NGUYÊN lý làm VIỆC của ĐỘNG cơ đốt TRONG

Phần NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Phần mở đầu VÀI NÉT SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Động đốt loại động nhiệt ĐỘNG CƠ NHIỆT OTHER Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Phần mở đầu VÀI NÉT SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Lịch sử phát triển Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Phần mở đầu VÀI NÉT SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Phân loại động đốt trong:  Theo loại nhiên liệu: xăng diesel  Theo cách thức đốt nhiên liệu: cưỡng (xăng) tự cháy (diesel)  Theo số xylanh: xylanh nhiều xylanh  Theo cách bố trí xylanh: thẳng hàng, chữ V, hình  Theo cách chuyển động piston: tịnh tiến quay  Theo điều kiện nạp: tăng áp không tăng áp  Theo cách làm mát: nước khơng khí  Theo tốc độ: thấp tốc, tốc độ trung bình, cao tốc Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Phần mở đầu VÀI NÉT SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Động đốt sử dụng rộng rãi, đặc biệt lĩnh vực ô tô, tàu thủy, xe máy, máy nông nghiệp, máy phát điện * Ưu điểm:  Hiệu suất cao Động Đốt Máy nước Tuabin Tuabin khí Hiệu suất (%) 35 16 22 - 28 30  Kích thước, trọng lượng nhỏ  Khởi động, vận hành, bảo dưỡng dễ dàng * Nhược điểm:  Khó khởi động có tải  Khả tải  Công suất cực đại khơng cao  Kén nhiên liệu  Ơ nhiễm môi trường: phát thải độc hại, ồn Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Phần NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Chương NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Nhiên liệu sử dụng ĐCĐT Hiện nhiên liệu chủ yếu là: xăng dầu diesel Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Dầu diesel * Tính chất vật lý:  Tỷ trọng ρ = 0.85-0.95 g/cm  Tính tự cháy cao * Thành phần:  Chủ yếu cacbuahydro no CnH2n+2 dạng mạch thẳng  Đặc điểm: dễ bị phân hủy nhiệt độ cao  Ví dụ: C16H34 Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG * Đánh giá tính tự cháy:   Xê tan: C16H34 - có tính tự cháy cao ά – meetylnaphtalin: C11H10 - có dạng mạch vịng có tính tự cháy Để đánh giá tính tự cháy => thông số Xe – số xê tan * Cách thức xác định số Xe: Với dầu cần xác định Xe Tự cháy xảy Động thử nghiệm có ε thay đổi Thay đổi tỷ lệ đến tự Với hỗn hợp C16H34 C11H10 cháy xảy Tỷ lệ % Xe hỗn hợp so sánh số Xe dầu Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.2 Xăng * Tính chất vật lý:   Tỷ trọng ρ = 0,65-0,8 g/cm3 Tính tự cháy *Thành phần:   Cabuahydro no mạch nhánh cacbuahydro thơm nhân benzen Ví dụ: Isooctan C8H8 meetylbenzen C6H5CH3 * Hỗn hợp xăng khơng khí đốt cháy cưỡng tia lửa điện * Hiện tượng cháy bất thường: “ Kích nổ” Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG b Đánh giá tính chống kích nổ nhiên liệu xăng    Isooctan C8H18 có kết cấu bền vững Heptan C7H16 có tính chống kích nổ Để đánh giá tính tự cháy => thơng số O – số ôctan * Cách thức xác định số Xe: Với Xăng cần xác định O Kích nổ xảy Động thử nghiệm có ε thay đổi Với hỗn hợp C8H18 C7H16 Thay đổi tỷ lệ đến kích nổ xảy Tỷ lệ % Isooctan hỗn hợp so sánh số O xăng * Mối quan hệ Xe O: O =120 - Xe Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương 10: KHÍ THẢI VÀ VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG Luân hồi ngắn Luân hồi vòng Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương 10: KHÍ THẢI VÀ VẤN ĐỀ Ơ NHIỄM MƠI TRƯỜNG 10.3.1.2 Hình thành khí hỗn hợp phân lớp Phương pháp sử dụng động xăng Bản chất phương pháp bố trí bu gi đánh lửa buồng cháy động vị trí hỗn hợp có thành phần λ nhỏ (hỗn hợp đậm) để đốt hỗn hợp tia lửa điện Phần hỗn hợp sau bốc cháy làm mồi để đốt phần hỗn hợp cịn lại có thành phần λ lớn (hỗn hợp nhạt) Như vậy, hỗn hợp toàn động hỗn hợp nhạt đốt cháy kiệt - hỗn hợp động thông thường nhạt, cháy - giảm thành phần độc hại khí thải Hiện nay, tất nhà sản xuất ô tô hàng đầu giới nghiên cứu chế tạo động hình thành khí hỗn hợp phân lớp đưa nhiều loại kết cấu với buồng cháy thống buồng cháy ngăn cách Một ví dụ loại động phân lớp hãng Ford có tên Ford Proco với buồng o cháy thống Nhiên liệu vòi phun phun vào gần tâm xy lanh tạo thành tia phun với có góc tia khoảng 100 Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương 10: KHÍ THẢI VÀ VẤN ĐỀ Ơ NHIỄM MƠI TRƯỜNG Do kết cấu đường ống nạp có dạng xoắn tiếp tuyến nên xy lanh vào thời điểm phun nhiên liệu cịn dịng xốy quay trịn khơng khí quanh tâm xy lanh Nhiên liệu phun theo hồ trộn với khơng khí tạo thành hỗn hợp Do ảnh hưởng lực ly tâm nên thành phần hỗn hợp xa tâm quay (càng sát thành buồng cháy) đậm Bu gi đặt vị trí định so với tâm xy lanh (dấu chữ thập hình vẽ) Khi bu gi bật tia lửa điện, hỗn hợp sát bu gi (có thành phần đậm) cháy làm mồi để đốt phần hỗn hợp lại Đối với loại hình thành khí hỗn hợp này, thời điểm phun thời điểm đánh lửa có quan hệ mật thiết với điều khiển thiết bị điện tử Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương 10: KHÍ THẢI VÀ VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG Để điều chỉnh tải trọng động từ toàn tải đến 50% tải người ta thay đổi lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy cịn lượng khơng khí nạp giữ không đổi Phương pháp điều chỉnh giống động diesel gọi điều chỉnh chất Từ 50% tải trở xuống, lượng khơng khí nạp điều chỉnh thông qua bướm tiết lưu (không trình bày hình vẽ) hỗn hợp nhạt, tốc độ lan tràn màng lửa giảm, trình cháy tồi dẫn đến giảm mạnh tính kinh tế động Thành khí hỗn hợp phân lớp Ford Proco 1: xy lanh, 2: vòi phun, 3: bu gi, 4: nắp xy lanh, 5: đường nạp, 6: đường thải, 7: piston Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương 10: KHÍ THẢI VÀ VẤN ĐỀ Ơ NHIỄM MƠI TRƯỜNG 10.3.2 Xử lý khí thải Các biện pháp kết cấu động để giảm nồng độ thành phần độc hại khí thải khơng thể ln ln đáp ứng tiêu chuẩn ngày cao bảo vệ môi trường Chỉ giải triệt để vấn đề sở áp dụng phương pháp xử lý khí thải xử lý đặt đường thải động Như khảo sát, đặc thù riêng nên thành phần độc hại động xăng động diesel khác nhau, biện pháp xử lý độc hại có điểm khác Một số biện pháp phổ biến thực tế cho loại động Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương 10: KHÍ THẢI VÀ VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG 10.3.2.1 Động xăng Động xăng, người ta tìm xử lý đồng thời xử lý tới 90% chất độc hại CO, CmHn NOx Bộ xử lý gọi xử lý ba thành phần Platin có tác dụng xúc tác tăng cường trình ơxy hố cịn rodium tăng cường q trình khử Q trình ơxy hố gồm có phản ứng sau: CO + 1/2 O2 = CO2 CmHn + (m + n/4) O2 = m CO2 + n/2 H2O Cịn q trình khử ,ví dụ NO: NO + CO = 1/2 N2 + CO2 1: vá, 2: líp ®Ưm, 3: lâi, 4: líp vËt liƯu trung gian, 5: líp xóc t¸c Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương 10: KHÍ THẢI VÀ VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG Kết thể rõ quan hệ nồng độ thành phần độc hại trước xử lý (a) sau xử lý (b) theo hệ số dư lượng khơng khí λ Thơng số η = (Nồng độ trước xử lý – nồng độ sau xử lý)/nồng độ trước xử lý (%) iÒu (%) vï ng ® chØ nh NOx CmHn CO CO 0,9 1,0 NOx CmHn 1,1 λ 0,9 1,0 1,1 λ Đối với xử lý ba thành phần, η đạt tới 90% vùng hẹp xung quanh giá trị hệ số dư lượng khơng khí λ = Vì vậy, hệ thống nhiên liệu động cụ thể chế hồ khí (có trang bị điện tử) hay thiết bị phun xăng phải điều chỉnh cho cho λ = Một cảm biến λ lắp đường ống thải phía trước xử lý cung cấp tín hiệu thành phần λ cho điều khiển điện tử hệ thống nhiên liệu Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương 10: KHÍ THẢI VÀ VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG 1: đường ống khí thải 2: chất điện phân rắn 3: vỏ bảo vệ 4: điện cực 6: vôn kế khÝth¶i 5: nắp bảo vệ Cảm biến thành phần hệ số dư lượng khơng khí Đối với động phun xăng trực tiếp (GDI) dùng hỗn hợp nghèo (λ >1) sử dụng xử lý ba đường Khi phải dùng xử lý xác tác cấp Cấp thứ xử lý ô-xy hoá CO CmHn Cấp thứ hai khử NOx xúc hấp thụ (NOx Absorber Catalyzator) Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương 10: KHÍ THẢI VÀ VẤN ĐỀ Ơ NHIỄM MÔI TRƯỜNG 10.3.2.2 Động diesel Đối với động diesel, việc điều chỉnh tải trọng thực điều chỉnh chất, tức hệ số dư lượng khơng khí λ thay đổi phạm vi rộng nên khơng thể dùng xử lý ba thành phần (địi hỏi λ = 1) Do xử lý khí thải động diesel phức tạp hơn, sử dụng phương pháp sau: Xử lý nhiệt Xử lý xúc tác xy hố Xử lý xúc tác khử NOx Lọc muội than Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương 10: KHÍ THẢI VÀ VẤN ĐỀ Ơ NHIỄM MƠI TRƯỜNG a Xử lý nhiệt Nguyên tắc phương pháp lưu giữ khí thải lâu trạng thái nhiệt độ cao để kéo dài thời gian phản ứng ô-xy hoá thành phần độc hại CO CmHn (thành CO H2O) trước thải mơi trường Để làm điều phải cho khí thải sau khỏi động vào bình chứa tích đủ lớn bao bọc vật liệu cách nhiệt Nói chung, để xử lý nhiệt có hiệu quả, nhiệt độ khí thải phải cao nên đạt chế độ toàn tải Ngồi ra, thể tích bình phải đủ lớn để thời gian lưu khí bình đủ lớn cho phản ứng diễn triệt để Ví dụ, với động có V h = 10 l, nhiệt độ khí thải chế độ tồn tải 800 C thể tích buồng phản ứng tối thiểu 150 l Do đó, phương pháp xử lý nhiệt dùng cho động ơ-tơ khơng phù hợp chế độ tải ln thay đổi tức vận hành lâu chế độ toàn tải buồng phản ứng cồng kềnh nên khó bố trí Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương 10: KHÍ THẢI VÀ VẤN ĐỀ Ơ NHIỄM MƠI TRƯỜNG b Xử lý xúc tác xy hố Bộ xử lý xúc tác ơ-xy hố với chất xúc tác kim loại, thường dùng pla-tin, có tác dụng làm giảm nhiệt độ phản ứng ơ-xy hố CmHn CO (thành 0 CO2 H2O) từ 600 C xuống 250 C Do nhiệt độ thấp nên P-M khơng ơ-xy hố tiếp tục Khi nhiệt độ thấp 250 C có số CmHn ơ-xy hố tiếp, số cịn lại khơng xử lý nên khí thải sau khỏi xử lý có mùi nhiên liệu Thơng thường để tận dụng nhiệt, xử lý ơ-xy hố bố trí trước lọc muội than Do đó, bề mặt xúc tác xử lý ơ-xy hố thường bị bám muội than trình làm việc dẫn đến làm giảm hiệu xử lý Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương 10: KHÍ THẢI VÀ VẤN ĐỀ Ơ NHIỄM MƠI TRƯỜNG c Xử lý xúc tác khử NOx Sơ đồ nguyên lý phương pháp xử lý xúc tác khử NOx (Selective Catalytic Reduction - SCR) khí thải động diesel Thù ng dung dị ch urê K híthải từ đ ộng Nu c bay hơ i, thuỷ phâ n urê tạo thành amoniac Bộ phận khử xúc tác I N2và hơ i nu c II Khớ thi từ động trộn với dung dịch urê (có cơng thức hố học H 2N-CO-NH2) theo tỷ lệ định đưa vào phận tiền xử lý I Tại tác dụng nhiệt độ từ 200 C trở lên, nước bay ure thuỷ phân thành amoniac theo phương trình: H2N-CO-NH2 → NH3 + HNCO HNCO + H2O → NH3 + CO2 Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương 10: KHÍ THẢI VÀ VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG Như sau I có NH3 nước Tại phận xúc tác II, tác dụng amoniac NO NO hoàn nguyên thành N2 nước theo phản ứng sau: NO + NO2 + NH3 → N2 + H2O NO + O2 + NH3 → N2 + H2O NO2 + O2 + NH3 → N2 + H2O Hãng Purem chế tạo xử lý khử NOx cho xe tải dùng dung dịch ure có tên AdBlu đạt tiêu chuẩn khí thải EURO Dung dịch AdBlu bán xăng khắp châu Âu với sản lượng khoảng triệu tấn/năm Hãng Siemens dùng dung dịch ure xử lý xúc tác có tên SINOX dùng thiết bị động lực cỡ lớn Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương 10: KHÍ THẢI VÀ VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG d Lọc muội than Bộ xử lý dùng động diesel ngăn giữ lại lõi xử lý tạp chất rắn chủ yếu muội than nên cịn gọi lọc muội than (Diesel Particle Filter - DPF) Bộ lọc có lõi lọc gốm xốp đặt vỏ thép Khi khí thải qua lỗ a) xốp lõi lọc, phần tử muội than giữ lại Lõi lọc gồm ống thép mỏng đục lỗ quấn quanh sợi gốm Một phương pháp lọc thông dụng kỹ thuật nói chung b) phương pháp lọc tĩnh điện Nguyên lý phương pháp tóm tắt sau: dịng khí thải dẫn qua từ trường tĩnh điện nên phần tử muội than bị nhiễm từ bị giữ lại 1: lõi lọc gốm xốp, 2: lõi lọc có xương thép, quấn sợi gốm Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương 10: KHÍ THẢI VÀ VẤN ĐỀ Ơ NHIỄM MÔI TRƯỜNG Vấn đề đặt lọc muội than sức cản bầu lọc ngày tăng lên theo thời gian làm việc động nên phải giải việc xử lý chất thải tích luỹ lọc Thơng thường, người ta tiêu huỷ muội than tích luỹ phương pháp đốt để tạo thành CO o Bình thường muội than cháy nhiệt độ 600 đến 700 C Nhiệt độ đạt lọc động làm việc chế độ tải trọng tốc độ vịng quay cực đại Vì người ta nghiên cứu biện pháp để giảm nhiệt độ cháy muội than chất xúc tác tăng cường q trình ơxy hố theo phương pháp pha vào dầu diesel, ví dụ măng gan, trộn lẫn với dịng khí thải, ví dụ cloxit đồng Những phương pháp vừa nêu giảm nhiệt o độ cháy muội than khí thải xuống đến 300 C Ngoài biện pháp lọc xử lý chất thải rắn nêu trên, nhà chế tạo động nghiên cứu để tìm giải pháp giảm thành phần muội than khí thải động diesel theo hướng hoàn thiện kết cấu hệ thống bơm cao áp, vòi phun, tổ chức buồng cháy, bảo đảm điều kiện kỹ thuật động vận hành Mục tiêu phấn đấu giảm hàm lượng muội than khí thải đến mức bảo đảm tuân thủ tiêu chuẩn mơi trường mà khơng phải dùng lọc, bố trí lọc đường thải làm tăng sức cản dẫn đến giảm tính kinh tế động Lab of Internal Combustion Engine, Institute of Transportation Engineering Hanoi University of Technology ... Transportation Engineering Hanoi University of Technology Phần NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Chương NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Nhiên liệu sử dụng ĐCĐT Hiện nhiên liệu chủ... Engineering Hanoi University of Technology Chương NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.3 Nguyên lý làm việc động kỳ không tăng áp chu trình cơng tác gồm q trình (kỳ) “gần tương ứng “ với hành... Transportation Engineering Hanoi University of Technology Chương NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG MƠ HÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KỲ Quá trình nạp Quá trình nén Quá trình cháy giãn nở Quá trình