Khi hơi xăng bị nung nóng lên bởi nhiệt độ cao, nó ôxy hoá rất nhanh nh−ng cháy không hoàn toàn hay thậm chí không cháy, xăng không cháy còn lại trong buồng cháy rồi bay vào khí quyển ở dạng khí HC.
Cũng nh− đối với CO, nếu xăng cháy hoàn toàn trong buồng đốt sẽ không sinh ra HC trong khí xả nh−ng trong thực tế HC vẫn sinh ra trong tr−ờng hợp đó. Lý do đ−ợc giải thích nh− sau:
- Do tỷ lệ khí - nhiên liệu không đúng: Đến một điểm xác định l−ợng HC trong khí xả tăng khi hỗn hợp khí - nhiên liệu trở nên đậm hơn. điều đó gây nên sự cháy không hoàn toàn do thiếu ôxy. Tuy nhiên nếu hỗn hợp trở nên quá nhạt, nồng độ HC cũng sẽ lại tăng thay cho việc phải giảm xuống. Nguyên nhhân là do thiếu nhiên liệu sẽ làm chậm sự lan truyền của ngọn lửa, kết quả là nhiên liệu sẽ bị đẩy ra khỏi buồng cháy tr−ớc khi nó có thể cháy hoàn toàn và hiện t−ợng bỏ máy sẽ xảy ra.
- Do áp suất nén thấp: Khi chạy theo quán tính hay giảm ga, b−ớm ga đóng hoàn toàn. Kết quả là hầu nh− không có khí nạp vào trong xi lanh, chỉ có một ít nhiên liệu hút vào qua mạch tốc độ thấp và nh− vậy hỗn hợp sẽ rất đậm. áp suất nén thấp và thiếu O2 sẽ gây ra bỏ máy dẫn đến sự cháy không hoàn toàn của nhiên liệu. Kết quả là HC không cháy trong khí xả.
Xu páp xả mở Xu páp Xả đóng Xu páp nạp mở Xu páp nạp đóng T.D.C Hai xu páp cùng mở B.D.C
- Sự trùng lặp thời điểm đóng mở xupáp: Trong khoảng thời gian ngắn, lúc cả xupáp nạp và xupáp hút đều mở. Một ít khí HC bị hút ra khỏi buồng cháy qua xupáp xả tr−ớc khi nó đ−ợc cháy. Hiện t−ợng này gọi là lọt khí do mở sớm đóng muộn.
- Sự dập tắt: Nhiệt độ ngọn lửa giảm đột ngột ở những vùng dập tắt ngăn cản hỗn hợp khí - nhiên liệu ở những vùng này bắt lửa. Nhiên liệu không cháy hay cháy một phần ở những vùng dập tắt sau đó đ−ợc xả ra khỏi xi lanh khi pít tông bắt đầu chuyển động lên phía trên trong kỳ xả [7], [8].
3.2.4. Các ôxit nitơ (NOx)
95% NOx có trong khí xả là NO, tạo ra trong buồng cháy theo ph−ơng trình sau: N2 + O2 2NO t0
NO sau đó lại kết hợp với O2 trong không khí để tạo ra NO2: 2NO + O2 2NO t0 2
Chú ý rằng, mặc dù phân tử N2 chiếm gần 80% bầu khí quyển trái đất nh−ng chúng rất ổn định ở điều kiện th−ờng. Chỉ khi ở nhiệt độ cao (khoảng 18000C) và nồng độ O2 cao mới có thể làm N2 kết hợp với O2 để đầu tiên tạo ra NO. Khác với CO và HC, NOx sinh ra khi cháy hoàn toàn nhiều hơn so với cháy không hoàn toàn bởi vì chỉ sau đó, nhiệt độ mới đủ cao để thúc đẩy phản ứng hoá học tạo ra NO. Nếu nhiệt độ không cao hơn 18000C thì N2 và O2 sẽ bị xả ra ngoài mà không kết hợp đ−ợc để tạo ra NO. Điều đó có nghĩa là những yếu tố ảnh h−ởng mạnh nhất đến nồng độ NOx tạo thành khí cháy là nhiệt độ cực đại trong buồng cháy và tỷ lệ khí nhiên liệu. Cho nên cách tốt nhất để giảm l−ợng khí NOx là hoặc giảm nhiệt độ trong buồng cháy xuống d−ới 18000C hoặc giảm thời gian xuất hiện nhiệt độ cao. Một khả năng khác là giảm nồng độ O2.
- Tỷ lệ khí nhiên liệu và nhiệt độ buồng cháy: Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nồng độ NOx sinh ra lớn nhất khi tỷ lệ khí - nhiên liệu khoảng 16:1. Nếu tỷ lệ thực tế lớn hơn hay nhỏ hơn, nồng độ NOx sẽ giảm xuống đột
ngột. Lý do của sự giảm nồng độ NO ở phía tỷ lệ đậm của 16:1 là nồng độ ôxy thấp. Lý do của sự giảm ở phía hỗn hợp nhạt là sự cháy chậm, ngăn cản nhiệt độ ngọn lửa trong buồng cháy đạt tới giá trị cực đại.
- Tải trọng động cơ: Nhiệt độ buồng cháy tăng tỷ lệ với hỗn hợp khí-nhiên liệu bị cháy. Vì vậy nếu b−ớm ga mở hoàn toàn thì nhiệt độ buồng cháy sẽ trở nên rất cao. Nó tạo ra l−ợng NOx ở mức đáng kể mặc dù tỷ lệ khí - nhiên liệu là đậm [8].
3.2.5. Chế độ lái xe và các khí xả
- Hâm nóng: Là giai đoạn từ lúc động cơ khởi động lạnh đến khi nhiệt độ n−ớc làm mát tăng lên đến nhiệt độ bình th−ờng 700C - 800C. trong giai đoạn này, vì động cơ ch−a đ−ợc hâm đủ nóng, xăng không thể bay hơi hoàn toàn, nên hỗn hợp khí - nhiên liệu quá đậm vì vậy sinh ra l−ợng lớn hơn bình th−ờng CO và HC.
- Chế độ không tải: Khi chạy không tải, nhiệt độ bên trong buồng cháy giảm, nên xăng không bay hơi đủ. Nó có thể gây ra sự cháy không ổn định, nếu chế hoà khí không đ−ợc thiết kế để chống lại hiện t−ợng này bằng cách cung cấp thêm nhiên liệu để làm hỗn hợp đậm hơn. Bình th−ờng, trong những tr−ờng hợp nh− thế, sự cung cấp nhiên liệu bổ xung này làm cho tỷ lệ khí - nhiên liệu trở nên đậm hơn. Nồng độ CO và HC bởi vậy tăng do sự cháy không hoàn toàn trong khi nồng độ NOx giảm gần tới không do sự giảm nhiệt độ cháy.
- Tốc độ không đổi (tải nhẹ): ở chế độ tốc độ không đổi, tỷ lệ khí - nhiên liệu nhạt hơn một chút hay bằng với lý thuyết. Vì vậy, do khí CO và HC sinh ra ít, l−ợng hỗn hợp nạp cũng ít dẫn đến mức khí NOx sinh ra cũng sẽ ít hơn so với mức bình th−ờng.
- Tăng tốc, chạy tốc độ cao (tải nặng): Khi tăng ga, tải lớn sẽ đ−ợc đặt lên động cơ. B−ớm ga mở hoàn toàn và hỗn hợp khí - nhiên liệu nạp vào tăng,
tỷ lệ khí - nhiên liệu trở nên đậm. Nồng độ CO và HC vì vậy tăng cao và l−ợng NOx đ−ợc sinh ra cũng tăng lên do nhiệt độ tăng trong buồng cháy. - Giảm tốc: Khi phanh bằng động cơ, b−ớm ga đóng hoàn toàn, nh−ng tốc độ động cơ vẫn cao và độ chân không trong buồng cháy và ống góp nạp do đó cũng lớn. Độ chân không này làm giảm tốc độ lan truyền ngọn lửa và làm tắt ngọn lửa tr−ớc khi nó kịp lan truyền đến toàn bộ buồng cháy. Nó sinh ra khí HC không cháy mà đ−ợc xả vào trong không khí. Mặt khác độ chân không lớn làm nhiên liệu dính ở thành ống góp nạp bay hơi rất nhanh làm hỗn hợp quá đậm. Điều này làm tăng nồng độ CO và HC nh−ng cũng làm giảm nhiệt độ cháy dẫn đến nồng độ NOx giảm tới gần 0 [4].
3.3. ảnh h−ởng của trạng thái kỹ thuật động cơ đến thành phần khí xả đến thành phần khí xả
3.3.1. ảnh h−ởng của trạng thái kỹ thuật cơ cấu biên tay quay
Trong các bộ phận, chi tiết của cơ cấu biên tay quay thì tình trạng kỹ thuật của nhóm pít tông - Xi lanh có ảnh h−ởng rõ nhất, tác động mạnh nhất đến quá trình cháy dẫn đến sự thay đổi của các thành phần khí xả. Trong nhóm pít tông - Xi lanh, các sai lệch h− hỏng chủ yếu là: Tăng khe hở h−ớng kính giữa pít tông - Xi lanh, khe hở liên kết giữa vòng găng hơi và vòng găng dầu trên pít tông, khe hở trong chốt pít tông, giảm đàn hồi và gãy vỡ vòng găng hơi, vòng găng dầu. Khi không có sự kín sát trong nhóm pít tông - Xi lanh sẽ làm tăng lọt khí từ không gian bên trên pít tông xuống các te, giảm áp suất nén trong buồng đốt, điều đó làm giảm l−ợng không khí đ−ợc nạp vào xi lanh, điều này sẽ ảnh h−ởng tới tỷ lệ khí - nhiên liệu, làm xấu chất l−ợng tạo thành hỗn hợp đốt và đốt cháy nhiên liệu. Hỗn hợp sẽ rất đậm ở tốc độ thấp. Sự thiếu O2 do l−ợng khí nạp giảm và áp suất nén thấp do lọt hơi sẽ gây ra sự cháy không hoàn toàn của nhiên liệu, nhiệt độ
buồng cháy giảm, kết quả là l−ợng HC không cháy trong khí xả tăng lên. Mặt khác, tỷ lệ khí - nhiên liệu và nhiệt độ buồng cháy cũng sẽ ảnh h−ởng tới tỷ lệ của các thành phần NOx, CO… trong khí xả và nói chung sự hao mòn, h− hỏng của cơ cấu biên tay quay mà đặc biệt là nhóm Pít tông - Xi lanh sẽ làm tăng chi phí nhiên liệu riêng, tăng độ khói trong khí xả, tác động theo h−ớng xấu đến thành phần khí xả [2], [7].
3.3.2. ảnh h−ởng của trạng thái kỹ thuật hệ thống nạp và xả
Tình trạng kỹ thuật của hệ thống nạp và xả có ảnh h−ởng rõ rệt đến thành phần khí xả, nhất là tốc độ thay đổi độ chân không trong đ−ờng nạp. Độ chân không trong đ−ờng nạp đ−ợc quyết định bởi tình trạng kỹ thuật của bầu lọc không khí và độ kín sát của các vị trí nối (ở đây ta giả thiết rằng tình trạng kỹ thuật của hệ thống Biên-tay quay và các phần khác của cơ cấu phân phối khí là ở trong tình trạng kỹ thuật tốt).
Trong thực tế sử dụng ôtô-Máy kéo, bình lọc không khí bị bẩn, tắc là h−
hỏng th−ờng xuyên xảy ra và điều này làm giảm công suất động cơ, tăng chi phí nhiên liệu và tất yếu là các thành phần khí xả cũng thay đổi theo chiều h−ớng tăng các thành phần độc hại. Điều này có thể thấy rõ qua sự giải thích về sự phụ thuộc chặt chẽ của một số thành phần khí xả chính vào tỷ lệ khí-nhiên liệu.
Khi bình lọc tắc, độ chân không trong đ−ờng ống nạp sẽ tăng lên, nhất là đối với các tr−ờng hợp tăng tốc đột ngột, điều này sẽ dẫn đến kết quả là hỗn hợp đốt trở nên quá đậm và sẽ không đủ O2 trong hỗn hợp cho sự cháy của tất cả nhiên liệu và nh− vậy thì tỷ lệ HC trong khí xả cũng sẽ tăng lên. Mặt khác, khí CO sinh ra do sự cháy không hoàn toàn của nhiên liệu do thiếu O2 trong buồng cháy. Nh− vậy cũng có nghĩa là khi hệ thống nạp bị tắc nghẽn sẽ dẫn đến sự tăng tỷ lệ của thành phần CO trong khí xả [2], [5], [7].
3.3.3. ảnh h−ởng của trạng thái kỹ thuật hệ thống đánh lửa
Hệ thống đánh lửa của động cơ xăng bao gồm một tổ hợp nhiều kết cấu cơ điện liên quan lẫn nhau để đáp ứng đ−ợc nhiệm vụ là cung cấp điện áp phát ra đủ mạnh để phóng tia lửa điện giữa hai cực budi với năng l−ợng điện cần đủ để đảm bảo đốt cháy hỗn hợp vào thời điểm thích hợp nhất t−ơng ứng với góc đánh lửa sớm. chính vì thế trạng thái kỹ thuật của từng chi tiết, bộ phận trong hệ thống đều có những ảnh h−ởng trực tiếp tới khả năng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật chung của hệ thống nhằm đốt cháy hỗn hợp. Đó là tình trạng của bộ chia điện và chuyển mạch, là trạng thái đóng của tiếp điểm và khe hở giữa các tiếp điểm, góc đánh lử sớm; sự thay đổi góc đóng và góc đánh lửa sớm trên mỗi cam so với giá trị trung bình. Là tình trạng của biến áp đánh lửa, là tình trạng của budi nh− khe hở giữa hai điện cực, tính liên tục của sự tạo thành tia lửa d−ới tác dụng của xung điện. Là tình trạng của đ−ờng dây cao áp, tình trạng cách điện… nếu có bất kỳ sự trục trặc h− hỏng nào thì sẽ ảnh h−ởng trực tiếp tới chất l−ợng tia lửa và nh− vậy khả năng đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp sẽ thay đổi. Điều này cũng có nghĩa là tỷ lệ các thành phần khí xả sẽ thay đổi khi có trục trặc từ hệ thống đánh lửa nói chung. Đặc biệt, có một mối liên quan chặt chẽ giữa thời điểm đánh lửa và sự sinh ra khí NOx. Bởi vì đánh lửa sớm hay muộn sẽ thay đổi nhiệt độ cực đại trong buồng cháy. Hãng TOYOTA đã nghiên cứu và vẽ đ−ợc đồ thị chỉ ra sự thay đổi nồng độ NOx theo tỷ lệ khí-nhiên liệu khi thời điểm đánh lửa đặt ở 00 (TDC) và 100, 200, 300, 400 BTDC. Nồng độ NOx ở gần tỷ lệ khí-nhiên liệu lý thuyết trở lên cao rõ rệt do nhiệt độ buồng cháy cao khi đánh lửa sớm (Ví dụ, khi thời điểm đánh lửa là 100 BTDC, nồng độ là 700 PPM, nh−ng khi đánh lửa sớm 300 BTDC thì nó tăng lên tới khoảng 2700 PPM) [1], [3], [6]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nồng độ NOx vào tỷ lệ khí - Nhiên liệu ở các thời điểm đánh lửa khác nhau
Ch−ơng 4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm
4.1. Chuẩn bị ph−ơng tiện, thiết bị và điều kiện thí nghiệm
Chuẩn bị động cơ 1RZ (đặt trên TOYOTA HIACE) và động cơ đặt trên TOYOTA CAMRY 2000: Kiểm tra và thực hiện các hiệu chỉnh cần thiết để đảm bảo rằng động cơ đang hoạt động trong tình trạng kỹ thuật tốt của các hệ thống và bộ phận cơ bản (áp suất nén, thời điểm đánh lửa, hệ thống cung cấp hỗn hợp đốt…).
Chuẩn bị thiết bị kiểm tra TECNOTEST- 473 và sử dụng ngay thiết bị này để kiểm tra tình trạng kỹ thuật của các hệ thống cơ bản của động cơ nh− đã nói ở trên. Kiểm tra các thiết bị liên quan đến việc xác định các thành phần khí xả (máy phân tích khí, cảm biến đo nhiệt độ động cơ, cảm biến đo số vòng quay của động cơ, kết nối máy tính…)
Chuẩn bị các ph−ơng tiện phục vụ cho thí nghiệm: Dụng cụ bịt đ−ờng nạp theo các tiết diện khác nhau, budi đã sử lý để tạo lọt hơi dụng cụ xác định mức ga khi tạo tải trọng, thiết bị xác định chính xác thời điểm đánh lửa, các dụng cụ điều chỉnh cần thiết…
Tiến hành lấy số liệu về nồng độ thành phần khí xả trong điều kiện động cơ có tình trạng kỹ thuật tốt:
Kết nối thiết bị TECNOTEST- 473 với động cơ 1RZ (TOYOTA HIACE) rồi động cơ TOYOTA CAMRY nh− đã trình bày ở phần các phần trên. - Kiểm tra, thực hiện các điều chỉnh để đảm bảo rằng tất cả các hệ thống của động cơ đang ở trong tình trạng ổn định và hoạt động tốt.
- Đ−a động cơ đến nhiệt độ làm việc (> 600C đo bởi cảm biến nhiệt độ cắm qua lỗ thăm dầu ở các te).
- Thực hiện tăng tốc không tải nhanh 2 lần và để động cơ trở về trạng thái chạy chậm.
- Đ−a đầu lấy khí mẫu vào ống xả sâu hết mức, ít nhất là 300 mm. (nếu giới hạn ống xả không cho phép đ−a đầu lấy mẫu vào đúng yêu cầu thì cần phải thêm ống nối và vặn chặt các vùng nối.)
- Điều chỉnh để động cơ chạy không ở số vòng quay nhỏ nhất (750V/P), số vòng quay 1500V/P và số vòng quay 2500V/P.
- In các số liệu từ thiết bị đo thông qua máy in. Kết quả đ−ợc tổng hợp nh− sau:
Bảng 4.1: Số liệu chế độ không tải TOYOTA HIACE ở tình trạng kỹ thuật tốt
nĐC Loại khí 750V/ph 1500V/ph 2500V/ph CO 0.87 0.65 0.71 CO2 13.7 12.8 13.3 HC 130 105 113 CO corr 0.87 0.65 0.71
Bảng 4.2: Số liệu chế độ không tải TOYOTA CAMRY ở tình trạng kỹ thuật tốt
nĐC Loại khí 750V/P 1500V/P 2500V/P CO 0.75 0.60 0.67 CO2 13.1 12.6 12.9 HC 117 90 100 CO corr 0.75 0.60 0.67
So sánh các số liệu thu đ−ợc với các tiêu chuẩn về khí xả t−ơng ứng theo qui định của nhà sản xuất, ta có thể kết luận các động cơ dùng cho thực nghiệm sẽ cho những kết quả có thể tin cậy.
4.2. ảnh h−ởng của tảI trọng
- Thực hiện tạo tải trọng cho động cơ bằng ph−ơng pháp gia tốc tại số vòng quay nghiên cứu là 1500(v/ph) và 2500(v/ph):
• Lần l−ợt thay đổi đột ngột tốc độ động cơ từ số vòng quay chạy không nhỏ nhất (750v/ph) đến số vòng quay nghiên cứu 1500v/ph; từ số vòng quay 1000v/ph đến 1500v/ph và từ số vòng