Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu ảnh hưởng của giai đoạn phun mồi đến cháy do nén xăng (GCI) trong động cơ Diezel nhiều xylanh

Đồ án nghiên cứu về các phương pháp hiện thực hóa động cơ GCI và tập trung đánh giá các ảnh hưởng của giai đoạn phun mồi đến hiệu suất động cơ, thời gian cháy trễ,... đối với động cơ Diesel nhiều xylanh. Để tối ưu quá trình cháy, thông qua các tài liệu, báo cáo,... ta lựa chọn sử dụng nhiên liệu GB Gasonline Biodiesel. Và tiến hành so sánh hiệu quả làm việc của các loại nhiên liệu GB có nồng độ Biodiesel khác nhau. Từ đó chỉ ra những phương pháp hiện thực, tối ưu hóa quá trình làm việc của động cơ GCI.

LỜI MỞ ĐẦU

Trong xu thế hội nhập hiện nay, nền công nghiệp Việt Nam đangđứng những cơ hội đầy tiềm năng và ngành công nghiệp ô tô Việt Namcũng không ngoại lệ Ở nước ta số lượng ô tô hiện đại đang được lưuhành ngày một tăng Các loại ô tô này đều được cải tiến theo hướng tăngcông suất, tốc độ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu, điện tử hoá quá trình điềukhiển và hạn chế mức thấp nhất thành phần ô nhiễm trong khí xả độngcơ

Với sự phát triển mạnh mẽ của tin học trong vai trò dẫn đường, quátrình tự động hóa đã đi sâu vào các ngành sản xuất và các sản phẩm củachúng, một trong số đó là ô tô Nhờ sự giúp đỡ của máy tính để cải thiệnquá trình làm việc nhằm đạt hiệu quả cao và chống ô nhiểm môi trường,tối ưu hoá quá trình điều khiển dẫn đến kết cấu của động cơ và ô tô thayđổi rất phức tạp, làm cho người sử dụng và cán bộ công nhân kỹ thuậtngành ô tô ở nước ta còn nhiều lúng túng và sai sót nên cần có nhữngnghiên cứu cụ thể về hệ thống điện tử trên động cơ ô tô

Vì vậy là một sinh viên của ngành động lực sắp ra trường, em chọn đề

tài: "Nghiên cứu ảnh hưởng của giai đoạn phun mồi đến cháy do nén xăng (GCI) trong động cơ Diezel nhiều xi lanh" làm đề tài tốt nghiệp

của mình Em rất mong với đề tài này em sẽ củng cố tốt hơn kiến thứccủa mình để khi ra trường em có thể đóng góp vào ngành công nghiệp ô

tô của nước ta, để góp phần vào sự phát triển chung của ngành

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU

ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ

I CÁC VẤN ĐỀ CHUNG

1.1 Khái niệm chung về hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử

Hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) có điều khiển điện tử là hệ thống

có thể điều khiển được lượng nhiên liệu phun hoặc điều khiển được cảlượng nhiên liệu phun, thời điểm phun và thời điểm đánh lửa (động cơxăng) phù hợp với các chế độ làm việc và điều kiện môi trường khai thác

cụ thể của động cơ để nâng cao công suất riêng, tính kinh tế nhiên liệu vàgiảm thiểu ô nhiễm khí thải Khái niệm tổng quát trên được hiểu như sau:

+ Với động cơ xăng:

- Đối với động cơ phun xăng vào đường ống nạp hoặc vào họngxupap nạp thì có HTPNL chỉ điều khiển được lượng xăng phun, có hệthống điều khiển được cả lượng xăng phun và thời điểm đánh lửa

- Đối với động cơ phun xăng trực tiếp vào xi lanh thì HTPNL điềukhiển được cả lượng xăng phun, thời điểm phun và thời điểm đánhlửa

Các HTPNL chỉ điều khiển lượng nhiên liệu phun được gọi làJetronic, còn các HTPNL điều khiển được cả thời điểm phun, thời điểmđánh lửa và lượng phun thì gọi là Motronic

+ Với động cơ diesel:

HTPNL diesel điều khiển điện tử điều khiển được cả lượng nhiên liệuphun và thời điểm phun

1.2 Ưu, nhược điểm của HTPNL điều khiển điện tử

1.2.1 Ưu điểm

a Tăng công suất lít

Việc sử dụng HTPNL điều khiển điện tử sẽ tạo điều kiện để tăng côngsuất lít của động cơ vì các lí do sau:

- Áp suất phun cao hơn do đó chất lượng quá trình phun và cháy tốthơn

- Bộ điều khiển điện tử của các HTPNL hiện đại vừa có chức năngđiều khiển lượng phun và điều khiển thời điểm phun hoặc đánh lửa cho

- Đối với các động cơ xăng do bỏ bộ chế hòa khí nên kết cấu đườngnạp có thể dễ dàng tối ưu hóa để thực hiện việc tăng áp động tạo điềukiện nạp đầy không khí nạp cho các xy lanh động cơ.

b Giảm tiêu hao nhiên liệu

Khi sử dụng HTPNL điều khiển điện tử sẽ giảm mức tiêu hao nhiênliệu của động cơ vì các nguyên nhân sau:

- Cho phép định lượng nhiên liệu phun rất chính xác phù hợp với từngchế độ và điều kiện làm việc của động cơ có xét đến các yếu tố vận hànhnhư các thông số môi trường

- Đối với động cơ xăng, xăng được phun vào họng xu páp nạp củatừng xylanh hoặc trực tiếp vào xylanh cho phép phân bố đều xăng chocác xylanh và tránh được hiện tượng ngưng đọng hơi xăng trên đườngống nạp và tình trạng hỗn hợp không đồng nhất giữa các xylanh của động

cơ nhiều xy lanh

c Động cơ nhạy cảm hơn với điều khiển và làm việc tốt hơn ở các chế chế độ không ổn định

Khi sử dụng HTPNL điều khiển điện tử, động cơ sẽ có phản ứng tốthơn đối với sự điều khiển của người vận hành và làm việc tốt hơn ở cácchế độ không ổn định, do các nguyên nhân sau:

- Các quá trình điều khiển bằng điện điện tử có quán tính nhỏ

- Hiệu quả gia tốc tức thời của động cơ và phương tiện tốt hơn

- Rút ngắn và tối ưu quá trình khởi động và sấy nóng

- Cải thiện sự làm việc ổn định của động cơ ở chế độ không tải

d Giảm mức độ độc hại của khí thải

- Việc sử dụng cảm biến ô xy cho phép hiệu chỉnh được thành phần hỗnhợp chuẩn ở các chế độ làm việc của động cơ xăng, kết hợp với luân hồikhí thải và sử dụng bộ xử lý khí thải ba chức năng, do đó giảm thiểu tối

đa các thành phần độc hại trong khí thải

1.2.2 Nhược điểm

- Cấu tạo của HTPNL phức tạp vì trong hệ thống phải có đầy đủ cácthành phần như các cảm biến, bộ điều khiển điện tử, các cơ cấu chấphành và một số thành phần khác

- Giá thành của HTPNL đắt, do đó giá thành chung của động cơ vàcủa phương tiện cũng đắt

II PHÂN LOẠI.

Trong phạm vi đề tài, em chỉ tiến hành phân loại các HTPNL Dieselđiều khiển điện tử

Nhìn chung, HTPNL Diesel rất đa dạng về thiết kế, nguyên lý hoạtđộng cũng như phạm vi áp dụng Đối với HTPNL diesel nói chung, cóthể phân loại theo các tiêu chí cơ bản sau:

* Theo đặc điểm kết cấu chung: có thể phân thành 4 nhóm lớn là:

+ HTPNL diesel dùng BCA kiểu dãy

+ HTPNL diesel dùng BCA phân phối

+ HTPNL riêng biệt cho từng xi lanh, gồm 2 loại là:

- HTPNL dùng BCA-VP kết hợp, còn gọi là hệ thống UIS ( UnitInjector System )

- HTPNL dùng BCA riêng biệt cho từng xy lanh, còn gọi là hệthống UPS (Unit Pump System )

* Theo phương pháp điều khiển: có thể chia thành 4 loại:

- Điều khiển cơ khí

- Điều khiển điện - cơ

- Điều khiển thủy lực

- Điều khiển điện tử

Sơ đồ phân loại các HTPNL diesel của hãng Bosch được trình bàytrên hình 1 Đặc tính kỹ thuật các HTPNL diesel của hãng Bosch đượctrình bày trong Phụ lục 1

Những cải tiến không ngừng đối với HTPNL diesel chính là nhân tốthen chốt để nâng cao công suất ra của động cơ, tạo khả năng đáp ứng cácđiều luật môi trường ngày càng khắt khe hơn trong khi vẫn duy trì được

ưu điểm về suất tiêu hao nhiên liệu Hiện nay, khi thiết kế HTPNL dieselcần phải đảm bảo đồng thời và hài hòa 4 mục tiêu sau:

- Tăng công suất riêng và mô men xoắn riêng của động cơ

- Giảm mức tiêu hao nhiên liệu

- Giảm mức ô nhiễm khí thải

- Đảm bảo đặc tính NVH (Noise, Vibration, Harshness)

NVH là thuật ngữ chuyên môn mới, đề cập đến 3 vấn đề tồn tại củađộng cơ diesel khi lắp trên phương tiện cơ giới đường bộ, bao gồm: tiếng

ồn - Noise, rung động - Vibration và mức độ êm dịu - Harshness NVH làtrở ngại lớn khi sử dụng động cơ diesel trên xe con Do vậy, mức độ phát

triển của động cơ diesel xe con phụ thuộc mạnh vào đặc tính NVH củachúng Để đạt được mục tiêu này, cần giảm tiếng ồn cháy của động cơdiesel cũng như sự lan truyền tiếng ồn và rung động qua bề mặt động cơ,gối đỡ động cơ, khung xe và hệ thống truyền lực

Với HTPNL diesel truyền thống do có nhiều hạn chế ( áp suất phunthấp và phụ thuộc vào chế độ tải, tốc độ động cơ, thời điểm phun và thờigian phun khó thay đổi, điều khiển cơ khí truyền thống có độ trễ lớn, độchính xác không cao, khó định lượng chính xác lượng nhiên liệu phun,…)nên khó đáp ứng dược 4 mục tiêu nêu trên Chính vì vậy, việc điện tử hóaHTPNL diesel là xu thế tất yếu và đã trở thành tiêu chuẩn tại các nước cóđiều luật môi trường khắt khe

Tùy theo mức độ điện tử hóa, các HTPNL diesel sẽ có những điểmmạnh/ yếu khác nhau Trên thực tế, các HTPNL diesel truyền thống dùngBCA kiểu dãy và BCA phân phối cũng được cải tiến một phần bằng cách

sử dụng van cao áp điều khiển điện tử

Hình 1.1: Sơ đồ phân loại các HTPNL diesel của hãng Bosch

III NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH PHUN NHIÊN LIỆU TRÊN CÁC ĐỘNG CƠ DIESEL HIỆN ĐẠI

Quá trình cháy trong động cơ diesel phụ thuộc chủ yếu vào cách thứcnhiên liệu được phun vào trong buồng cháy, thường được biển diễn thôngqua quy luật cung cấp nhiên liệu hoặc đặc tính phun (InjectionCharacteristic) Các tiêu chí quan trọng nhất của quá trình phun nhiên liệudiesel bao gồm: thời điểm và khoảng thời gian phun, mức độ phun tơi và

sự phân bố nhiên liệu trong không gian buồng cháy, tốc độ phun ( lượngnhiên liệu được theo góc quay trục khuỷu/ trục cam), tổng lượng nhiênliệu cung cấp cho 1 chu trình

Để động cơ và hệ thống phun nhiên liệu diesel họat động hiệu quả thìtất cả các yếu tố thay đổi nói trên cần phải được xem xét một cách kỹlưỡng Chất lượng và hiệu quả của quá trình tạo hỗn hợp phụ thuộc chủyếu vào HTPNL diesel Những thông số thay đổi của quá trình phun cóảnh hưởng tới trình tạo hỗn hợp, diễn biến quá trình cháy ( và do đó cóảnh hưởng tới mức độ ô nhiễm, công suất/hiệu suất của động cơ) baogồm: thời điểm phun nhiên liệu, đặc tính phun, áp sất phun, hướng phun

và số tia phun

3.1 Sự phân bố hỗn hợp trong động cơ diesel

* Hệ số dư lượng không khí λ:

Là tỷ số giữa lượng không khí nạp thực tế và lượng không khí lýthuyết cần để đốt cháy hoàn toàn một đơn vị nhiên liệu

Khi λ=1, khối lượng khí nạp bằng với khống lượng không khí lý thuyếtcần để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu phun vào xylanh

Khi λ<1, hỗn hợp được gọi là “hỗn hợp giàu”

Khi λ>1, hỗn hợp được gọi là “hỗn hợp nghèo”

* Giá trị hệ số λ đối với động cơ diesel:

Hỗn hợp giàu nhiên liệu là nguyên nhân chính tạo thành PM trongbuồng cháy diesel Để hạn chế việc hình thành nhiều vùng hỗn hợp giàu,động cơ diesel làm việc với hệ số λ tổng thể lớn hơn 1 Giá trị λ của động

cơ diesel tăng áp tua bin khí, ở chế độ toàn tải trong khoảng từ 1.15 - 2 Ở

“cục bộ” Do đặc điểm của động cơ diesel nên không thể đạt được sự hòatrộn hoàn toàn của nhiên liệu với khí nạp, trước và trong suốt quá trìnhcháy Trong vùng hỗn hợp không đồng nhất của động cơ diesel, hệ số λ

“cục bộ” có thể thay đổi trong một khoảng khá rộng, từ λ = 0 ( thuần túynhiên liệu) tại vùng thể tích chết của vòi phun, tới λ = ∞ (thuần túy khôngkhí) tại vùng biên ngoài cùng của tia phun

Nếu quá trình phân rã nhiên liệu tốt, hệ số λ lớn và chuyển động củadòng khí cuối quá trình nén có mức độ rối phù hợp, sẽ tạo ra một sốlượng lớn các khu vực cục bộ có nồng độ hỗn hợp nhạt Điều này sẽ làmgiảm hàm lượng NOx và PM hình thành trong quá trình cháy

Có thể tạo được quá trình phân rã tốt hơn bằng cách phun nhiêu liệudiesel với áp suất cao ( hiện nay, áp suất phun lớn nhất đã vượt quángưỡng 2000 bar) Áp suất phun cao sẽ làm tăng vận tốc tương đối giữatia phun và không khí nén trong xylanh nên nhiên liệu sẽ được xé tơi hơn.Với mục đích nâng cao công suất lít, động cơ diesel thường được thiết

kế để vận hành với hệ số λ nhỏ ở chế độ tải cao Tuy nhiên, λ nhỏ sẽ làmgia tăng mức độ ô nhiễm của động cơ do nhiên liệu cháy không kiệt Dovậy, cần phải giới hạn giá trị của λ ( nghĩa là thể tích nhiên liệu phun vàophải tỉ lệ chính xác, phù hợp với lượng không khí có thể có trong xylanhđộng cơ) Khi động cơ diesel làm việc ở suất môi trường thấp (độ caolớn) cũng yêu cầu giảm lượng nhiên liệu phun vì khi đó không khí trở nênloãng hơn

3.2 Thời điểm phun và thời điểm cung cáp của bơm cao áp

* Thời điểm phun nhiên liệu:

Thời điểm phun nhiên liệu, tính theo độ góc quay trục khủy tới ĐCT

là thời điểm mà vòi phun mở và nhiên liệu bắt đầu được phun vào buồngcháy Thời điểm bắt đầu phun sẽ quyết định thời điểm bắt đầu cháy, và dovậy sẽ ảnh hưởng đến mức độ ô nhiễm, mức tiêu thụ nhiên liệu và mức

độ ồn của quá trình cháy Chính vì thế, thời điểm phun có vai trò quantrọng trong việc tối ưu hóa sự vận hành của động cơ diesel

Vị trí của piston so với ĐCT (cũng như hình dạng của đường nạp) ởthời điểm phun sẽ xác định trạng thái, nhiệt độ và tỷ trọng của dòng khínén bên trong buồng cháy Do đó, mức độ hòa trộn của nhiên liệu vàkhông khí cũng phụ thuộc vào thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu Vì thế,thời điểm bắt đầu phun sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến mức ô nhiễm khí thải (chất thải dạng hạt PM, NOx, HC, CO )

Hình 1.2: Ảnh hưởng của thời điểm phun và thời gian phun đến

suất tiêu hao nhiên liệu (a) (g/kWh) và hàm lượng NOx (b) (g/kWh)

Hình 1.3: Ảnh hưởng của thời điểm phun và thời gian phun

đến hàm lượng HC (a) (g/kWh) và PM (b) (g/kWh)

Thời điểm phun nhiên liệu yêu cầu phụ thuộc vào chế độ tải của động

cơ Do vậy, cần phải có sự điều chỉnh thời điểm phun chế độ tải của động

cơ Trên động cơ diesel hiện đại dùng HTPNL điều khiển điện tử, các dữliệu về đặc tính vận hành của động cơ được xác định và lưu trữ dưới dạngđiện tử trong “Bản đồ dữ liệu động cơ” “Bản đồ” này biểu diễn thời điểmphun yêu cầu theo chế độ tải, tốc độ và nhiệt độ của động cơ Đồng thờicũng xét đến mức tiêu thụ nhiên liệu, yêu cầu về mức phát thải chất ônhiễm và mức độ ồn tại mọi giá trị công suất ra xác định

Dựa trên yêu cầu của đều luật ô nhiễm Euro3, thời điểm phun hợp lýcủa động cơ diesel được xác định như sau:

+ Với động cơ diesel xe con phun trực tiếp:

- Toàn tải: từ -3 đến -6 °GQTK cho đến +2 °GQTK

Đối với động cơ diesle xe con và xe tải, khi khởi động nguội, thờiđiểm phun được sớm lên từ 3 - 10° GQTK Ở chế độ toàn tải, khoảng thờigian cháy trong các loại động cơ này nằm trong khoảng từ 40-60 °GQTK

* Phun nhiên liệu quá sớm:

Nhiệt độ cuối quá trình nén lớn nhất đạt được tại ĐCT Nếu quá trìnhcháy được bắt đầu quá sớm trước ĐCT thì áp suất cháy tăng mạnh làmcản trở chuyển động đi lên của piston Tổn thất nhiệt trong quá trình nén

sẽ làm giảm hiệu suất của động cơ và do vậy sẽ làm tăng suất tiêu haonhiên liệu Sự tăng nhanh của áp suất nén cũng sinh ra tiếng ồn cháy lớnhơn Khi tăng góc phun sớm sẽ làm tăng nhiệt độ trong buồng cháy Kếtquả là hàm lượng NOx tăng trong khi hàm lượng HC giảm

Hình 1.4: Ảnh hưởng của thời điểm phun đến hàm lượng NOx và HC của

động cơ diesel xe tải (không EGR)

* Phun nhiên liệu quá muộn:

Khi giảm góc phun sớm ở chế độ không tải có thể làm cho quá trìnhcháy xảy ra không hoàn toàn, vì thế lượng thải HC tăng lên Sự mâuthuẫn giữa một bên là suất tiêu hao nhiên liệu và hàm lượng HC, với mộtbên là hàm lượng PM và NOx dẫn đến cần có một sự phối hợp mang tínhthỏa hiệp (với dung sai rất nhỏ) khi thay đổi thời điểm phun đối với mộtđộng cơ cụ thể Khi động cơ nguội, để giảm khói trắng và khói xanh cầntăng góc phun sớm và/hoặc sử dụng biện pháp phun mồi Để giữ chotiếng ồn cháy và hàm lượng các chất ô nhiễm ở mức chấp nhận được thì

sự điều chỉnh về thời điểm phun đối với chế độ tải cục bộ thường cầnthiết hơn là chế độ toàn tải

* Thời điểm cung cấp của bơm cao áp:

Ngoài thời điểm bắt đầu phun thì một yếu tố khác thường được quantâm là thời điểm bắt đầu cung cấp của bơm cao áp (BCA) Nguyên nhâncủa việc này là đối với HTPNL diesel truyền thống và khi động cơ khôngvận hành thì việc xác định thời điểm bắt đầu cung cấp của BCA dễ dànghơn nhiều so với việc xác định thời điểm phun thực tế Ngoài ra, sự đồng

bộ giữa thời đểm bắt đầu phun (nhất là với BCA vạn năng kiểu dãy vàBCA phân phối) với động cơ về cơ bản là dựa theo thời điểm bắt đầucung cấp ( do tồn tại quan hệ xác định giữa thời điểm bắt đầu cung cấpvới thời điểm bắt đầu phun) Thời gian cần thiết để sóng áp suất lantruyền từ BCA đến vòi phun phụ thuộc vào chiều dài đường ống cao áp

và tạo nên hiện tượng trễ phun (Injection Lag) Hiện tượng trễ phun nàytăng tỷ lệ với tốc độ động cơ Chính vì vây, HTPNL phải có khả năngđiều chỉnh thời điểm bắt đầu cung cấp/ bắt đầu phun

3.3 Lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình

Lượng nhiên liệu cấp vào xi lanh trong một chu trình phụ thuộc vàocác yếu tố sau:

- Tiết diện lưu thông hiệu dụng của vòi phun

- Độ chênh lệch giữa áp suất phun và áp suất môi chất trong buồngcháy theo thời gian

- Khối lượng riêng của nhiên liệu diesel

Khi áp suất cao, nhiêu liệu diesel được coi là chất lỏng có thể nénđược Điều này sẽ ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu cấp cho 1 chu trình và

nó cần được quan tâm khi thiết kế HTPNL diesel Sự thay đổi về lượngnhiên liệu phun sẽ dẫn đến sự thay đổi về mức độ ô nhiễm và công suất racủa động cơ Bằng việc sử dụng HTPNL có khả năng định lượng chínhxác và bộ điều tốc điện tử, lượng nhiên liệu phun vào xylanh có thể đượckiểm soát với độ chính xác cao

3.4 Đặc tính phun

Đặc tính ô nhiễm và mức tiêu thụ nhiên liệu là 2 yếu tố vô cùng quantrọng của động cơ Với mục tiêu đảm bảo 2 yếu tố trên, HTPNL dieselphải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Thời điểm phun phải chính xác Chỉ với những sai lệch nhỏ về thờiđiểm phun cũng có ảnh hưởng đang kể tới mức tiêu thu nhiên liệu, mức

độ ô nhiễm khí thải và tiếng ồn cháy

- Áp suất phun có thể thay đổi với mức độ độc lập cao nhất có thể,nhằm đáp ứng yêu cầu của tất cả các chế độ vận hành của động cơ

- Có khả năng kết thức quá trình phun một cách dứt khoát (hiện tượngphun rớt, phun trễ sẽ làm gia tăng mức độ ô nhiễm khí thải)

Khái niệm “đặc tính phun” nhằm mô tả diễn biến lượng nhiên liệuphun vào trong buồng cháy theo thời gian hoặc theo góc quay trục khuỷu

Hình 1.5: Các dạng đặc tính phun của HTPNL diesel hiện đại

1 - Phun mồi,

2 - Phun chính,

3 - Áp suất phun tăng mạnh,

4 - Áp suất phun tăng 2 giai đoạn,

5 - Áp suất phun tăng chậm,

6 - Áp suất phun giảm chậm,

7 - Áp suất phun giảm nhanh,

8 - Phun bổ sung,

9 - Phun muộn

* Thời gian phun:

Một trong nhưng tham số chính của đặc tính phun là thời gian phun( thời gian kim phun mở và dòng nhiên liệu phun vào buồng cháy dượcxác định theo °GQTK, độ góc quay trục cam (°GQTC) hoặc theo thờigian thực ( thường tính theo mili giây - ms) Với các động cơ diesel khácnhau thì yêu cầu về thời gian phun cũng khác nhau Ở chế độ công suấtđịnh mức, thời gian phun như sau:

- Động cơ diesel xe con, phun trực tiếp: 32 - 38 °GQTK

- Động cơ diesel xe con, phun gián tiếp: 35 - 40 °GQTK

Với HTPNL diesel truyền thống, áp suất được tạo ra liên tục trongquá trình phun bởi BCA Do vậy, tốc độ trục BCA có tác động trực tiếpđến áp suất và tốc độ phun nhiên liệu

Với BCA kiểu phân phối (không dùng van cao áp điều khiển điện tử)

và BCA truyền thống kiểu dãy, quá trình phun chỉ bao gồm 1 giai đoạnphun chính (giai đoạn 2) mà không có các giai đoạn phun mồi PI, phun

bổ sung và phun muộn Với BCA phân phối dùng van cao áp điều khiểnđiện tử, có thể có giai đoạn phun mồi PI Hiện nay, với HTPNL dùngBCA vòi phun kết hợp lắp trên động cơ diesel xe con, giai đoạn phun mồiđược điều khiển bằng phương pháp thủy - cơ

Trong HTPNL diesel truyền thống, do liên kết giữa vấu cam và BCA,

áp suất sinh ra và lượng nhiên liệu được phun vào xylanh là phụ thuộc lẫnnhau Do vậy, đặc tính phun của hệ thống này có những đặc điểm sau:

- Áp suất phun tăng khi tăng tốc độ và lượng nhiên liệu được phun

- Áp suất phun tăng tại thời điểm bắt đầu phun nhưng lại giảm trướckhi kết thúc quá trình phun

Điều này dẫn đến những hệ quả sau:

- Một lượng nhỏ nhiên liệu được phun vào xylanh với áp suất thấp

- Đặc tính phun có dạng hình tam giác, khá phù hợp với động cơdiesel, không tuần hoàn khí thải ( độ dốc áp suất phun không lớn nên quátrình cháy êm)

* Quá trình phun mồi:

Đồ thị diễn biến áp suất cháy của một động cơ diesel không có phunmồi cho thấy, tiếp theo quá trình nén đường cong áp suất có độ dốckhông lớn cho tới ĐCT, sau đó, đường cong áp suất có độ dốc tăng nhanh

kể từ thời điểm bắt đầu cháy (nguyên nhân làm mức ồn cháy lớn)

Quá trình phun mồi sẽ cấp một lượng nhỏ nhiên liệu (từ 1 - 4mm3)vào buồng cháy nhằm tạo điều kiện thuận lợi trong buồng cháy trước khibắt đầu giai đoạn phun chính Quá trình phun mồi đạt được 2 mục đích:

- Giảm thời gian cháy trễ

- Giảm độ dốc của đường cong áp suất trong giai đoạn cháy chính.Chính vì vậy, nó sẽ tác động đến tiếng ồn cháy, mức tiêu hao nhiênliệu và hàm lượng NOx, HC

Tùy thuộc vào thời điểm bắt đầu giai đoạn phun chính và khoảng cáchgiữa giai đoạn phun mồi với giai đoạn phun chính, suất tiêu hao nhiênliệu của động cơ sẽ thay đổi

Hình 1.6: Ảnh hưởng của việc phun mồi đến diễn biến áp suất cháy

a- Không phun mồi, b- Có phun mồi

* Quá trình phun bổ sung và phun muộn:

HTPNL kiểu Common Rail (CR) có thể phun bổ sung một lượngnhiên liệu ngay sau giai đoạn phun chính ( không phụ thuộc vào việcphun muộn để hỗ trợ bộ xử lý NOx và bộ lọc PM ) Trong trường hợpnày, nhiên liệu được phun vào trong khí quá tình cháy vẫn tiếp diễn Dovậy các hạt PM ( đã hình thành) sẽ bị đốt tiếp và kết quả là lượng PM cóthể giảm từ 20 - 70 % Quá trình phun muộn được sử dụng để cung cấpmột lượng xác định hơi nhiên liệu (dùng làm chất khử) cho bộ xử lý NOxtrên đường thải Quá trình phun muộn xảy ra trong quá trình cháy giãn nở

hoặc quá trình thải cho đến khoảng sau ĐCT Trái lại với quán trình phunmồi và giai đoạn phun chính, nhiên liệu được phun trong giai đoạn phunmuộn sẽ không cháy mà sẽ bị bay hơi do nhiệt của khí thải trong xy lanh Hỗn hợp khí thải và hơi nhiên liệu vày sẽ bị đẩy ra đường thải ( khi

đó, hơi nhiên liệu đóng vai trò là chất khử cho bộ xử lý NOx) Kết quả làkhi thải ra môi trường, hàm lượng NOx giảm đáng kể Ngoài ra, quá trìnhphun muộn còn có thể sử dụng để tăng nhiệt độ khí thải nhằm hỗ trợ quátình tái sinh lọc đối với bộ lọc PM kiểu oxy hóa Tuy vậy, khi sử dụngHTPNL diesel có khả năng phun muộn cần có sự trao đổi kỹ lượng vớihãng sản xuất động cơ

* Phun rớt và thể tích chết của vòi phun:

Quá trình phun bổ sung không được kiểm soát ( còn gọi là phun rớt)

có thể gây ra hậu quả xấu Quá trình này xảy ra khi vòi phun mở lần thứhai ngay sau khi vừa đóng vào khéo theo là một lượng nhiên liệu (vớiđiều kiện phun rất xấu) được cấp vào xylanh vào giai đoạn cuối của quátrình cháy Lượng nhiên liệu này không được đốt cháy hoàn toàn và thải

ra đượng thải làm tăng lượng thải HC Hiện tượng phun rớt có thể khắcphục bằng các đóng nhanh vòi phun với áp suất đủ lớn và duy trì một ápsuất tĩnh thấp trong đường ống cao áp Lượng nhiên liệu ở đầu khoangmiệng vòi phun (về phía xylanh) cũng gây ra hậu quả tương tự như hiệntượng phun rớt Lượng nhiên liệu trong thể tích chết này chảy vào buồngcháy sau khi qúa trình cháy đã kết thúc cũng sẽ làm gia tăng lượng thải

HC Việc sử dụng vòi phun có thể tích chết nhỏ sẽ khắc phục được vấn đềnày

Hình 1.7: Ảnh hưởng kết cấu khoan miệng vòi phun đến hàm lượng HC

a- Vòi phun có thể tích chết nhỏ, b- Vòi phun thông thường

* Đặc tính thời điểm của hệ thống phun:

Trên hình lần lượt là diễn biến độ nâng và tốc độ chuyển động củacam, độ nâng của van điện từ, áp suất nhiên liệu trên đường ống cao áp(phía BCA, phía vòi phun), độ nâng kim phun và tốc độ phun củaHTPNL diesel điều khiển điện tử dùng BCA phân phối (kiểu VP44 củaBosch) Ta thấy, áp suất có sự thay đổi lớn giữa phía BCA và phía vòiphun (xác định bởi đặc tính của các bộ phận liên quan như : biên dạngcam, BCA, van cao áp, đường ống cao áp, vòi phun) Chính vì vậy,HTPNL phải thực sự phù hợp với động cơ diesel sẽ dùng nó Diễn biếncác quá trình trong các HTPNL tạo cao áp bằng bơm kiểu piston (BCAkiểu dãy, BCA vòi phun kết hợp, BCA riêng biệt) đều có dạng tương tựhình Tuy nhiên, với HTPNL kiểu CR thì hoàn toàn khác

Hình 1.9: Đặc tính phun của HTPNL kiểu CR

* Thể tích nhiên liệu chịu nén trong HTPNL:

Thể tích nhiên liệu chịu nén (còn được gọi là thể tích “bất lợi”) nhằm

ám chỉ thể tích nhiên liệu trong mạng cao áp của một vòi phun ( bao gồmphần nhiêu liệu chứa trong khoang cao áp của BCA, trong đường ống cao

áp và trong vòi phun) Với mỗi lần phun, thể tích này sẽ bị nén và giảm

áp Kết quả là tồn tại tổn thất nén và tạo ra hiện tượng phun trễ Thể tíchnhiên liệu trong đường ống cao áp bị nén bởi quá trình động lực do sóng

áp suất tạo ra Khi thể tích “bất lợi” càng lớn, thì hiệu quả quá trình thủylực của hệ thống phun càng thấp Do vậy, khi thiết kế HTPNL cần giảmthiểu thể tích chịu nén của nhiên liệu và đảm bảo thể tích này là giốngnhau giữa các xy lanh Hệ thống phun dùng BCA - vòi phun kết hợp cóthể tích “bất lợi” là nhỏ nhất

* Đặc tính phun của HTPNL kiểu CR:

Với hệ thống này, BCA sẽ tạo ra cao áp trong bình tích áp (Fuel Rail), độc lập với quá trình phun Áp suất trong bình tích áp sẽ duy trì gầnnhư không đổi trong suốt quá trình phun Do đặc tính cung cấp gần nhưkhông đổi nên BCA có kích thước nhỏ hơn đáng kể và có thể thiết kế với

-mô men dẫn động nhỏ hơn Đoạn đường ống cao áp nối giữa bình tích ápvới vòi phun là ngắn Ngoài ra, do vòi phun được điều khiển bởi bộ điềukhiển nên thời điểm bắt đầu và kết thúc phun có thể thay đổi rất linh độngtùy theo loại và phạm vi ứng dụng của động cơ Việc phun mồi và phun

bổ sung nhiều lần là có thể thực hiện được Với một áp suất nhất địnhtrong hệ thống, lượng nhiên liệu phun tỷ lệ với khoảng thời gian van điện

từ của vòi phun mở và hoàn toàn độc lập với động cơ hoặc tốc độ BCA(hệ thống phun dựa theo thời gian thực) Do vậy, thời điểm bắt đầu phun,khoảng thời gian phun và áp suất phun có thể điều chỉnh độc lập để phùhợp với mọi chế độ, nhằm tối ưu hóa sự vận hành của động cơ

3.5 Áp suất phun

HTPNL có áp suất cao sẽ dẫn đến tốc độ phun nhiên liệu qua lỗ phuncủa vòi phun lớn Vì vậy, khi tăng vận tốc tương đối giữa dòng nhiên liệu

và không khí, tăng tỷ trọng của không khí nén trong xy lanh thì chấtlượng phun tơi sẽ tốt hơn Bằng cách lựa chọn kích thước của đường ốngcao áp phù hợp, có thể làm cho áp suất phun tại phía vòi phun cao hơn ápsuất tạo ra ở đầu BCA

* Với động cơ diesel phun trực tiếp:

Trong loại động cơ này, tốc độ chuyển động của không khí bên trongbuồng cháy là tương đối chậm ( chỉ chuyển động do quán tính khối lựơngcủa dòng khí) Hiệu ứng rối này cũng được trợ giúp bởi chuyển động đilên của piston và mức độ rối tăng lên khi piston đến gần ĐCT Với cácHTPNL hiện đại, ở chế độ toàn tải, có thể tạo ra áp suất phun cực đạitrong khoảng từ 1000 - 2050 bar (với động cơ diesel xe con) và từ 1000 -

1800 bar (với động cơ diesel xe tải) Với áp suất phun nhiên liệu tới 2000bar, lượng PM và khói sẽ được giảm một cách cơ bản Tuy nhiên, áp suấtphun cao chỉ có thể đạt được tại dải tốc độ vòng quay của trục khuỷu caohơn ( ngoại trừ HTPNL kiểu CR ) Nói chung, muốn có được một đặctính mô men xoắn tốt cùng với mức ô nhiễm khí thải thấp sẽ yêu cầu ápsuất phun cao khi động cơ làm việc ở chế độ tải lớn tại tốc độ vòng quaythấp Dựa theo những điều kiện này, đối với động cơ diesel xe con và xetải, áp suất phun tại chế độ mô men xoắn lớn nhất nằm trong khoảng 800

- 1400 bar

* Với động cơ diesel phun gián tiếp:

Trong động cơ diesel phun nhiên liệu gián tiếp, áp suất cháy tăng lên

sẽ đẩy hỗn hợp ra khỏi buồng cháy phụ ( buồng cháy xoáy lốc hoặcbuồng cháy trước ) vào buồng cháy chính để tiếp tục cháy Các loại động

cơ này, dòng khí trong buồng cháy phụ và trong rãnh nối giữa buồngcháy phụ và buồng cháy chính có tốc độ chuyển động cao Do vậy sẽkhông hiệu quả khi tăng áp suất phun lên giá trị 450 bar

3.6 Hướng phun và số lượng tia phun

*Với động cơ diesel phun trực tiếp:

Trên động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp thường dùng vòi phunkín nhiều lỗ, với số lỗ phun từ 4 đến 10 (thông thường là từ 6 đến 8 lỗphun), được bố trí xung quanh tâm Số lượng và hướng của tia phun phảirất phù hợp với hình dạng buồng cháy Chỉ với độ lệch khoảng 2° (so vớigiá trị góc phun tối ưu) cũng có thể dẫn đến sự tăng lên đáng kể của khóiđen và mức tiêu thụ nhiên liệu

*Với động cơ diesel phun gián tiếp:

Trên động cơ diesel phun nhiên liệu gián tiếp thường sử dụng vòiphun kín có kim phun dạng chốt, với duy nhất một tia phun Vòi phunnày sẽ phun nhiêu liệu vào buồng cháy phụ sao cho bugi sấy (hỗ trợ khởiđộng nguội) nằm trong vùng tia phun Hướng tia phun cũng phải rất phùhợp với hình dạng buồng cháy Hướng tia phun không chính xác sẽkhông tận dụng được oxy trong khí nén và vì thế sẽ làm tăng khói đen vàhàm lượng HC trong khí thải Tác động của những yếu tố cơ bản của quátrình phun đến sự làm vệc của động cơ diesel được trình bày trong bảng 1

Bảng 1: Tác động của những yếu tố chính của quá trình phun

đến sự làm việc của động diesel

KẾT LUẬN

Giai đoạn phun mồi tác động trực tiếp đến tiếng ồn cháy, mức tiêuhao nhiêu liệu, hàm lượng NOx, HC Với những tính chất quan trọng củagiai đoạn này, đồ án nghiên cứu của em sẽ trực tiếp tìm hiểu ảnh hưởngcủa giai đoạn phun mồi đến quá trình cháy do nén xăng trong động cơdiesel nhiều xy lanh

CHƯƠNG II: ĐỘNG CƠ CHÁY DO NÉN XĂNG

- GASONLINE COMPRESSION IGNITION - GCI

I ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG TRUYÊN THỐNG

Động cơ đốt trong truyền thống phổ biến nhất bao gồm động cơ cháy

do nén ( động cơ CI - tiêu biểu là động cơ diesel) và động cơ đốt cháycưỡng bức (động cơ SI - tiêu biểu là động cơ xăng)

1 Động cơ xăng bốn kỳ

Động cơ 4 kì sử dụng nhiên liệu xăng Việc đốt cháy nhiên liệu được

diễn ra trong buồng đốt bởi một hệ thống đánh lửa được tắt mở theo chu

kỳ Nơi đánh lửa là bugi có điện áp cao

Hiệu suất có ích  e 0,18 0,30

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích g  i 150 240 hay g  i 210 280

Hệ số nạp  v 0,7 0,75 hay  v 0,7 0,85

Tỷ số nén 6 12 

Quá trình cháy trong động cơ xăng có thể chia thành 3 giai đoạn:

- Giai đoạn cháy trễ

- Giai đoạn cháy chính

- Giai đoạn cháy rớt

Ở động cơ xăng thường xảy ra các hiện tượng cháy bất thường khácnhau như: cháy kích nổ, cháy sớm, nổ trong đường ống thải,…Các hiệntượng cháy bất thường này, gây nên ảnh hưởng xấu đến các chi tiết thuộc

cơ cấu truyền lực, giảm công suất hiệu suất do tổn thất nhiệt, hiện tượngphân giải sản phẩm cháy và quá trình hình thành muội than diễn ra mạnhhơn

Hiệu suất có ích  e 0, 27 0, 42

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích g  i 110 150 hay g  i 160 210

Hệ số nạp  v 0,75 0,90

Tỷ số nén 12 21 

Quá trình cháy trong động cơ diesel có thể chia thành 4 giai đoạn:

- Giai đoạn cháy trễ

- Giai đoạn cháy nhanh

- Giai đoạn cháy chính

- Giai đoạn cháy rớt

Hiện tượng cháy rớt có hại ở nhều phương diện vì làm tăng tổn thấtcho nước làm mát do bề mặt tiếp xúc giữa môi chất công tác và váchxylanh lớn khi piston đã rời xa ĐCT.Tăng tổn thất nhiệt, gây hỏng hóccác chi tiết trong xylanh

III ĐỘNG CƠ CHÁY DO NÉN XĂNG GCI

- GASONLINE COMPRESSION IGNITION

1 Giới thiệu về động cơ đánh lửa do nén Gasoline Compression Ignition - GCI

1.1 Tổng quan về động cơ GCI

Xu hướng phát triển động cơ đốt trong ngày nay chủ yếu tập trungvào các mục tiêu chính là nâng cao quả làm việc của động cơ, nâng caotính kinh tế nhiên liệu và giảm các thành phần phát thải độc hại Các giảipháp để đạt được các mục tiêu trên bao gồm nghiên cứu cải thiện và nângcao hiệu quả quá trình cháy, nghiên cứu các phương án hình thành hỗnhợp và cháy mới, nghiên cứu các giải pháp giảm phát thải và xử lý khíthải

Nhiên liệu sử dụng cho hầu hết các động cơ đốt trong 4 thì hiện nay làxăng và diesel Động cơ 4 thì sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạchthường hoạt động bằng 2 hình thức kích nổ:

+ Kích nổ cưỡng bức: sử dụng bugi - đối với động cơ xăng

+ Kích nổ nén: sử dụng áp suất cao - đối với động cơ diesel

Cả hai động cơ và phương pháp kích nổ kể trên đều đạt hiệu suất caotrong trường hợp đánh lửa tại nhiệt độ cao HTC - High TemperatureCombustion

Tuy nhiên, hiệu suất và tiêu chuẩn phát thải trong trường hợp đánhlửa tại nhiệt độ thấp không được đáp ứng

Khái niệm động cơ cháy do nén xăng GCI được ra đời nhằm mụcđích tối ưu hóa khả năng hoạt động của động cơ trong cả 2 trường hợpnói trên GCI là một loại động cơ đốt trong, với hỗn hợp hòa khí đượcnén đến điểm tự cháy Mô hình cháy GCI với các ưu điểm về hiệu suấtnhiệt cao và phát thải NOx và PM rất nhỏ là một trong những hướngnghiên cứu phát triển động cơ trong tương lai Mô hình cháy GCI ra đời

có thể đảm bảo được yêu cầu khắt khe về phát thải và giảm áp lực chonguồn nhiên liệu hóa thạch, vì loại động cơ này rất thích hợp sử dụng cácloại nhiên liệu thay thế có nguồn gốc sinh học

Sở dĩ động cơ GCI có các ưu điểm trên là vì kết hợp được ưu điểmcủa cả động cơ diesel (hiệu suất nhiệt) và động cơ xăng (phát thải) Khitạo được hỗn hợp hoà trộn đồng nhất, không tồn tại những vùng cục bộ

có mật độ nhiên liệu lớn, quá trình cháy khuếch tán hỗn hợp đậm khôngdiễn ra, làm giảm phát thải dạng hạt PM Ngoài ra, quá trình cháy diễn rahoàn toàn và trong toàn bộ xylanh, nên nhiệt độ quá trình cháy giảm, phátthải NOx giảm

Bên cạnh những ưu điểm không thể phủ nhận trên, động cơ GCI vẫnđang còn nhiều vấn đề cần phải giải quyết như: không thể điều khiển mộtcách trực tiếp quá trình cháy, phát thải CO và HC cao, cũng như là vùnglàm việc tập trung ở tải nhỏ Vấn đề điều khiển thời điểm tự cháy trênđộng cơ GCI không đơn giản như trên động cơ xăng và diesel với thờiđiểm cháy được tính từ khi bugi đánh lửa hay thời điểm phun nhiên liệu

diesel vào buồng cháy Quá trình cháy của động cơ GCI rất phức tạpđược quyết định bởi động lực học phản ứng, vì vậy cần đảm bảo tính chấtcủa hỗn hợp sao cho thời điểm cháy bắt đầu ở gần ĐCT Hệ thống đánhlửa phải bổ sung bugi hoặc bugi sấy để hỗ trợ trong trường hợp động cơchưa đủ nóng hoặc tải nhẹ Trên động cơ xăng, một phần hỗn hợp nhiênliệu-không khí bám trong các khe kẽ, khi piston đi xuống, thành phần này

sẽ được đốt cháy do nhiệt độ cao (lớn hơn 2500K) Tuy nhiên, trên động

cơ GCI, nhiệt độ cháy rất thấp (nhỏ hơn 1800K), nên phần hỗn hợp nàykhông được phân huỷ, phát thải CO và HC cao Tại tải nhỏ, giá trị nhiệt

độ lớn nhất rất nhỏ (chỉ khoảng 1200K), không đủ để CO chuyển hoáthành CO2, vì vậy quá trình tự cháy khó khăn hơn

Trong khi tại tải lớn, do hỗn hợp được cháy cùng một thời điểm, tốc

độ toả nhiệt diễn ra rất nhanh, tốc độ tăng áp suất lớn, gây ảnh hưởng xấuđến động cơ Vùng làm việc của động cơ GCI bị giới hạn bởi hai yếu tố:không cháy và kích nổ Tại tốc độ cao, hỗn hợp khó tự cháy hơn dokhông đủ thời gian để phản ứng, vấn đề khởi động cũng là một trongnhững vấn đề chính đối với loại động cơ này

1.2 Những yêu cầu cơ bản của động cơ GCI

a Hệ thống phun nhiên liệu

Các hệ thống phun xăng hiện tại hoạt động ở áp sất 200 bar Với ápsuất phun như vậy sẽ cần sửa đổi để có đủ áp suất cho quy trình làm việccủa động cơ Dự kiến sẽ cần áp lực phun nhiên liệu tương đương 1000bar

Do đó, hệ thống phun nhiên liệu cho động cơ nhiên liệu diesel trởthành lựa chọn tối ưu hơn, với kim phun được cải tiến Thiết kế kim phuncũng có thể cần phải điều chỉnh để cung cấp nhiên liệu ở áp suất phunthấp hơn dự kiến Áp suất phun thấp hơn sẽ giúp giảm nhu cầu nănglượng của bơm

b Tính nhớt của nhiên liệu

Độ nhớt của xăng không đủ để bảo vệ các bộ phận phun nhiên liệungày nay, do đó, các chi tiết của động cơ phải cải tiến để mạnh mẽ hơnhoặc gia tăng việc sử dụng các chất phụ gia bôi trơn trong nhiên liệu Dotính biến động cao của xăng, một chiếc xe GCI cũng cần được trang bị hệthống kiểm soát khí thải tốt hơn

c Kiểm soát phát thải

Lượng khí thải và NOx có thể thấp hơn trên động cơ GCI so với động

cơ tương đương sử dụng nhiên liệu diesel Từ các thử nghiệm trước đó sửdụng động cơ diesel, lượng khí thải NOx có thể được duy trì ở mức cầnthiết để đáp ứng giới hạn khí thải Euro 6 cho xe ô tô chở khách Mộtchiếc xe GCI trong tương lai sẽ cần một lượng môi chất xúc tác oxy hóahiệu quả, bởi vì lượng khí thải HC và CO thường cao hơn trong điều kiệnđốt cháy tại nhiệt độ thấp so với diesel thông thường Cũng cần có bộ lọcxăng (GPF) mặc dù lượng khí thải PM động cơ thấp hơn sẽ kéo dài thờigian tái sinh GPF, tiết kiệm tới 1,5% mức tiêu thụ nhiên liệu so với xediesel được trang bị DPF

d Hiệu suất động cơ

Hiệu suất động cơ sinh ra phải tương đương như động cơ diesel, miễn

là giai đoạn đốt cháy được duy trì ở điểm tối ưu Các nghiên cứu động cơtrước đây đã chứng minh rằng điều này là khả thi trên nhiều loại nhiênliệu sử dụng hệ thống điều khiển đốt trong vòng kín (CLCC) Hệ thốngđiều khiển đốt trong vòng kín (CLCC) hiệu quả ngay cả với xăng, CLCC

có lẽ sẽ cần thiết để đáp ứng độ nhạy cao của thời gian cháy trễ đối vớicác đặc tính tự động của nhiên liệu cũng như dung sai sản xuất và điềukiện môi trường của động cơ

e Tính tự kích nổ của xăng

Xăng có chỉ số octan cao, vì vậy động cơ sẽ cần cung cấp các điềukiện nhiệt độ / pha trộn không khí và nhiệt độ phù hợp để duy trì sự đốtcháy ổn định Cần cải tiến để tạo áp suất cao và giữ nhiệt độ xi lanh cao

Mức luân hồi khí xả - luân hồi khí xả cao để giảm nhiệt độ đốt cháy vàkhí thải NOx.

1.3 Thách thức đối với hệ thống đánh lửa

Thách thức đối với hệ thống GCI là chỉ số Cetane của xăng rất thấp( trong khoảng CN15 ) Do đó, hệ thống đánh lửa phụ thuộc nhiều vàonhiệt độ ống nạp, áp suất xy lanh khi bắt đầu phun nhiên liệu và nồng độoxy trong khí nạp

Chỉ số cetane thấp yêu cầu hệ thống đánh lửa có độ trễ chính xác hơn.Hay nói cách khác, nhiên liệu với chỉ số cetane thấp phải được bơm sớmtrong kì nén khi nhiệt độ và áp suất thấp hơn so với trong quá trình phundiezel thông thường

Những yếu tố này gây khó khăn cho quá trình đánh lửa Hệ thốngđánh lửa cũng sẽ hoạt động không ổn định nếu nhiệt độ và nồng độ oxykhông đủ yêu cầu của hệ thống tuần hoàn khí thải

Hình 2.1: Ảnh hưởng của sự biến đổi nhiệt độ và chỉ số cetane

đến thời gian cháy trễ.

Mô hình thời gian cháy trễ đơn giản hóa ban đầu được phát triển

để đốt cháy nhiên liệu diesel trong động cơ đã được làm nóng,nhưng đã được sửa đổi để giải thích cho sự đánh lửa trễ tăng ởnhiệt độ động cơ thấp hơn và với các nhiên liệu có chỉ số cetanekhác nhau

Ví dụ: thời gian cháy trễ kéo dài thêm 3 lần khi nhiệt độ nước làmmát động cơ giảm từ 100 °C xuống 0 °C và hai lần đối với xăngphổ thông (khoảng CN15) so với nhiên liệu diesel

Trên một thử nghệm khác, động cơ mẫu có thông số 1.6l, 4 xilanh, công suất cụ thể 80kW/lít, hệ thống tăng áp 2 giai đoạn, luânhồi khí xả nóng - lạnh, CLCC,… và được trang bị Hệ thống đốtcháy hiệu suất cao Với tỉ số nén 15,5:1, động cơ cho mức phátthải CO2 là 130g/km, với tải 1700kg, đạt tiêu chuẩn Euro6

Hình 2.2: Ảnh hưởng của chỉ số cetane đến thời gian cháy trễ

Tính toán thời gian cháy trễ của nhiên liệu diesel với CR15.5 dựatrên nhiệt độ nước làm mát động cơ

Hình 2.3: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến áp suất trung bình có ích của động cơ diesel với CR15.5 và nhiệt độ nước làm mát động

cơ 90° C

Các tính toán dựa trên nhiên liệu diesel châu Âu và tỉ số nén 15.5

cơ bản cho thấy độ trễ đánh lửa sẽ dưới 1,5 ms ở nhiệt độ nướclàm mát động cơ 90° C

Với nhiệt độ nước làm mát 20° C, thời gian cháy trễ ở khoảng1,5ms Với tỉ số nén 15.5, các tính toán cho xăng châu Âu ở nhiệt

độ nước làm mát động cơ 90°C cho thấy độ trễ đánh lửa sẽ lớnhơn 3 ms đối với phần lớn phạm vi hoạt động, thường dưới 2000vòng / phút và BMEP 8 bar Việc tăng tỉ số nén làm giảm độ trễđánh lửa, cho đến tại tỉ số nén 18, độ trễ đánh lửa dưới 3 ms được

dự đoán trên toàn bộ phạm vi hoạt động Việc tăng tỉ số nén lên19: 1 và 20: 1 đã cải thiện hơn nữa độ trễ đánh lửa

Tuy nhiên, khi nhiệt độ nước làm mát thấp (20°C), thì tăng tỷ sốnén không cải thiện được thời gian cháy trễ

Hình 2.4: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến áp suất trung bình có ích của động cơ xăng với CR18 và nhiệt độ nước làm mát động cơ

20° C

Vì vậy, việc sử dụng bugi hoặc bugi sấy để hỗ trợ quá trình cháy làcần thết trong trường hợp động cơ nguội hoặc ngay cả khi nhiệt độđộng cơ cao nhưng tải nhẹ

1.4 Ưu nhược điểm của hệ thống GCI

a Ưu điểm

- Hiệu suất động cơ tương đương với động cơ diesel

- Giảm mức phát thải, NOx, CO2

- Thuận tiện đối với các thị trường không sử dụng nhiên liệu dieselcho xe du lịch

- Chi phí sản xuất tương đương với một động cơ diesel nhưng với hệthống xử lí khí thải tối ưu hơn

- Mô men xoắn cao hơn động cơ xăng thông thường

b Nhược điểm

- Hệ thống đánh lửa có khả năng phải bổ sung bugi hoặc bugi sấy để

hỗ trợ trong trường hợp động cơ chưa đủ nóng hoặc tải nhẹ

- Chưa khắc phục được tiếng ồn, cũng như độ êm dịu trong quá trìnhhoạt động

- Khả năng tiêu thụ nhiên liệu cao hơn động cơ diesel

1.5 Kết luận

Với những ưu điểm của động cơ GCI, cũng như những yêu cầucủa tình hình thực tế (giảm phát thải, tối ưu hóa khả năng tiết kiệmnhiên liệu, đáp ứng được các tiêu chuẩn về phát thải hiện đại, cókhả năng sử dụng nhiên liệu thân thiện với môi trường,…) thì việcphát triển và hiện thực hóa động cơ GCI theo cá nhân em là hợp

lý Bên cạnh những ưu điểm, quá trình phát triển và hoàn thiệnđộng cơ GCI vẫn còn tồn tại nhiều thách thức, khó khăn như khảnăng điều khiển quá trình đánh lửa, thời gian cháy trễ, tác độngcủa luân hồi khí xả,… Trong các phần tiếp theo, em xin trình bàymột số nghiên cứu nằm hiện thực hóa và các giải pháp khắc phụcnhững khó khăn trong quá trình phát triển mẫu động cơ này

2 CÁC KẾT QUẢ VỀ ĐỘNG CƠ GCI

2.1 Nhiên liệu sử dụng cho động cơ GCI và những vấn đề liên quan.

2.1.1 Nhiên liệu xăng

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng, động cơ GCI sử dụng nhiên liệu xăng với tỷ số nén, hình dáng hình học piston và đường kính lỗ phun hợp lí sẽ tối ưu hóa khả năng hoạt động của động cơ GCI

Thông số của động cơ thử nghiệm được trình bày trong bảng sau;

Đơn vị Thông sốTiêu chuẩn phát thải -

Áp suất lớn nhất tại đỉnh bar 220

Khả năng tải đầy đủ đã được nghiên cứu ở hai tốc độ động cơ, sửdụng hiệu chuẩn diesel tiêu chuẩn Áp suất hiển thị trung bình tối

đa bị giới hạn bởi nhiệt độ bồ hóng hoặc khí thải Áp suất xi lanhtối đa cũng được đặt thành 160 - 190 bar để hạn chế ứng suất cơhọc Hiệu chuẩn và giới hạn tải đầy đủ cho cả hai tốc độ động cơđược thử nghiệm được đưa ra dưới đây

Áp suất tối đa trong xy

Hình 2.5: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến áp suất chỉ thị trung bình

với những loại nhiên liệu khác nhau

Hình 2.6: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến thời gian cháy trễ

với những loại nhiên liệu khác nhau

Ở tốc độ 1500 vòng / phút và IMEP 6,8 bar với tỷ số nén 17:1 khôngthể đánh lửa bằng áp suất khí nạp tiêu chuẩn Để có thể đánh lửa, áp suấtnạp phải được tăng từ 1,50 bar lên 1,65 bar với kim phun HFR 310 vàđến 2,00 bar với kim phun HFR 520 để đạt được sự đốt cháy ổn định

Do đó, tỷ số nén 19:1 và HFR 310 được coi là tối ưu hơn

Trong các thử nghiệm tiếp theo, động cơ với tỷ số nén 19:01 đãchứng tỏ được khả năng vận hành ổn định khi hoạt động đầy tải với mộtvòi phun Tuy nhiên để tối ưu hóa phạm vi hoạt động của động cơ GCIchạy xăng với tỷ số nén 19:01, người ta tiếp tục tiến hành những thay đổikhác

Sử dụng vòi phun có đường kính lỗ nhỏ hơn để giảm tiếng ồn, đồng thờiđưa ra mức phát thải bổ hóng tối ưu hơn cả động cơ Diesel

Hình 2.7: Ảnh hưởng của quãng thời gian phun đến tiếng ồn cháy

(khi sử dụng chế độ phun mồi)

Tiến hành phun mồi, là chiến lược rất hiệu quả để hạn chế tiếng ồn vàphát thải Trong khi đạt được công suất của động cơ Diesel khi mà nhệt

độ khí xả là 850°C và áp suất trong xy lanh là 160 bar

Hình 2.8: Ảnh hưởng của góc quay trục khuỷu đến áp suất trong xylanh (Phun mồi với áp suất cao cho hiệu suất tốt nhất ở 2000v/p và đầy tải)

Trong những thử nghệm tiếp theo, tối ưu luân hồi khí xả cũng làm giảm lượng phát thải NOx Thử nghiệm được tiến hành ở mức áp suất trung bình là 6,8 bar, áp suất vòi phun là 333 bar và luân hồi khí xả đạt 40%.

Lượng khí thải NOx là 2g/ kWh

Tuy nhiên điều này làm kéo dài thời gian đánh lửa trễ

Hình 2.9: Ảnh hưởng của luân hồi khí xả đến phát thải NOx và HC

Do khả năng nén cháy với xăng không ổn định và khó kiểm soát, nên

để cải thiện hiệu suất tải từng phần, người ta dùng thêm 3 phương án để tối ưu hóa khả năng nén cháy xăng đồng thời giảm NOx:

- Tăng nhiệt độ khí nạp

- Sử dụng luân hồi khí xả nội bộ cùng hệ thống điều khiển van nạp nhiên liệu biến thiên VVT

- Cải thiện biện pháp phun nhiên liệu

Hình 2.10: Sự thay đổi của áp suất xylanh khi sử dụng hệ thống

luân hồi khí xả ngoại vi với động cơ xăng -

so sánh với động cơ diesel không có hệ thống luân hồi khí xả ngoại vi

Không có luân hồi khí xả ngoại vi, lượng khí thải NOx là 9.0g / kWh, thấp hơn một chút so với động cơ diesel không có luân hồi khí xả nội bộ

và áp suất xi lanh tương tự đối với hai loại nhiên liệu Khi sử dụng luân hồi khí xả ngoại vi với xăng, lượng khí thải NOx có thể giảm xuống 1g / kWh, nhưng thời gian cháy trễ tăng đáng kể kèm với sự gia tăng tiếng ồn