Nồng độ hỗn hợp trong động cơ xăng và hệ thống phun xăng điện tử

Nguyên lí điều chỉnh tỉ lệ của hỗn hợp khí cháy và định lượng nhiên liệu trong hệ thống phun xăng điện tử ...28 3.2... Một trong những ưu điểm nổi bật của hệ thống phun xăng điện tử là

LỜI CẢM ƠN

Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy

giáo Trần Văn Giảng, người đã tận tình chỉ bảo giúp đỡ em trong suốt quá

trình thực hiện và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Nhân dịp này cho phép em được cảm ơn Ban Giám Hiệu, Ban Chủ Nhiệm khoa Vật Lí, các thầy cô trong khoa Vật Lí trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa luận này

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã luôn động viên, tạo điều kiện giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện và hoàn thiện khóa luận tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2011

Sinh viên

Đàm Thị Kim Ngân

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là: Đàm Thị Kim Ngân

Sinh viên lớp K33D - Khoa Vật Lí

Xin cam kết đề tài: “Nồng độ hỗn hợp trong động cơ xăng và hệ thống phun xăng điện tử”

1 Đây là đề tài do bản thân tôi nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của thầy giáo

Trần Văn Giảng khoa Vật Lí trường Đại học sư phạm Hà Nội 2

2 Đề tài không hề sao chép từ một tài liệu sẵn có nào

3 Kết quả nghiên cứu không trùng khớp các tác giả khác

Hà Nội, tháng 5 năm 2011

Sinh viên

Đàm Thị Kim Ngân

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

Phần 1: Mở đầu 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

4 Đối tượng - phạm vi nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

6 Phương pháp nghiên cứu 4

7 Kết cấu luận văn 4

Phần 2: Nội dung 5

Chương 1: Xăng và chỉ số Octan 5

1.1 Xăng 5

1.1.1 Thành phần chính của xăng 5

1.1.2 Tính chất của xăng 6

1.2 Chỉ số Octan 6

1.2.1 Lịch sử ra đời chỉ số Octan 6

1.2.2 Nguyên nhân sự kích nổ 7

1.2.3 Lựa chọn chỉ số Octan phù hợp 8

Chương 2: Nồng độ hỗn hợp trong động cơ xăng 11

2.1 Nồng độ hỗn hợp 11

2.1.1 Hệ số dư lượng không khí và ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí 11

2.1.2 Thành phần khí hỗn hợp 14

2.2 Hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí 16

2.2.1 Nhiệm vụ của bộ chế hòa khí 16

2.2.3 Nguyên lí làm việc 17

2.2.4 Một số nhược điểm của bộ chế hòa khí 18

Chương 3: Hệ thống phun xăng điện tử 21

3.1 Khái quát về hệ thống phun xăng điện tử 21

3.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống phun xăng điện tử 21

3.1.2 Phân loại 22

3.1.3 So sánh động cơ phun xăng với động cơ dùng bộ chế hòa khí 23

3.1.4 Đặc điểm tạo hỗn hợp khí cháy bằng phun xăng điện tử 26

3.1.5 Nguyên lí điều chỉnh tỉ lệ của hỗn hợp khí cháy và định lượng nhiên liệu trong hệ thống phun xăng điện tử 28

3.2 Một số thành phần của hệ thống phun xăng điện tử 31

3.2.1 Bơm xăng điện 31

3.2.2 Bộ điều chỉnh áp suất 33

3.2.3 Vòi phun xăng 34

3.2.3.1 Vòi phun điện từ trong hệ thống phun xăng nhiều điểm 34

3.2.3.2 Vòi phun điện từ trong hệ thống phun xăng một điểm Mono-Jetronic 35

3.2.3.3 Vòi phun cơ khí trong hệ thống phun xăng cơ khí K- Jetronic 36 3.2.3.4 Vòi phun khởi động lạnh và công tắc nhiệt 36

3.2.4 Các cảm biến 38

3.2.4.1 Cảm biến lưu lượng khí nạp 38

3.2.4.2 Cảm biến vị trí bướm ga 41

3.2.4.3 Cảm biến áp suất đường ống nạp 42

3.2.4.4 Cảm biến vị trí trục khuỷu, trục cam 43

3.2.4.5 Cảm biến kích nổ 45

Phần 3: Kết luận 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Bên cạnh sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, ngành động cơ đốt trong cũng có những bước tiến đáng kể Với chiếc động cơ 2 kì đầu tiên chạy bằng khí thiên nhiên do Jean Etienne Lenoir chế tạo năm 1860, đã đánh dấu mốc lịch sử phát triển của ngành chế tạo động cơ đốt trong Tiếp sau đó là

sự ra đời của động cơ 4 kì, động cơ xăng, động cơ diezen… Với hiệu suất, công suất, số lượng ngày càng tăng Đồng thời trọng lượng, kích thước, tính kĩ thuật

và an toàn ngày càng được nâng cao Do những cải tiến kĩ thuật mà động cơ đốt trong ngày càng hoàn hảo

Sự ra đời và phát triển của động cơ đốt trong, tạo điều kiện cho sự ra đời và phát triển của các ngành công nghệ chế tạo ôtô, giao thông vận tải, công nghệ hóa chất… Hiện nay khoảng 80% tổng năng lượng trên toàn thế giới là năng lượng của động cơ nhiệt Tuy nhiên, vấn đề ứng dụng động cơ đốt trong lại gặp nhiều khó khăn Khó khăn trở ngại lớn nhất là vấn đề ô nhiễm môi trường và tính kinh tế khi sử dụng Việc ứng dụng sự ra đời của bộ chế hòa khí là bước thành công mới góp phần cải thiện tính kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường Thành tựu này được sử dụng trong một thời gian dài Tuy vậy bộ chế hòa khí còn nhiều tồn tại và nhược điểm

Do đó vấn đề đặt ra, đòi hỏi các nhà thiết kế động cơ đốt trong phải chế tạo

ra những động cơ có tính kinh tế cao và giảm ô nhiễm môi trường Chính vì vậy

sự ra đời của hệ thống phun xăng điện tử đã đánh dấu mốc phát triển mới của ngành công nghệ chế tạo động cơ đốt trong Một trong những ưu điểm nổi bật của hệ thống phun xăng điện tử là tạo được nồng độ hỗn hợp nhiên liệu tối ưu nhất với từng chế độ hoạt động của động cơ nên hệ thống phun xăng điện tử đã

bộ chế hòa khí Tuy vậy, ở Việt Nam đây là lĩnh vực mới Là sinh viên sư phạm

kĩ thuật tôi muốn đi sâu tìm hiểu kiến thức về động cơ đốt trong, đồng thời để góp phần vào việc phát triển ngành động cơ đốt trong và bảo vệ môi trường Vì

vậy tôi đã chọn đề tài cho luận văn của mình là: “Nồng độ hỗn hợp trong động

cơ xăng và hệ thống phun xăng điện tử”

2 Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu về xăng và chỉ số Octan

- Tìm hiểu nồng độ hỗn hợp nhiên liệu ảnh hưởng đến quá trình cháy và công suất của động cơ

- Nhược điểm của bộ chế hòa khí

- Tìm hiểu thành phần cấu tạo, ưu nhược điểm của hệ thống phun xăng điện

tử

- Tìm hiểu tại sao hệ thống phun xăng điện tử lại có tính kinh tế cao và giảm ô nhiễm môi trường

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Khái quát tìm hiểu về xăng và chỉ số Octan

- Nghiên cứu nồng độ hỗn hợp nhiên liệu ảnh hưởng đến quá trình cháy và công suất của động cơ

- Phân tích được nhược điểm của bộ chế hòa khí

- Nghiên cứu được các thành phần cấu tạo, quy trình, giải pháp kĩ thuật tạo nên tính kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường của hệ thống phun xăng điện tử

- Đánh giá kết quả thảo luận chuyên môn

4 Đối tượng - phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:

+ Thành phần, tính chất, chỉ số Octan của xăng

+ Thành phần khí hỗn hợp, hệ số dư lượng không khí ảnh hưởng đến quá trình cháy và hiệu suất động cơ

+ Nhược điểm của bộ chế hòa khí

+ Thành phần cấu tạo, ưu nhược điểm tính kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường của hệ thống phun xăng điện tử

- Phạm vi nghiên cứu:

+ Do thời gian có hạn nên phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ dừng lại ở việc tìm hiểu thành phần cấu tạo, tính kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường của

hệ thống phun xăng điện tử

+ Nhược điểm của bộ chế hòa khí

+ Lí thuyết về xăng, nồng độ hỗn hợp trong động cơ xăng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ngành động cơ đốt trong đóng vai trò rất lớn trong nền kinh tế quốc dân Hiện nay là thế kỉ của khoa học, thông tin, kĩ thuật hiện đại Cùng với sự phát triển của toàn cầu, đất nước Việt Nam cũng đang sánh vai với các nước phát triển thực hiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

Hiện nay động cơ đốt trong là nguồn động lực chiếm khoảng 80% tổng năng lượng sử dụng hàng năm của thế giới Động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân: Công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, xây dựng, quốc phòng…Tuy vậy, khí thải của động cơ đốt trong là nguồn chủ yếu gây ô nhiễm môi trường Mặt khác việc nâng cao tính kinh tế và hiệu quả của việc sử dụng động cơ đốt trong còn gặp nhiều khó khăn Do vậy để đảm bảo tính phát triển bền vững, cần phải nâng cao tính kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường Đây là vấn đề được các nhà khoa học kinh tế đặc biệt quan tâm, nghiên cứu, khắc phục và cải tiến công nghệ trong lĩnh vực này Sự ra đời của

hệ thống phun xăng điện tử đã đáp ứng và giải quyết được hai vấn đề trên Hệ thống phun xăng điện tử với nhiều ưu điểm vượt trội đã thay thế hoàn toàn bộ chế hòa khí tồn tại trong nhiều năm Do vậy cần nghiên cứu, phát triển mở rộng

cải tiến công nghệ trong lĩnh vực này, nhằm đáp ứng sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

6 Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu lí thuyết, nghiên cứu các tài liệu tham khảo, thu thập các báo cáo khoa học tại các hội nghị khoa học

- Tiến hành tìm hiểu thực tế

7 Kết cấu luận văn

Ngoài phần mở đầu, phần kết luận chung, phần mục lục

Đề tài được trình bày trong 3 chương:

- Chương 1: Xăng và chỉ số Octan

- Chương 2: Nồng độ hỗn hợp trong động cơ xăng

- Chương 3: Hệ thống phun xăng điện tử

PHẦN 2: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: XĂNG VÀ CHỈ SỐ OCTAN

1.1 Xăng

1.1.1 Thành phần chính của xăng

Xăng là sản phẩm được chưng cất từ dầu mỏ, trong thành phần xăng có 85% C, 15% H

Xăng là hỗn hợp của nhiều cacbuahidro, là loại nhiên liệu nhẹ:

 = 0,650,8 g/cm3 dễ bay hơi và tính chất tự cháy kém Thành phần chính của xăng gồm cacbuahidro no nhưng có dạng mạch nhánh và cacbuahidro thơm nhân benzen, là các kết cấu rất bền vững

Ví dụ: Iso octan C8H18 và Metyl benzen C6H5CH3

Hình 1 Sơ đồ cấu tạo phân tử

1.1.2 Tính chất của xăng

- Trị nhiệt của xăng cỡ 10.000  11.000 Kcal/kg (giá trị nhiệt của xăng)

- Tính bay hơi của xăng phụ thuộc vào nhiệt độ:

Nhiệt độ thấp, bay hơi chậm

Nhiệt độ cao bay hơi nhanh

- Tỉ trọng của xăng nhẹ hơn nước  0,75 kg/1lít

- Năm 1886 Carl Freidrich Benz nhận được bằng sáng chế về phát minh:

“Vận chuyển bằng động cơ dùng xăng”

- Năm 1903 hãng xe nổi tiếng Ford Motor Company ra đời do Henry Ford thành lập

Với sự cạnh tranh gay gắt về công nghệ Các hãng xe thường xuyên nâng cấp thêm nhiều tính năng mới (hệ thống làm lạnh trong, hệ thống đánh lửa tự động…), đặc biệt họ luôn tin tưởng sức mạnh của động cơ đốt trong có thể tăng lên tùy ý Vì theo lý thuyết nhiệt động học, tỉ số nén càng cao thì hiệu suất càng gần đến cực đại

- Năm 1912 họ phải khống chế tỉ số nén dưới một giá trị tới hạn cho phép Nguyên nhân là xuất hiện những tiếng nổ lốc cốc khi động cơ làm việc, nguy hiểm hơn là động cơ bị phá hủy chỉ sau vài phút xuất hiện hiện tượng này

- Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng tiếng lốc cốc đó không xuất hiện

do đánh lửa sớm của hệ thống mà xuất hiện đúng thời điểm áp suất tăng một cách mãnh liệt sau khi buzi đánh lửa

Sau một thời gian nghiên cứu họ đã thừa nhận rằng, họ quên không nghiên cứu một thành phần quan trọng ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của động cơ đốt trong: Nhiên liệu dùng trong động cơ đốt trong tồn tại một tính chất đặc biệt

là nó sẽ tự cháy, tự kích nổ khi bị nén trong xilanh dưới áp suất cao trước cả khi buzi đánh lửa

- Năm 1927 từ những kết quả đó Graham Edgra đã đề nghị sử dụng 2 hidrocacbon để đánh giá mức độ kích nổ cho nhiên liệu: n-heptan và 2,4,4-trimetyl pentan (gọi tắt là Iso-Octan)

Iso-Octan có chỉ số chống kích nổ cao còn n-heptan có khả năng chống kích nổ rất kém

Như vậy Octan là chỉ số chống kích nổ cho động cơ

1.2.2 Nguyên nhân sự kích nổ

Hiện tượng kích nổ bắt nguồn từ việc sử dụng nhiên liệu có khả năng chống kích nổ quá thấp, khiến cho hỗn hợp khí - nhiên liệu không được đốt cháy một cách điều hòa để tạo nguồn năng lượng tối đa

Kết quả thu được từ nghiên cứu của Thomas Midgley (1889 - 1944) và Sir Harry Ricardo (1885 - 1974) đã chứng minh điều đó Để đạt được năng lượng tối đa từ hỗn hợp khí (nhiên liệu - không khí) nén trong buồng đốt cần phải được đốt cháy một cách điều hòa Bắt đầu từ khi buzi đánh lửa, bề mặt ngọn lửa lan tỏa một cách đồng đều trong xilanh với tốc độ khoảng 20- 25 m/s và đốt cháy hết hòa khí ở những vùng mà nó đi qua

Quá trình cháy điều hòa sinh ra các bức xạ quang nhiệt đốt nóng vùng khí chưa cháy phía trước và nếu nhiên liệu có khả năng chống kích nổ tốt hỗn hợp

chúng sẽ cháy một cách tuần tự cho đến khi toàn bộ khí trong xilanh cháy hết Bằng cách đó, nhiên liệu sẽ cung cấp một lực đẩy có năng lượng tối đa lên piston

Trong thực tế có hàng loạt các phản ứng tiền kích nổ diễn ra ở vùng khí chưa cháy trong buồng đốt trước khi bề mặt lửa từ buzi ập đến Các phản ứng tiền cháy nổ đó tạo ra các phân tử hay gốc hóa học có khả năng tự bốc cháy bởi các bức xạ quang nhiệt, với tốc độ cháy đạt khoảng 1500 - 2500m/s, nhanh gấp hàng trăm lần tốc độ cháy bình thường

Với tốc độ cháy như vậy chúng sẽ gây ra sự tăng đột ngột áp suất trong xilanh, giá trị áp suất tức thời tại điểm xảy ra hiện tượng kích nổ mà máy ghi áp lực ghi được là 160 atm, gấp nhiều lần so với áp suất vận hành ở chế độ cháy bình thường Nguyên nhân là do sự bù trừ áp suất của hai khối khí ngược chiều nhau: Một sinh ra từ bề mặt lửa lan truyền từ buzi, một sinh ra từ các điểm tự kích nổ

Hiện tượng kích nổ làm tiêu hao năng lực, giảm sức mạnh của động cơ

do năng lượng nhiệt thu được không dùng để sinh công hữu ích Áp suất sinh ra

từ các điểm tự cháy chủ yếu tạo ra các sóng hơi xung động va đập vào thành xilanh, máy nổ rung giật làm nóng động cơ một cách bất thường Đồng thời, sóng nén sinh ra từ các vị trí kích nổ cộng hưởng với sóng nén chính tạo ra nút giao thoa và những tiếng kêu “lốc cốc”

1.2.3 Lựa chọn chỉ số Octan phù hợp

Chỉ số Octan là một trong những yếu tố quan trọng quyết định quá trình vận hành của động cơ Do đó lựa chọn giá trị Octan để động cơ “chạy” một cách

êm ả, khỏe khoắn và trường kì là yêu cầu hàng đầu

Chỉ số Octan nằm ngoài danh mục bảo hành của nhà sản xuất và việc đáp ứng yêu cầu kĩ thuật của nhiên liệu hoàn toàn phụ thuộc vào người sử dụng Đầu tiên, để lựa chọn được loại xăng phù hợp bạn cần phải biết kiểu động cơ mà bạn

đang sử dụng Có rất nhiều hãng xe hơi và xe gắn máy, mỗi xe đều có những cải tiến, thiết kế riêng cho động cơ của mình Có thể phân thành hai nhóm chính: Được trang bị và không được trang bị

Các loại xe không được trang bị hệ thống điều hành tự động thường là xe gắn máy và ôtô đời cũ, chúng có đặc điểm chung là vẫn dùng bộ chế hòa khí để tạo ra hỗn hợp xăng gió

Trong khi đó hầu hết các hãng xe hơi có mặt ở Việt Nam hiện nay đều trang bị hệ thống điều hành tự động cho các sản phẩm của mình Trên các dòng

xe này không gắn bộ chế hòa khí mà nhiên liệu được bơm thẳng vào xilanh thông qua thiết bị bơm nhiên liệu tự động (EFI)

Đối với các loại xe không trang bị hệ thống điều hành tự động, việc lựa chọn chỉ số Octan sẽ khó khăn hơn vì động cơ không thể tự điều chỉnh về điều kiện vận hành tối ưu Hơn nữa hiện tượng kích nổ phá hủy động cơ rất nhanh nên người sử dụng các loại xe này phải dùng nhiên liệu chắc chắn không gây ra hiện tượng kích nổ dưới những điều kiện vận hành mà họ thường xuyên gặp phải

Sau khi thử nghiệm với nhiều động cơ và nhiều loại xăng có chỉ số Octan khác nhau, các nhà nghiên cứu đã đưa ra kết luận lựa chọn chỉ số Octan dựa trên

tỉ số nén của mỗi loại động cơ

Sự tương quan giữa tỉ số nén với chỉ số Octan tối ưu và tuân theo quy luật nhiệt động học, tăng tỉ số nén đồng thời cũng kéo theo sự tăng chỉ số Octan và hiệu suất nhiệt động

Với hai loại xăng bán trên thị trường hiện nay là Mogas 90 và Mogas 92, các xe gắn máy có tỉ só nén 7: 1 đến 8: 1 đều có thể hoạt động một cách trơn tru, nếu đảm bảo được các thông số kĩ thuật khác như: tình trạng sạch sẽ của động

cơ, vị trí chốt lửa và thông số quán tính vận hành Run-on (Run-on là thuật ngữ

dùng để chỉ xu hướng tiếp tục hoạt động của động cơ khi ngắt nguồn điện buzi, nếu quán tính này lớn, động cơ càng dễ bị kích nổ)

Trong trường hợp sử dụng loại xăng có chỉ số Octan khác loại đang dùng,

hệ thống sẽ lập tức đưa động cơ về trạng thái hoạt động tối ưu nhất đối với loại xăng đó bằng cách thay đổi thông số dòng nhiên liệu, dòng không khí để điều chỉnh hỗn hợp xăng gió, ra lệnh cho buzi đánh lửa sớm hay muộn

Nếu nhiên liệu sử dụng có chỉ số Octan đúng như yêu cầu, động cơ sẽ vận hành trơn tru ở điều kiện tối ưu Vì thế nhiên liệu có chỉ số Octan cao hơn cũng không ảnh hưởng đáng kể nào đến hoạt động của chúng

Nếu nhiên liệu có chỉ số Octan thấp hơn chỉ số Octan tối ưu không đáng kể thì việc sử dụng nhiên liệu có chỉ số Octan cao hơn sẽ làm cho hệ thống tự động chuyển về điều kiện vận hành tối ưu, lúc đó động cơ khỏe hơn

Nên thay đổi chỉ số Octan ở các mùa khác nhau (chọn loại xăng có chỉ số Octan thấp hơn về mùa đông), để tiết kiệm tiền và không làm giảm sức mạnh của động cơ

CHƯƠNG 2: NỒNG ĐỘ HỖN HỢP TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG

2.1 Nồng độ hỗn hợp

2.1.1 Hệ số dư lượng không khí và ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí

 Hệ số dư lượng không khí

Thành phần chủ yếu của hỗn hợp bao gồm các nguyên tố oxi, hidro, cacbon

Nếu gọi thành phần khối lượng của các nguyên tố trên lần lượt là O, C, H

Ta có:

H + O + C = 1 Nhiên liệu sẽ cháy và tỏa nhiệt theo phương trình sau:

C + O2 = CO22H2 + O2 = 2H2O

Do đó ta có phương trình cân bằng khối lượng của các phản ứng sau:

12 kg C +32 kg O2 = 44 kg CO2 (1)

4 kg H2 + 32 kg O2 = 36 kg H2O (2) Hai phương trình (1), (2) viết cho C kg cacbon và H kg hidro có dạng:

C kg Cacbon + 8

3C kg Oxi =

11

3C kg Cacbonic (3)

H kg Hidro + 8H kg Oxi = 9H kg Nước (4)

Như vậy lượng oxi cần thiết cho hai phản ứng (3) và (4) là: 8

3C + 8H Trong 1 kg nhiên liệu có sẵn O kg oxi Vì vậy lượng oxi cần thiết trong không khí (Oct) để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu là:

Oct = 8

3C + 8H  O

Ta đã biết thành phần khối lượng oxi trong không khí là 0,23 còn thành phần thể tích là 0,21 Do đó ta có thể xác định được lượng không khí cần thiết

để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu (Lo) là:

Lo = 10,23 (

8

3C + 8H  O) (Kg/Kg nhiên liệu) Thực tế, bằng thực nghiệm có thể xác định được lượng không khí thực

sự nạp vào động cơ tính cho 1 kg nhiên liệu là L Tỉ số  = L

Lo gọi là hệ số dư lượng không khí Hệ số dư lượng không khí đặc trưng cho mức độ đậm nhạt của hỗn hợp

 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí

Hệ số dư lượng chỉ rõ mức độ sai biệt giữa tỉ lệ xăng không khí cung cấp thực tế cho động cơ so với tỉ lệ hỗn hợp lí tưởng Hệ số dư lượng không khí ảnh hưởng tới công suất P và tiêu hao nhiên liệu be

Hình 2 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí  đối với công suất động cơ P

và đối với suất tiêu hao nhiên liệu b e

Qua đồ thị ta thấy:

 = 1 lượng không khí nạp bằng lượng không khí yêu cầu lí tưởng

 < 1 thiếu không khí nạp, hay khí hỗn hợp giàu xăng,  trong khoảng 0,85

 0,95, công suất động cơ tăng, hiệu suất động cơ giảm

 > 1 dư lượng không khí nạp hay khí hỗn hợp nghèo xăng,  trong khoảng 1,05  1,3, công suất động cơ giảm đồng thời suất tiêu hao nhiên liệu cũng giảm

 > 1,3 hỗn hợp quá nghèo xăng không thể cháy được

 = 0,85  0,95 hỗn hợp cháy tốt, phát huy công suất tối đa Lượng không khí thiếu so với lí tưởng khoảng 5  15%

 = 1,1  1,2 suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ tối đa, dư không khí khoảng 20%

  1,0 hệ số dư lượng không khí này sẽ cho một tỉ lệ khí hỗn hợp lí tưởng

và cho phép động cơ vận hành ổn định ở chế độ chạy cầm chừng

 = 0,85  0,75 thiếu khoảng 15  25% không khí Động cơ nổ chuyển tiếp tốt, chuyển tiếp có nghĩa là thay đổi chế độ làm việc từ chế độ này sang chế độ khác

Ví dụ: Thay đổi từ chạy cầm chừng không tải sang có tải một phần Hệ số

dư lượng không khí  ảnh hưởng tới thành phần hơi độc hại khí thải

Hình 3 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí  đối với thành phần

2.1.2 Thành phần khí hỗn hợp

 Quá trình cháy có thể được cháy kiệt và kịp thời hay không phụ thuộc vào tốc độ lan truyền màng lửa Nhân tố gây ảnh hưởng chính đến tốc độ lan truyền màng lửa là thành phần hòa khí

- Khí hỗn hợp đậm: Hỗn hợp được tạo thành theo tỉ lệ 1 kg xăng hòa lẫn 13

 15 kg không khí Tốc độ lan màng lửa cao nhất, hỗn hợp cháy với vận tốc lớn,

áp suất và nhiệt độ cũng lớn nhất do đó công suất động cơ cao nhất

- Khí hỗn hợp quá đậm: Hỗn hợp được tạo thành theo tỉ lệ 1kg xăng hòa lẫn nhỏ hơn 13 kg không khí Tốc độ lan màng lửa giảm làm công suất giảm Hỗn hợp gồm 1 kg xăng hòa trộn nhỏ hơn 5 kg không khí, do thiếu oxi trầm trọng nên hòa khí không cháy được

- Khí hỗn hợp nhạt: Hỗn hợp được tạo thành theo tỉ lệ 1 kg xăng hòa lẫn với lớn hơn 15  17 kg không khí Vì đủ oxi nhiên liệu cháy kiệt hơn nhưng tốc

độ lan màng lửa giảm, tốc độ cháy chậm nên công suất giảm

- Khí hỗn hợp quá nhạt: Hỗn hợp được tạo thành theo tỉ lệ 1 kg xăng hòa lẫn với lớn hơn 17 kg không khí, tốc độ lan truyền màng lửa càng giảm làm cho tốc độ cháy rất chậm dẫn đến công suất giảm

- Nếu hỗn hợp 1 kg xăng hòa trộn với lượng không khí lớn hơn 21 kg không khí làm cho khoảng cách giữa các phân tử nhiên liệu quá lớn, khiến màng lửa không thể lan trong hòa khí, động cơ hoạt động không ổn định thậm chí gây

Hình 4 Đường biểu diễn thành phần tỉ lệ khí hỗn hợp cung cấp cho

động cơ nhiều chế độ tải khác nhau

- Khi khởi động: Khi khởi động thành phần của các ống nạp, các xilanh còn lạnh nên nhiên liệu được phun vào dính lên các thành Trong trường hợp này hỗn hợp không khí nhiên liệu trong buồng đốt bị nhạt đi Vì thế cần có hỗn hợp không khí nhiên liệu đậm, khoảng 1 kg xăng hòa lẫn 9 kg không khí

- Khi hâm nóng động cơ: Nhiệt độ của nước làm mát càng thấp, xăng càng khó hóa hơi làm cho xăng bắt lửa kém Vì thế cần hỗn hợp không khí nhiên liệu đậm

- Chế độ chạy cầm chừng: Tỉ lệ hỗn hợp là 1 kg xăng hòa lẫn 12 kg không khí

- Khi tăng tốc: Khi bàn đạp ga được ép xuống, sẽ xuất hiện sự trì hoãn trong cung cấp nhiên liệu do thay đổi tải trọng, dẫn đến hỗn hợp nhiên liệu nghèo đi Vì vậy cần bổ sung một lượng nhiên liệu phun vào hỗn hợp

- Khi chạy với tốc độ trung bình: Hỗn hợp nghèo xăng hơn vào khoảng 1

kg xăng hòa lẫn 15 kg không khí

- Khi chịu tải nặng: Cần công suất lớn, động cơ được cung cấp hỗn hợp hơi giàu để giảm nhiệt độ đốt cháy và đảm bảo toàn bộ lượng không khí cung cấp sẽ được sử dụng để đốt cháy

- Khi giảm tốc: Không cần công suất lớn, nhiên liệu được cắt giảm một phần để làm sạch khí xả

 Tỉ lệ khí hỗn hợp lí tưởng

Tỉ lệ khí hỗn hợp lí tưởng là 1

14,7 Tỉ lệ này được gọi là lí tưởng vì lượng oxi trong khí hỗn hợp này hoàn toàn thích ứng với lượng hidrocacbon trong xăng, giúp cho quá trình cháy của khí hỗn hợp được hoàn hảo nhất Tỉ lệ khí hỗn hợp này sẽ xảy ra tình trạng nhiều xăng đối với tỉ lệ 1 kg xăng / 14 kg không khí, cũng như dư thừa oxi đối với tỉ lệ 1 kg xăng / 16 kg không khí

2.2 Hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí

2.2.1 Nhiệm vụ của bộ chế hòa khí

Bộ chế hòa khí (bình xăng con) có nhiệm vụ hòa trộn không khí và xăng theo một tỉ lệ thích hợp và cung cấp hỗn hợp này cho động cơ

2.2.2 Cấu tạo

Hình 5 Bộ chế hòa khí đơn giản

1 Vòi phun; 2 Họng khuếch tán; 3 Bướm ga; 4 Giclơ; 5 Phao;

6 Buồng phao; 7 Van kim; 8 ống dẫn xăng; 9 Lỗ thông khí; 10 Bướm gió

Buồng phao (6) dùng để chứa xăng

Phao (5) và van kim (7) để ổn định mức xăng trong buồng phao khi động

cơ làm việc

Ziclơ (4) để điều chỉnh lượng xăng qua vòi phun (1)

Vòi phun (10) để phun xăng từ buồng phao (6) vào họng khuếch tán (2)

Lỗ thông khí (9) để đảm bảo áp suất trong buồng phao bằng áp suất bên ngoài

Họng khuếch tán (2) có tiết diện nhỏ nhằm tăng vận tốc dòng khí nạp, tạo nên sự giảm áp suất khí tại họng

Bướm ga (3) để điều chỉnh lượng hòa khí cấp vào xilanh động cơ

2.2.3 Nguyên lí làm việc

Bộ chế hòa khí làm việc theo nguyên tắc hoàn toàn cơ học Xăng được phun vào buồng phao qua ống dẫn nhiên liệu vào Khi khoang chứa đã nạp đầy đến một mức độ nhất định, phao và van phao sẽ dâng lên đóng kín đường nạp nhiên liệu vào Trong quá trình nạp, pitton đi xuống, áp suất trong xilanh giảm, không khí được hút vào xilanh sẽ đi qua họng khuếch tán

Họng khuếch tán có tiết diện nhỏ nên dòng khí đi qua họng có vận tốc lớn

và áp suất giảm thấp hơn so với áp suất buồng phao

Do tác dụng của độ chân không và sự chênh lệch áp suất, xăng trong buồng phao được hút qua vòi phun và phun vào họng khuếch tán Tại đây xăng bị dòng khí xé tơi tạo thành các hạt xăng, các hạt xăng này bay hơi hòa trộn với không khí tạo thành hòa khí đi vào xilanh

Khi cần điều chỉnh lượng hỗn hợp đi vào động cơ phù hợp với từng chế độ

bộ chế hòa khí đã cơ cấu thêm nhiều hệ thống phụ (không tải, tăng tốc, khởi động…) Nhưng nó vẫn còn một số nhược điểm

2.2.4 Một số nhược điểm của bộ chế hòa khí

Tuy đáp ứng được một số yêu cầu về chế độ làm việc của động cơ nhưng vẫn tồn tại một số nhược điểm sau:

- Đối với động cơ dùng bộ chế hòa khí, khả năng thích ứng với các chế độ làm việc không cao:

+ Khi khí hỗn hợp giàu xăng, do thiếu oxi, trong sản phẩm cháy sẽ có CO,

H2O, N2, CO2, và H2 Trong đó CO và H2 gây hại cho sức khỏe con người, gây ô nhiễm môi trường xung quanh

+ Khi khí hỗn hợp nghèo xăng sẽ thừa O2, trong sản phẩm cháy sẽ có CO2,

H2O thừa O2 và N2 ít gây hại cho người so với khí CO2 và H2

- Đối với động cơ nhiều xilanh, dư lượng giữa các xilanh không đồng đều, dẫn đến công tạo ra giữa các xilanh trong kì nổ không đều nhau gây ra tổn hao nhiên liệu Hỗn hợp của các xilanh càng xa bộ chế hòa khí càng giàu xăng

Ví dụ: Xilanh số 1 và số 4 của động cơ 4 xilanh, các xilanh số 1 và số 6 của động cơ 6 xilanh nhận được khí hỗn hợp giàu xăng nhất

- Hệ số nạp của bộ chế hòa khí không cao vì có chỗ thắt ở họng khuếch tán

và tổn thất nhiệt độ sấy nóng đường ống nạp dẫn đến hiệu suất không cao

- Trong hệ thống khởi động: Khi động cơ đã nổ dưới tác dụng của độ chân không lớn sau bướm ga, van an toàn sẽ mở cung cấp thêm không khí tránh cho hỗn hợp quá đậm, dẫn tới động cơ chết máy ngay sau khi nổ Hiện tượng này phụ thuộc vào sự đàn hồi của lò xo

- Trong hệ thống không tải: Khi động cơ chạy không tải hoặc ít tải, bướm

ga gần như đóng kín, lúc đó một lượng khí sót đáng kể còn lưu lại trong xilanh làm cho tốc độ cháy của hỗn hợp cháy rất chậm và nạp không đầy

- Đối với hệ thống tăng tốc: Trong quá trình mở đột ngột bướm ga lò xo bị nén lại, khi kết thúc lò xo sẽ giãn ra từ từ, có tác dụng kéo dài quá trình phun nhiên liệu thêm một thời gian nữa Vì vậy có thể tránh được hiện tượng động cơ

rồ máy lên đột ngột, do hệ thống chưa kịp thời cung cấp nhiên liệu cho động cơ nên hỗn hợp nhạt đi Nhưng việc chế tạo lò xo giãn ra từ từ là rất khó và độ chính xác sẽ không cao nên động cơ vẫn có thể bị rồ máy hoặc chết máy

- Đối với hệ thống làm đậm: Do dẫn động bằng cơ khí nên ban đầu chỉ phụ thuộc vào độ mở của bướm ga mà không phụ thuộc vào tốc độ vòng quay, do đó ảnh hưởng tới đặc tính tải của động cơ ở chế độ này (hình 6)

+ Khi n lớn, công suất của động cơ tăng nhanh theo độ mở của bướm ga nên làm đậm ở 80% là hợp lí (đường 2)

+ Khi n nhỏ, công suất của động cơ tăng chậm nên làm đậm ở 80% công suất tăng rất ít (đường 1)

Hình 6 Đặc tính tải của động cơ khi làm đậm cơ khí

1 Đặc tính tải ở chế độ tốc độ vòng quay n nhỏ

2 Đặc tính tải ở chế độ tốc độ vòng quay n lớn

- Khi động cơ làm việc ở độ cao càng lớn so với mực nước biển, mật độ không khí càng giảm dẫn đến lượng khí nạp thực tế giảm đi và hỗn hợp ngày càng đậm lên Do lượng không khí nạp thực tế giảm nên công suất giảm đồng thời làm tăng độc hại khí thải

- Chế độ từ không tải đến tải nhỏ, hỗn hợp rất đậm do tỉ lệ khí sót trong hỗn hợp lớn, nhiệt độ động cơ thấp nên điều kiện bay hơi, hòa trộn, hình thành hỗn hợp và cháy kém

+ Hỗn hợp rất giàu gây nên khí xả màu đen, khói mù

+ Động cơ chết máy khi nó ấm lên

+ Động cơ chết máy sau khi chạy tốc độ cao

- Không đáp ứng kịp thời nhiên liệu trong quá trình tăng tốc động cơ do sử dụng phương pháp cơ khí nên không tức thì

- Hỗn hợp được hình thành từ họng khuếch tán nên khi hỗn hợp đi qua đường ống nạp vào buồng cháy sẽ có một lượng xăng đọng bám trên đường ống nạp Vì vậy có thể ảnh hưởng đến chế độ hoạt động của động cơ sau đó

- Động cơ không phát hết công suất do thành phần khí hỗn hợp quá nhạt hoặc quá đậm Thành phần khí hỗn hợp quá nhạt thường gây nổ trên đường ống hút, vì hỗn hợp quá nhạt có tốc độ cháy chậm Khi xupap mở khí hỗn hợp chưa cháy hết trong xilanh và châm cháy trên đường ống hút

- Bộ chế hòa khí dẫn động bằng cơ khí nên điều khiển không tức thì, xảy ra mài mòn, cong vênh do đó điều khiển không chính xác Mặt khác cần phải bôi trơn, thay thế, kiểm tra thường xuyên

- Hệ thống hay hỏng hóc: Rò xăng qua các khớp nối, lỗ giclơ bị cặn bẩn dẫn đến tắc hệ thống điều chỉnh bằng cơ khí nên có nhiều sai lệch

- Không khí đi vào động cơ có thể không qua bộ chế hòa khí mà đi qua các khớp nối không kín khít của bộ chế hòa khí hoặc qua các mặt tiếp giáp không

kín giữa ống hút và nắp xilanh động cơ Làm ảnh hưởng đến chế độ làm việc của động cơ

- Khi động cơ bị nghiêng, bộ chế hòa khí làm việc không tốt, có thể không hoạt động

Vậy để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao đối với quá trình hình thành khí hỗn hợp, nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu và độc hại khí thải cũng như cải thiện chất lượng làm việc của động cơ ở mọi chế độ làm việc, người ta trang bị

hệ thống điều khiển bằng điện tử Đó là hệ thống phun xăng điện tử

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ

3.1 Khái quát về hệ thống phun xăng điện tử

Phun xăng điện tử được viết tắt là EFI (Electronic Fuel Injection) Hệ thống này cung cấp hỗn hợp khí cho động cơ một cách hoàn hảo Tùy theo chế độ làm việc của động cơ EFI thay đổi tỉ lệ khí - nhiên liệu để luôn cung cấp cho động cơ một hỗn hợp khí tối ưu Cụ thể ở chế độ khởi động trong thời tiết lạnh giá, hỗn hợp khí được cung cấp giàu xăng, sau khi động cơ đã được nhiệt độ vận hành hỗn hợp khí sẽ nghèo xăng hơn Ở chế độ cao tốc sẽ được cung cấp hỗn hợp khí giàu xăng trở lại

Cả hai hệ thống (bộ chế hòa khí hay EFI) đo lượng khí nạp mà thay đổi theo góc mở của bướm ga và tốc độ động cơ đều cung cấp một tỉ lệ nhiên liệu và không khí thích hợp đến các xilanh phụ thuộc vào lượng khí nạp

Do kết cấu của chế hòa khí khá đơn giản, nó được sử dụng trên hầu hết các động cơ xăng trước đây Mặc dù vậy để đáp ứng được các nhu cầu hiện nay về khí xả sạch hơn, tiêu hao nhiên liệu kinh tế, cải thiện khả năng làm việc, bộ chế hòa khí ngày nay phải được lắp đặt các thiết bị hiệu chỉnh khác nhau làm cho nó trở thành một hệ thống phức tạp hơn

Do vậy hệ thống EFI được sử dụng thay thế cho bộ chế hòa khí, đảm bảo tỉ

lệ khí - nhiên liệu thích hợp cho động cơ làm việc, phun nhiên liệu điều khiển

Vòi phun

Đường ống nạp

Bầu

lọc

Xi lanh động cơ

Bầu lọc khí

Bộ điều khiển phun

Các cảm biến

3.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống phun xăng điện tử

Hình 7 Sơ đồ khối hệ thống phun xăng điện tử

Quá trình phun được điều khiển theo nhiều thông số về tình trạng và chế độ làm việc của động cơ nên hòa khí có tỉ lệ phù hợp với chế độ làm việc của động

cơ

3.1.2 Phân loại

- Căn cứ vào số vòi phun:

+ Phun xăng một điểm (hay gọi là hệ thống phun xăng trung tâm): Loại này chỉ có một vòi phun chung cho các xilanh, xăng được phun vào đường nạp phía trên bướm ga