không khí lí thuyết để đốt cháy hoàn toàn

1.3.1 Hệ số dư không khí 

Hỗn hợp nạp mới được đặc trưng bởi hệ số dư không khí , là tỉ số giữa lượng không khí thực tế nạp vào trong xilanh động cơ l để đốt cháy 1kg nhiên liệu và lượng không khí cần theo lí thuyết l o để đốt cháy 1kg nhiên liệu:

(1.6)

Trong đó: l - lượng không khí nạp vào trong xilanh động cơ để đốt cháy 1kg nhiên liệu, kg/kg nl; l o - lượng không khí cần theo lí thuyết để đốt cháy 1kg nhiên liệu, kg/kg nl; Gkk – lượng không khí nạp vào trong xilanh, kg;

Gnl – lượng nhiên liệu nạp vào trong xilanh, kg nl

Khi hỗn hợp đủ không khí l = l o, hệ số dư không khí  = 1; nếu   1(thiếu ôxy), gọi là hỗn hợp giàu hay đậm; nếu  > 1 (thừa ôxy), gọi là hỗn hợp nghèo hay hỗn hợp nhạt

.

kk

G l

Đối với động cơ Điezen có điều chỉnh chất lượng hỗn hợp, hệ số dư không khí  phụ thuộc vào chế độ tải biến đổi trong phạm vi rộng (từ  = 5 hay hơn thế khi non tải cho tới  = 1,4  1,25 khi toàn tải) Khi tính nhiệt động cơ Điezen thường chọn ở chế độ toàn tải  = 1,3 1,6, nếu chọn  thấp hơn nữa thì sẽ cháy không hết, có phần CO trong khí thải và xả khói đen Trên hình vẽ 1.2 đưa ra những đường cong phụ thuộc của hệ số dư không khí  vào chế độ tải của động cơ

Lượng nhiệt tỏa ra qhhn khi đốt cháy 1kg hỗn hợp với những  khác nhau thì cũng khác nhau (1.3)

Hình1.2: Phạm vi biến đổi của

1.3.2 Các thông số đặc trưng của hỗn hợp nạp mới

1.3.2.1 Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nạp mới C V hhn

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nạp khí mới còn gọi là tỉ nhiệt của hỗn hợp nạp mới:

Đối với động cơ Điezen, nhiệt dung riêng của hỗn hợp nạp mới chính là nhiệt dung riêng của không khí:

C V hhn C V KK (1.7)

hhn

V

C = 0,165 + 0,000017.Tc, kcal/kg.độ hoặc

KK

V

C = (0,165 + 0,000017.Tc).4,187.103, J/kg.độ (1.8) Trong đó: Tc – nhiệt độ cuối kì nén, o

chủ yếu của việc quan sát chụp ảnh quá trình cháy Ánh sáng có thể tự phát ra

từ chính khí cháy cần quan sát, hoặc nếu không thì dùng một nguồn sáng bên ngoài chiếu sáng thể tích khí cần quan sát chụp ảnh

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 thể ghi được một cách liên tục hàng trăm bức ảnh hoặc hơn trong một giây nên có thể nhận được một loạt hình ảnh liên tiếp trong cùng một chu trình động cơ, tức là ta có thể xem được diễn biến quá trình cháy trong từng chu kỳ riêng biệt Phương pháp này được gọi là phương pháp quay phim liên tục tốc độ cao

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

1.4.2 Các phương pháp nghiên cứu hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ Điezen

Để đi sâu tìm hiểu từng kỹ thuật đo sẽ mất rất nhiều thời gian, nên ở đây

sẽ chỉ trình bày 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

Để nghiên cứu quá trình cháy một cách trọn vẹn, ngoài quan sát sự hình thành và phát triển của màng lửa cần phải quan sát được hiện tượng phun nhiên liệu và hình thành hỗn hợp trước khi quá trình cháy xảy ra Các quá trình phun nhiên liệu này không phát sáng nên cần phải có một nguồn sáng để chiếu sáng trong khi quan sát hoặc ghi lại hình ảnh Hình 1.4 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 Điezen 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 tia nhiên liệu phun trong xi lanh động cơ Các tia nhiên liệu phun được chiếu sáng khi đó được 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 với một cường độ sáng cao trong một khoảng thời gian rất ngắn Các đặc điểm chính của nguồn sáng được chọn là độ sáng, sự phân bố quang phổ và tốc độ lặp lại của nó

Hình 1.4 Sơ đồ thí nghiệm chụp ảnh quá trình phun nhiên liệu và quá trình

cháy trong động cơ Điezen phun nhiên liệu trực tiếp

Nguồn sáng có thể chiếu sáng liên tục hoặc chiếu sáng ở dạng xung tuỳ theo yêu cầu 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 độ phân 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 halogen volfram thạch anh và đèn tròn một chiều trong đó loại thứ nhất

có năng lượng lớn và khả năng chiếu sáng rộng nên được dùng rộng rãi hơn Trong trường hợp dùng nguồn sáng liên tục thì thời gian ghi một ảnh được quyết định bởi tốc độ máy ảnh (tức là = 1/số ảnh trong 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 1.5 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 tâm vòi phun Cách bố trí như trên có thể quan sát được cả hiện tượng chuyển động xoáy của môi chất trong quá trình phun nhiên liệu và cháy Để thực hiện được yêu cầu chụp ảnh này, pit-tông phải có kết cấu kéo dài đặc biệt và đỉnh pit-tông phải bằng vật liệu trong suốt và đặt các gương phản chiếu cố định phía dưới như trên hình 1.5 Nhược điểm của phương pháp bố trí như trên là vật liệu trong suốt trên đỉnh pit-tông rất nhanh bị đục

do muội 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 1.5 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 1.5 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 1.4 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 1.6 không cần gương phản chiếu nên độ cứng vững của hệ thống cao hơn và do đó chất lượng ảnh cũng rõ hơn hai trường hợp trên Sơ đồ này còn 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 bộ tiết diện ngang buồng cháy Chính vì vậy phương pháp này thường áp dụng cho việc quan sát chụp ảnh quá trình phun nhiên liệu và cháy đối với động cơ có buồng cháy thống nhất dùng vòi phun có các lỗ phun đối xứng và phun chính tâm xi lanh

Hình 1.6: Quan sát chụp ảnh quá trình cháy theo

phương ngang quá buồng cháy

cháy như mô tả ở trên hình 1.6 có ưu điểm là cửa sổ quan sát rộng nhưng yêu cầu phải thay đổi nhiều về kết cấu xi lanh, pit-tông hoặc nắp xi lanh Do vậy,

để khắc phục các khó khăn này, ngày nay người ta dùng thiết bị nội soi thay thế cho các ống kính lớn trước kia Thiết bị này chỉ cần khoan 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 các cảm biến đo áp suất khí thể trong xi lanh Đèn nội soi thường được làm bằng nước đối lưu cưỡng bức để có thể làm việc lâu dài trong môi trường nhiệt độ cao trong buồng cháy Hình ảnh thu được từ đầu nội soi được truyền đến một máy ảnh tốc độ cao để ghi lại Hình 1.7 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 1.7 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 trên máy vi tính PC và từ đó có thể xử lý tiếp

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP HÌNH THÀNH HỖN HỢP CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐIEZEN VÀ CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU

SUẤT NHIỆT TRONG ĐỘNG CƠ

2.1 Sự hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ

Sự hình thành hỗn hợp trong động cơ Điezen được thực hiện ở cuối kì nén ép và ở đầu hành trình giãn nở, với khoảng thời gian ngắn chừng 20 

60o góc quay trục khuỷu Hỗn hợp không khí nhiên liệu được hình thành trong giai đoạn cháy trễ và ở các pha khác nhau của quá trình cháy

Tiếp theo là đề cập đến điều trái ngược mâu thuẫn với yêu cầu hình thành hỗn hợp trong suất quá trình của giai đoạn cháy trễ và trong quá trình cháy Trong giai đoạn cháy trễ nhiên liệu phân bố đều đặn trong thể tích không khí không là điều cần thiết, vì muốn có hỗn hợp đồng nhất cần có các giai đoạn cháy trễ dài hơn là không đồng nhất Mặt khác vì nhiên liệu không phân bố đồng đều theo thể tích buồng cháy trong động cơ Điezen vẫn có thể làm cháy hỗn hợp với lượng dư không khí tổng quát lớn hơn khi động cơ làm việc ở hành trình không tải (   6, 0)

Trong các phương pháp hình thành hỗn hợp đưa ra trong thời gian gần đây, phải kể đến phương pháp tốc độ hình thành hỗn hợp công tác ở giai đoạn bắt đầu, để giảm lượng hỗn hợp không khí với nhiên liệu chuẩn bị cho sự cháy và quan trọng là giảm tốc độ bốc hơi nhiên liệu và sự tăng áp suất trong pha cháy đầu tiên

Đối với quá trình cháy và đặc biệt là nhưng pha cuối cùng của nó (III và

IV

 ), cố gắng đồng đều thành phần công chất theo thể tích buồng cháy để sử dụng ôxy trong không khí triệt để hơn và tiếp theo là khả năng nâng cao áp suất có ích bình quân pe cùng công suất riêng của động cơ Điezen

Sự hình thành hỗn hợp bao gồm hàng loạt quá trình vật lí như: xé nhỏ dòng nhiên liệu ra từng giọt nhỏ (phun nhiên liệu); đốt nóng, bốc hơi và phân

bố nhiên liệu trong khắp buồng cháy Đa số những quá trình này xảy ra đồng thời Việc đốt nóng và bay hơi nhiên liệu được thực hiện nhờ năng lượng nhiệt của nén ép khí, các thông số của nó ở cuối hành trình nén ép khi công tác của động cơ không tăng áp đặc trưng bởi những giá trị sau đây: áp suất 3,5

 5,5 MN/m3, nhiệt độ là 700  900o K Mật độ không khí trong buồng cháy động cơ Điezen làm việc không tăng áp lơn hơn mật độ không khí môi trường xung quanh khoảng 12  14 lần Sau khi cháy rõ nhiệt độ và áp suất trong buồng cháy tăng lên thúc đẩy nhanh đáng kể quá trình đốt nóng và bốc hơi các giọt nhiên liệu

Nhiên liệu được phân bố trong buồng cháy do động năng dòng nhiên liệu

Enl và chuyển động của không khí nén ép EKK Năng lượng toàn bộ có thể sử dụng để hình thành hỗn hợp

Ehh = Enl + EKK (2.1) Trị số động năng Enl và EKK phụ thuộc vào phương pháp hình thành hỗn hợp và hình dạng của buồng cháy

Trong các động cơ Điezen phương tiện giao thông hiện đại, về cơ bản thường sử dụng những phương pháp hình thành hỗn hợp sau đây: theo thể tích, theo màng - thể tích, theo màng Một số trường hợp, kiểu, loại và sự phát triển của quá trình hình thành hỗn hợp trong động cơ Điezen được xác định bởi đặc điểm kết cấu của buồng cháy Do vậy, kết cấu những buồng cháy cơ bản của động cơ Điezen và các phương pháp hình thành hỗn hợp cháy trong buồng cháy cũng được nghiên cứu

2.2 Các loại buồng cháy trong động cơ Điezen

2.2.1 Buồng cháy không phân cách

Buồng cháy không phân cách còn gọi là buồng cháy thống nhất, trong

đó toàn bộ buồng cháy liền một không gian

Trong buồng cháy thống nhất, theo sự hình thành hỗn hợp thì quá trình cháy có hai loại: