Xem mẫu
- ĐỀ TÀI
“Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và
cháy trên động cơ ôtô hiện đại”
Giáo viên hướng dẫn : Ths Khống Văn Nguyên
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Hùng & Cao Xuân Triệu
1
- MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... 10
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 2
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 11
i. Lý do lựa chọn đề tài ................................................................................................... 11
ii. Mụ c tiêu củ a đề tài................................ ..................................................................... 11
v. Phương pháp nghiên cứu............................................................................................ 12
vi. Các nội dung chính trong đồ án................................................................................. 12
Chương I: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN
HỢP TRÊN ĐỘNG CƠ ................................................................................................. 13
1 .1. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU, P HÂN TÍCH QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP
VÀ CHÁY ................................ ................................................................................. 13
1 .2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY 13
1.2.1. Phương pháp chụp ảnh ................................................................................. 14
1.2.2. Phương pháp nghiên cứ u quá trình cháy bằng kỹ thuật sợi ........................... 17
1.2.3. Phương pháp phân tích quá trình cháy b ằng phép chụp ảnh theo lớp (TCA) 20
1.2.4. Kỹ thu ật đo LIF ........................................................................................... 21
Chương II: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY
TRÊN ĐỘNG CƠ .......................................................................................................... 25
2 .1. SỰ HÌNH THÀNH HỖN HỢP (HÒA KHÍ) TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 25
2.1.1. Khái niệm sự h ình thành hòa khí.................................................................. 25
2.1.2. Phân lo ại kiểu hình thành hòa khí ................................ ................................ 26
2 .2. HÌNH THÀNH HÒA KHÍ TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG ..................................... 26
2.2.1. Yêu cầu thành ph ần khí hỗ n h ợp động cơ xăng ............................................ 26
2.2.2. Hình thành hòa khí trong động cơ phun xăng ............................................... 27
2 .3. HÌNH THÀNH HỖN HỢP TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL .................................. 30
2.3.1. Ch ất lượng tia phun và các nhân tố ảnh hưởng................................ ............. 30
2.3.2. Cấu trúc và sự phát triển của tia phun nhiên liệu ......................................... 32
2.3.3. Các phương pháp hình thành hòa khí trong động cơ diesel .......................... 33
Chương III: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY TRÊN
ĐỘNG CƠ XĂNG HIỆN ĐẠI....................................................................................... 35
3 .1. HỆ THỐNG PHUN XĂNG ................................................................................ 35
3.1.1. Đặc điểm ................................ ..................................................................... 35
3.1.2. Phân loại ................................................................ ................................ ...... 35
3 .2. HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ GIÁN TIẾP EFI ..................................... 35
3.2.1. Tìm hiểu chung ............................................................................................ 35
3.2.2. Các khối điều khiển củ a h ệ thống phun xăng điện tử gián tiếp ..................... 38
3.2.3. Hệ thống L - Jetronic ................................................................ ................... 40
2
- 3 .3. HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰ C TIẾP GDI................................ ................... 47
3.3.1. Giới thiệu................................ ..................................................................... 47
3.3.2. Hình thành hỗn hợp phân lớp ................................................................ ....... 49
3.3.3. Ch ế độ điều khiển ................................ ........................................................ 56
3.3.4. Phun phân lớp .............................................................................................. 57
3.3.5. Nhu cầu trong tương lai ............................................................................... 61
Chương IV: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY TRÊN
ĐỘNG CƠ DIESEL ................................................................ ................................ ...... 63
4 .1. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DIESEL- HỆ THỐNG CDI ................................ ....... 63
4.2.1. Hệ thống nhiên liệu EFI- Diesel ................................................................... 66
4.2.2. Hệ thống nhiên liệu với ống phân phối Common Rail (CRS) ....................... 73
4.2.3. Hệ thống cung cấp nhiên liệu với bơm – vòi phun kết h ợp điều khiển điện tử
(EUI và HEUI ) ................................ ..................................................................... 80
Chương V: HÌNH THÀNH HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT VÀ CHÁY DO NÉN (HCCI) ... 89
5 .1. GIỚI THIỆU................................................................................................ ....... 89
5 .2. PHÁT THẢI ĐỘC HẠI TỪ CHẾ HCCI ............................................................. 90
5.2.1. NOx ................................................................................................ ............. 90
5.2.2. PM............................................................................................................... 91
5.2.3. HC ............................................................................................................... 91
5.2.4. CO ............................................................................................................... 92
5 .3. NHỮNG TRỞ NGẠI CƠ BẢN ĐỐI VỚI HCCI ................................................ 92
5.3.1. Hình thành hỗn hợp đồng nhất ..................................................................... 92
5.3.2. Điều khiển thời điểm tự cháy và thời gian cháy ........................................... 93
5 .4. CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG VÀ THÔNG SỐ ĐIỀU KHIỂN CỦA QUÁ
TRÌNH CHÁY HCCI ................................................................ ................................ 94
5.4.1. Tỷ số nén ................................ ..................................................................... 94
5.4.2. Thay đổi pha phố i khí ................................ .................................................. 94
5.4.3. Nhiệt độ khí nạp .......................................................................................... 95
5.4.4. Hệ số dư lượng không khí λ ......................................................................... 95
5.4.5. Tốc độ động cơ ............................................................................................ 95
5.4.6. Tính ch ất nhiên liệu ..................................................................................... 96
5 .5. ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHUYỂN TIẾP ..................................................... 96
5 .6. ỨNG DỤNG CỦA CHẾ ĐỘ HCCI TRÊN ĐỘNG ................................ ............. 98
3
- NH ẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
Hưng yên, ngày … tháng … năm 2012
Giáo viên hướng dẫn:
Khổng Văn Nguyên
4
- NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PH ẢN BIỆN
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
Hưng yên, ….ngày … tháng … năm 2012
Giáo viên phản biện:
Nguyễn Mạnh Cường
5
- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮ T
Động cơ phun xăng trực tiếp (Gasoline Direct Injiection Engine)
GDI
Phun xăng điện tử (Electronic fuel injection)
EFI
Bộ điều khiển động cơ (Enginer Control Unit)
ECU
Đơn vị n ăng lượng (Exhaust Gases Return)
EGR
Tỷ lệ không khí / nhiên liệu (Air / Fuel ratio )
A/F
Bộ điều khiển (Electronic Driver Unit)
EDU
ε Tỷ số nén
Bộ điều khiển động cơ (Electronic control module)
ECM
φs Góc đánh lửa sớm
Van điều khiển
SPV
Van điều khiển thời điểm phun
TCV
Hệ thống sử dụng ố ng phân phối (Common rail system)
CRS
Điều khiển vòi phun điện tử (Electronically Controlled Unit Injector)
EUI
Điều khiển vòi phun điện tử bằng thủ y lực (Hydraulically Actuated
HEUI
Electronically Controlled Unit Injector)
INJ Kim phun (Injiection)
Su ất tiêu thụ nhiên liệu
ge
Hệ thống phân tích quá trình cháy
TCA
Laser cảm ứng hu ỳnh quang (Laser Induced Fluorescence)
LIF
λ Tỷ lệ hỗn hợp không khí/nhiên liệu
VVT V an biến thiên (Variable Van Timing)
HC Hydrocacbon
Dòng chảy nhiên liệu phân lớp (Fule Stratified Injection).
FSI
6
- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Số hiệu Tên hình vẽ, đồ th ị Trang
Sơ đồ thí nghiệm chụp ảnh quá trình phun nhiên liệu và quá trình
Hình 1.1 14
cháy trong động cơ diesel phun nhiên liệu trự c tiếp
Quan sát quá trình phun nhiên liệu và cháy từ phía trên n ắp xi lanh
Hình 1.2 15
Quan sát chụp ảnh quá trình cháy theo ph ương ngang quá buồng
Hình 1.3 15
cháy
Sơ đồ h ệ thống chụp ảnh buồng cháy dùng thiết bị nội soi
Hình 1.4 16
Sơ đồ một cáp quang
Hình 1.5 17
Sơ đồ lắp đặt đầu quang học dùng cáp quang
Hình 1.6 17
Sơ đồ một bugi lắp 8 đầu quang học dùng cáp quang
Hình 1.7 18
Sơ đồ h ệ thống phân tích quá trình cháy kiểu chụp ảnh phân lớp
Hình 1.8 19
Bộ ph ận quang học để hạn chế góc nhìn củ a đầu quang học
Hình 1.9 20
Hình 1.10 Nguyên lý phương pháp đo LIF 20
Kết quả đo củ a tia nhiên liệu với tracer-LIF (trái) và sự lan tràn 22
Hình 1.11
màng lửa với OH-LIF (phải)
Hệ thống phun xăng đơn điểm
Hình 2.1 26
Bố trí vòi phun trong h ệ thống phun xăng đa điểm, gián tiếp
Hình 2.2 27
Hệ thống phun xăng đa điểm
Hình 2.3 27
Cấu trúc cơ bản của hệ thống phun xăng trự c tiếp
Hình 2.4 28
Động cơ phun xăng trực tiếp của hãng Mitsubishi
Hình 2.5 28
Các đường đặc tính phun nhiên liệu
Hình 2.6 30
Cấu tạo củ a tia nhiên liệu
Hình 2.7 31
Ảnh hưởng của áp suất đến chiều dài tia phun
Hình 2.8 32
Sự thay đổ i các thông số củ a tia nhiên liệu theo thời gian phun
Hình 2.9 32
Sơ đồ khối thể hiện kết cấu cơ b ản củ a EFI
Hình 3.1 35
Sơ đồ cơ b ản củ a EFI
Hình 3.2 36
Phân lo ại hệ thố ng EFI
Hình 3.3 36
Sơ đồ khối cấp xăng
Hình 3.4 37
Sơ đồ khối bộ điều khiển trung tâm
Hình 3.5 38
Sơ đồ m ạch điện hệ thống điều khiển
Hình 3.6 39
Sơ đồ đ iều ch ỉnh phun nhiên liệu ở các chế độ
Hình 3.7 41
7
- Sơ đồ làm đậm khi hâm nóng
Hình 3.8 42
Chức năng hiệu chỉnh hỗn hợp
Hình 3.9 43
Hình 3.10 Sơ đồ h iệu ch ỉnh hỗn h ợp 44
Hình 3.11 Sơ đồ đ iều khiển bằng cam biến hỗn hợp 45
Mô hình hiệu chỉnh khí xả CO đ ối vơi các xe không có cảm biến
Hình 3.12 45
oxy ho ặc cảm biến A/F
Hình 3.13 Hệ thống phun xăng trự c tiếp 46
Hình 3.14 Động cơ phun xăn g trực tiếp GDI 47
Hình 3.15 Buồng đốt đồng nh ất và phun phân lớp 48
Hình 3.16 Đồ thị thể hiện giảm tổn th ất nhiên liệu, cháy phân lớp 48
Hình 3.17 Cung cấp nhiên liệu củ a động cơ GDI 48
Hình 3.18 Kết cấu buồng cháy hãng FORD 49
Hình 3.19 Sơ đồ các dạng buồng đố t tạo hỗn hợp phân lớp củ a động cơ GDI 51
Hình 3.20 Sơ đồ chuyển động dòng khí nạp vào của buồng cháy Spray Guide 52
Hình 3.21 Vị trí của kim phun và bugi trong kiểu buồng đố t Spray Guide 52
Hình 3.22 Sơ đồ bố trí buồng cháy động cơ GDI 53
Hình 3.23 Hệ thống buồng đố t kiểu Spray – Guide của Renault 53
Hình 3.24 Kết cấu buồng đố t Wall – Guide 54
Hình 3.25 Sơ đồ bố trí kim phun và bugi củ a buồ ng đốt Wall Guide 54
Hình 3.26 Kết cấu buồng đố t kiểu Air – Guide 54
Hình 3.27 Biểu đồ ch ế độ hoạt động của động cơ GDI 55
Hình 3.28 Mô hình mô tả phun phân lớp với dạng 3 buồng đốt 57
Hình 3.29 Các dạng buồng đốt tạo chuyển động dòng khí 58
Hình 3.30 Buồng đốt kỹ thuật kiểu wall - guild 58
Hình 3.31 Khoảng cách tia lửa trong quá trình 60
Đặc tính phun dầu thường
Hình 4.1 63
Đặc tính củ a h ệ thống phun common rail
Hình 4.2 63
Sơ đồ tổng quan hệ thố ng EFI- DIesel
Hình 4.3 65
Sơ đồ lắp ECU trong hệ thống
Hình 4.4 66
Hệ thống EFI- Diesel thông thường
Hình 4.5 66
Bơm piston kiểu hướng trục
Hình 4.6 67
Bơm piston kiểu hướng kính
Hình 4.7 67
Sơ đồ tổng quan van SPV (van điều khiển)
Hình 4.8 67
Sơ đồ cấu tạo van SPV thông thường
Hình 4.9 68
Hình 4.10 sơ đồ nguyên lý của van SPV thông thường 68
8
- Hình 4.11 Sơ đồ cấu tạo lo ại van SPV hoạt động trự c tiếp 69
Hình 4.12 Sơ đồ n guyên lý của van SPV ho ạt động trực tiếp 69
Hình 4.13 Cấu tạo củ a TCV (van điều khiển thời điểm phun) 70
Hình 4.14 Sơ đồ cấu tạo h ệ thống nhiên liệu Diesel điện tử với ống phân phố i 71
Hình 4.15 Bơm cấp nhiên liệu kiểu bánh răng ăn khớp ngoài 72
Hình 4.16 Bơm cao áp lo ại 2 piston 72
Hình 4.17 Cấu tạo bơm cao áp loại ba piston 73
Hình 4.18 Sơ đồ n guyên lý bơm cao áp loại 3 piston 74
Hình 4.19 Bơm cao áp lo ại 4 piston 74
Hình 4.20 Cấu tạo ống phân phối 75
Hình 4.21 Bộ hạn chế áp suất 75
Hình 4.22 Van xả áp 76
Hình 4.23 Cấu tạo vòi phun 76
Hình 4.24 Quá trình thực hiện phun 78
Hình 4.25 Sơ đồ h ệ thống nhiên liệu EUI 78
Hình 4.26 Sơ đồ h ệ thống dẫn động phun của EUI 80
Hình 4.27 Cấu tạo vòi phun 87
Hình 4.28 Các giai đoạn ho ạt động của vòi phun 81
Hình 4.29 Sơ đồ h ệ thống nhiên liệu HEUI 82
Hình 4.30 Cấu tạo vòi phun HEUI 83
Hình 4.31 Quá trình phun của vòi phun HEUI 83
Sơ đồ vùng cháy của động cơ HCCI
Hình 5.1 87
So sánh phát th ải NOx của các loại động cơ
Hình 5.2 89
Phân Lo ại quá trình hình thành hỗn hợp của HCCI
Hình 5.3 90
Hình 5.4 91
So sánh thời điểm phun và quy luật phun của HCCI với DI
Sự h ình thành hỗn hợp trong đơn xi lanh động cơ HCCI
Hình 5.5 91
Ảnh hưởng của tỷ số nén tới quá trình cháy
Hình 5.6 92
Ảnh hưởng của nhiệt độ khí n ạp tới quá trình cháy HCCI
Hình 5.7 93
So sánh quá trình cháy của các loại nhiên liệu diesel
Hình 5.8 94
So sánh quá trình cháy của nhiên liệu xăng và diesel
Hình 5.9 94
9
- LỜI CẢM ƠN
Sau mộ t thời gian học tập và nghiên cứu tại trường ĐHSPKT Hưng Yên. Đến nay
chúng em đã hoàn thành chương trình. Và đư ợc giao đồ án tố t nghiệp với đề tài: “Nghiên
cứu quá trình hình thành hỗ n hợp và cháy trên độ ng cơ ô tô hiện đạ i”, dưới sự
hướng dẫn của thầy Th. S K hổng Văn Nguyên. Đến nay chúng em đã hoàn thành .
Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Th. S K hổng Văn Nguyên, là n gười đã
hướng d ẫn chúng em hết sức tận tình và chu đáo về m ặt chuyên môn, tài liệu để chúng
em hoàn thành được đồ án này.
Đồng thời chúng em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô và các b ạn sinh viên
trong Khoa cơ khí động lực trường ĐHSPKT Hưng Yên giúp đ ỡ tạo và tạo đ iều kiện cho
chúng em hoàn thành đồ án này.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Văn Hùng
Cao Xuân Triệu
10
- MỞ ĐẦU
i. Lý do lựa chọn đề tài
*) Tính cấp thiết của đề tài.
Bước sang thế kỉ 21, sự tiến bộ về khoa học kỹ thuật của nhân loại đã bước lên
một tầm cao mới. Rất nhiều những thành tựu khoa học kỹ thuật, các phát minh, sáng chế
mang đậm chất hiện đại và có tính ứng dụng cao. Là một quốc gia có nền kinh tế đ ang
phát triển, nước ta đã và đ ang có những cải cách mới để thúc đẩy kinh tế. Việc tiếp thu,
áp dụng các thành tựu khoa học tiên tiến của thế giới đang rất được nhà nước quan tâm
nhằm cải tạo, đẩy mạnh phát triển các ngành công nghiệp mới, với mục đích đ ưa nước ta
từ một nước nông nghiệp lạc hậu thành một nước công nghiệp phát triển .
Trong các ngành công nghiệp mới đang được nh à nư ớc chú trọng, đầu tư phát
triển thì công nghiệp ôtô là một trong những ngành tiềm năng. Do sự tiến bộ về khoa học
công nghệ nên quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hoá phát triển một cách ồ ạt, tỉ lệ ô
nhiễm nguồn nước và không khí do ch ất thải công nghiệp ngày càng tăng. Các nguồn tài
nguyên thiên nhiên như: Than, đá, dầu mỏ…bị khai thác bừa bãi nên ngày càng cạn kiệt.
Điều này đặt ra bài toán khó cho ngành động cơ đốt trong nói chung và ôtô nói riêng, đó
là phải đảm bảo chất lượng khí thải và tiết kiệm nhiên liệu.
Vì thế, đề tài: “Nghiên cứu quá trình hình thành hỗ n h ợp và cháy trên đ ộng cơ ôtô
hiện đạ i” được thực hiện nh ằm phần nào bổ sung thêm nguồn tài liệu tham kh ảo, giúp
sinh viên thấy được bứ c tranh tổng quát về cấu tạo cũng như quá trình hình thành hỗn
hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại.
*) Ý ngh ĩa của đề tài.
Đề tài giúp sinh viên năm cuối khi sắp tốt nghiệp có th ể củng cố kiến thức, tổng
hợp và nâng cao kiến thứ c chuyên ngành cũng như nh ững kiến thức ngoài thực tế, xã hộ i
để các sinh viên trong trường đặc biệt là sinh viên trong khoa Cơ Khí Động Lực tham
khảo.
Đề tài nghiên cứu: “ Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động
cơ ôtô hiện đạ i” không chỉ giúp cho chúng em tiếp cận với thực tế và tạo nguồn tài liệu
cho các bạn họ c sinh, sinh viên các khoá sau có thêm ngu ồn tài liệu để nghiên cứu, học
tập .
Những kết quả thu thập được sau khi hoàn thành đề tài này trước tiên là sẽ giúp cho
chúng em, những sinh viên lớp ĐLK8LC.1 có th ể hiểu sâu hơn về quá trình hình thành
hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại có những kiến thức cơ b ản để áp dụng vào
thực tế phát huy nh ững ưu điểm mà động cơ ôtô mang lại.
ii. Mục tiêu của đề tài
Với yêu cầu nội dung của đề tài, mục tiêu cần đạt được sau khi hoàn thành đề tài
11
- như sau:
- Nắm đư ợc các kiến th ức cơ bản về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên
động cơ ôtô.
- Đề suất cải tiến quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô.
iii. Đối tượng và khách thể nghiên cứu
Đố i tượng nghiên cứu:
- Ngiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ xăng hiện đ ại.
- Ngiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ diesel hiện đại.
Khách thể nghiên cứu:
- Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại.
iv. Nhiệm vụ nghiên cứu
Nghiên cứu và phân tích quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ô tô
hiện đại.
-Tổng hợp tài liệu trong và ngoài nước để hoàn thiện đề tài nghiên cứu của mình:
“Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại”.
v. Phương pháp nghiên cứu
Người nghiên cứu đ ã sử dụng các phương pháp sau:
1. Tham khảo tài liệu
Dựa vào những tài liệu về phương pháp nghiên cứu khoa học, phương pháp giảng
dạy, tài liệu chuyên nghành ôtô đ ể có hướng nghiên cứu thích hợp .
2. Phương pháp tham khảo ý kiến
3. Dịch tài liệu: chủ yếu d ịch tiếng Anh từ tài liệu hướng dẫn Mixture Formation in
Internal Combustion Engine.
vi. Các nội dung chính trong đồ án
Thuyết minh của đề tài được trình bày theo các ph ần như sau:
Mở đ ầu
Chương 1 . Các phương pháp ngiên cứu hình thành hỗn hợp trên động cơ
Chương 2 . Tổng quan về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ
Chương 3 . Hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ xăng hiện đại
Chương 4 . Hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ diesel hiện đại
Chương 5 . Hình thành hỗn hợp và cháy do nén (HCCI)
Kết lu ận và đề xuất ý kiến
12
- Chương I: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH
HÌNH THÀNH HỖN HỢP TRÊN ĐỘNG CƠ
1.1. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP
VÀ CHÁY
Quan sát và chụp ảnh diễn biến quá trình cháy trong xi lanh động cơ là một trong
các biện pháp hiệu quả giúp ta phân tích nghiên cứu tối ưu hoá quá trình hình thành hỗn
hợp và cháy đ ể n âng cao hiệu suất và công suất động cơ cũng như giảm thiểu ô nhiễm khí
thải. Để quan sát đư ợc quá trình hình thành hỗn hợp và cháy, cần phải tạo ra được các
hình ảnh nhìn thấy mộ t cách trực tiếp hoặc gián tiếp nh ờ tác dụng của ánh sáng lên các
vật liệu nhạy cảm đố i với ánh sáng. Do vậy, việc chiếu sáng và ghi lại các hình ảnh tạo ra
là các công việc chủ yếu của việc quan sát chụp ảnh quá trình cháy. Ánh sáng có thể tự
phát ra từ chính khí cháy cần quan sát, hoặc nếu không thì dùng một nguồn sáng bên
ngoài chiếu sáng th ể tích khí cần quan sát chụp ảnh.
Ngày xưa người ta thường dùng phim đ ể ghi lại hình ảnh theo nguyên lý chụp ảnh
nói chung. Vì quá trình cháy trong động cơ diễn ra rất nhanh nên mỗi một ảnh cũng phải
được chụp với tố c độ rất nhanh để giảm ảnh hưởng của sự chuyển độ ng của môi chất
trong xi lanh đến độ n ét của hình ảnh . Do vậy m ỗi chu trình thường chỉ ghi lại được mộ t
hình ảnh ở một vị trí góc quay trụ c khu ỷu nào đó. Muốn ghi lại một lo ạt hình ảnh quá
trình cháy ở các góc độ quay khác nhau của trục khu ỷu người ta phải thự c hiện trên nhiều
chu trình động cơ ở chế độ làm việc ổn đ ịnh. Phương pháp này được gọi là phương pháp
chụp ảnh đơn tố c độ cao.
Ngày nay với các thành tựu mới của khoa họ c công nghệ, người ta đ ã sử dụng các
kỹ thuật quang điện tử và k ỹ thuật số để th ực hiện mục đích này. Với kỹ thu ật này có thể
ghi được một cách liên tụ c hàng trăm bứ c ảnh hoặc hơn trong một giây nên có th ể nhận
được một lo ạt hình ảnh liên tiếp trong cùng mộ t chu trình động cơ, tứ c là ta có thể xem
được diễn biến quá trình cháy trong từng chu kỳ riêng biệt. Phương pháp này được gọi là
phương pháp quay phim liên tục tốc độ cao.
Các phương pháp chụp ảnh, ghi hình nói trên đều cần đ ến nguồn sáng và máy
quay phim tố c đ ộ cao .
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU H ÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY
Để đi sâu tìm hiểu từng k ỹ thuật đo sẽ m ất rất nhiều thời gian, nên ở đây sẽ ch ỉ trình
bày m ột số k ỹ thuật đo cơ b ản cũng đ ược áp dụng khá phổ biến trong quá trình tìm hiểu
về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ.
13
- 1.2.1. Phương pháp chụp ảnh
Để nghiên cứu quá trình cháy một cách trọn vẹn, ngoài quan sát sự hình thành và
phát triển của màng lửa cần phải quan sát được hiện tượng phun nhiên liệu và hình thành
hỗn hợp trước khi quá trình cháy xảy ra. Các quá trình phun nhiên liệu này không phát
sáng nên cần phải có một nguồn sáng để chiếu sáng trong khi quan sát ho ặc ghi lại hình
ảnh. Hình 1.1 giới thiệu mộ t sơ đồ thiết b ị thí nghiệm điển hình được sử dụng để quan sát
chụp ảnh quá trình cháy trong động cơ diesel m ột xi lanh chuyên dùng cho nghiên cứu.
Trong sơ đồ này, ánh sáng từ m ột nguồn sáng phản xạ qua một gương chiếu sáng các tia
nhiên liệu phun trong xi lanh động cơ. Các tia nhiên liệu phun được chiếu sáng khi đó
được ghi hình bằng mộ t máy ảnh đặt ở phía kia của xi lanh.
Phương pháp chụp ảnh tốc độ cao yêu cầu buồng cháy phải được chiếu sáng với
mộ t cường độ sáng cao trong một kho ảng thời gian rất ngắn. Các đ ặc điểm chính của
nguồn sáng đư ợc chọn là độ sáng, sự phân bố quang phổ và tốc độ lặp lại củ a nó.
Hình 1.1. Sơ đồ thí nghiệm chụp ảnh quá trình phun nhiên liệu và quá trình cháy trong
động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp
Nguồn sáng có thể chiếu sáng liên tục ho ặc chiếu sáng ở dạng xung tu ỳ theo yêu
cầu chụp ảnh đơn hay ghi hình liên tụ c. Nguồn sáng d ạng xung được sử dụng trong ch ụp
ảnh đơn, trong trường hợp này các xung ánh sáng với độ dài xung rất ngắn quyết định độ
phân giải củ a hệ thống và cho phép sử dụng được các máy ảnh có tốc độ chậm hơn vì khi
đó thời gian ghi ảnh được quyết đ ịnh bởi độ dài xung chiếu sáng. Các đèn xung laser có
độ dài xung rất ngắn tới 20 (ns).
Có hai lo ại đèn chiếu sáng liên tục trong vùng quang phổ nhìn thấy là đèn halogen
volfram thạch anh và đèn tròn một chiều trong đó loại thứ nh ất có năng lượng lớn và khả
năng chiếu sáng rộng nên đ ược dùng rộng rãi hơn. Trong trường hợp dùng nguồn sáng
liên tục thì thời gian ghi mộ t ảnh được quyết đ ịnh bởi tốc độ m áy ảnh (tức là = 1/số ảnh
14
- trong một giây).
Nhìn chung các máy ảnh tốc độ cao đều trang b ị các nguồn sáng phát xung ngắn
(vài micro giây) nên có thể chụp được các bức ảnh tức thời và tăng được độ nét củ a ảnh .
Với mụ c đích nghiên cứu quá trình cháy, người ta thường dùng nguồn sáng laser
vì nó có năng lư ợng cao và độ dài xung rất ngắn.
Tu ỳ theo yêu cầu quan sát chụp ảnh các hiện tượng trong buồng cháy mà ngư ời ta
có cách bố trí h ệ thống thiết bị chụp ảnh khác nhau.
Phương pháp bố trí thiết bị như trên h ình 1.2 dùng đ ể q uan sát chụp ảnh quá trình
phun nhiên liệu và quá trình cháy phát triển theo phương hướng kính của xi lanh từ tâm
vòi phun. Cách bố trí như trên có th ể quan sát được cả h iện tượng chuyển động xoáy của
môi ch ất trong quá trình phun nhiên liệu và cháy. Để thực hiện được yêu cầu chụp ảnh
này, piston phải có kết cấu kéo dài đ ặc biệt và đỉnh piston ph ải b ằng vật liệu trong suố t
và đ ặt các gương phản chiếu cố định phía dưới như trên hình 1.2. Nhược điểm của
phương pháp bố trí như trên là vật liệu trong suốt trên đ ỉnh piston rất nhanh bị đụ c do
muội than bám dính vào. Hơn nữa, dùng hai gương như trên dễ làm cho hình ảnh b ị rung
và do đó độ nét củ a ảnh bị ảnh hưởng.
Hình 1.2. Quan sát quá trình phun nhiên liệu và cháy từ phía trên nắp xi lanh
Để quan sát chụp ảnh các ph ần cơ bản nào đó của buồng cháy thì có thể bố trí sơ
đồ thiết b ị như trên h ình 1.2 với cửa sổ quan sát b ằng vật liệu trong suốt đặt trên nắp
máy. Kết cấu bố trí như trên đơn giản hơn phương pháp chụp ảnh từ dưới lên như trên
hình 1.1 và độ cứng vững củ a h ệ thống gương cũng cao hơn nên đ ộ nét của hình ảnh tố t
hơn. Tuy nhiên cách bố trí này chỉ bố trí được cửa sổ nhỏ n ên không quan sát đư ợc toàn
bộ buồng cháy.
15
- Sơ đồ bố trí trên hình 1.3 không cần gương ph ản chiếu nên độ cứng vững của hệ
thống cao hơn và do đó chất lượng ảnh cũng rõ hơn hai trường hợp trên. Sơ đồ n ày còn
cho phép quan sát được cả diễn biến quá trình cháy theo phương dọ c xi lanh. Tuy nhiên
sơ đồ n ày không cho phép quan sát được đặc điểm quá trình phun và cháy trên toàn bộ
tiết diện ngang buồng cháy. Chính vì vậy phương pháp này thường áp dụng cho việc
quan sát chụp ảnh quá trình phun nhiên liệu và cháy đố i với động cơ có buồng cháy
thống nhất dùng vòi phun có các lỗ phun đố i xứng và phun chính tâm xi lanh .
Hình 1.3. Quan sát chụ p ảnh quá trình cháy theo phương ngang quá buồng cháy
Các phương pháp bố trí và lắp đặt thiết bị quan sát và chụp ảnh b uồng cháy như
mô tả ở trên có ưu điểm là cửa sổ quan sát rộ ng nhưng yêu cầu phải thay đổi nhiều về kết
cấu xi lanh, piston hoặc nắp xi lanh. Do vậy, để khắc phụ c các khó khăn này, ngày nay
người ta dùng thiết b ị nộ i soi thay thế cho các ống kính lớn trước kia. Thiết bị này chỉ cần
khoan mộ t cử a sổ rất nhỏ vào buồng cháy đ ể đưa được một đèn nội soi vào . Đèn nội soi
là bộ phận chính của thiết bị, đường kính ch ỉ đến 5 (mm), tức là bằng đường kính của các
cảm biến đo áp suất khí thể trong xi lanh. Đèn n ội soi thường được làm lám bằng nước
đối lưu cưỡng bức để có thể làm việc lâu dài trong môi trường nhiệt độ cao trong buồng
cháy. Hình ảnh thu được từ đ ầu nội soi được truyền đến một máy ảnh tốc độ cao để ghi
lại. Hình 1.4 giới thiệu sơ đồ khối của h ệ thống thiết bị đo và sơ đồ lắp đặt đầu nộ i soi
trong động cơ. Đầu quan sát có góc nhìn 80o và phương nh ìn tu ỳ theo kết cấu (ở đây là
30o so với trục của nó).
16
- Hình 1.4. S ơ đồ hệ thống chụp ảnh buồng cháy dùng thiết b ị nội soi
Tín hiệu hình ảnh thu được bởi máy ảnh CID sẽ được số hoá và được lưu giữ trên
máy vi tính PC và từ đó có th ể xử lý tiếp.
1.2.2. Phương pháp nghiên cứu quá trình cháy bằng kỹ thuật sợi
1.2.2.1. Khái niệm về công nghệ sợi quang
Nguyên lý truyền sáng tin b ằng sợi quang đ ã đ ược sử dụng khá phổ biến trong
ngành sáng tin. Trong nghiên cứu động cơ đ ốt trong hiện nay người ta cũng đ ã sử dụng
kỹ thuật này trong kỹ thuật đo và truyền dữ liệu ra ngoài, ví dụ như áp dụng trong đo áp
với cảm biến áp suất quang học như đã giới thiệu trong chương trước. Trong ph ần này
giới thiệu phương pháp nghiên cứu hình ảnh quá trình cháy bằng kỹ thuật sợi quang.
Hình 1.5 giới thiệu sơ đồ và nguyên lý truyền dẫn ánh sáng của một cáp quang.
Cáp quang gồm có lõi bằng sợi quang và lớp vỏ bọc. Trên bề mặt phân cách giữ a lớp vỏ
bọc và mặt lõi có tráng một lớp bảo vệ phản xạ ánh sáng. Ánh sáng đi vào cáp quang từ
phía đ ầu dưới một góc côn và bị phản xạ bên trong cáp như được chỉ ra trên hình vẽ và
do vậy ánh sáng đư ợc truyền d ẫn bởi cáp quang với hiệu quả rất cao và có thể đi xa.
17
- Hình 1.5. Sơ đồ một cáp quang
Độ lớn góc côn nh ận ánh sáng của cáp quang phụ thuộ c vào kết cấu và vật liệu của
nó, ví dụ đối với cáp quang silica thì góc côn nhận ánh sáng bằng khoảng 25o.
1.2.2.2. Lắp đặt đầu đo cáp quang
Để quan sát được các hiện tượng xảy ra trong buồng cháy, các đầu quang học
được lắp trên thành buồng cháy như chỉ ra trên sơ đồ trên h ình 1.6 . Để b ảo vệ cho các cáp
quang khỏi b ị ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ cao trong xi lanh, người ta lắp mộ t thanh
saphire vào đ ầu quang học và tiếp xúc trực tiếp với khí cháy thay cho đ ầu cáp quang.
Thanh saphire này không tiếp xúc trực tiếp với đ ầu cáp quang mà cách một khoảng nhỏ
để tránh ảnh hư ởng củ a áp suất và nhiệt độ khí th ể đ ến đầu cáp quang như đã nói. Với
cách bố trí lắp đ ặt như trên, góc nhìn của đầu đo b ị không ch ế ở khoảng 2 đ ến 12o.
Hình 1.6. Sơ đồ lắp đặ t đầu quang học dùng cáp quang
Dùng đ ầu đo cáp quang đ ể nghiên cứu quá trình cháy có ưu điểm là không cần
phải thay đổ i kết cấu động cơ nhiều như các phương pháp chụp ảnh qua các cửa sổ quang
học vì các đ ầu đo cáp quang có đường kính rất nhỏ, chỉ kho ảng vài milimét nên chỉ cần
khoan và lắp đặt lên thành buồng cháy tương tự như lắp đặt các cảm biến áp suất khí thể
đã giới thiều ở chương trước. Hơn nữa vì các đầu đo nhỏ và dễ dàng lắp đặt nên có thể
đặt nhiều đầu đo ở các vị trí khác nhau trên thành buồng cháy đ ể nghiên cứu sự hình
thành các tâm cháy và lan tràn màng lửa trong buồng cháy. Thậm chí các đầu đo quang
18
- học có th ể được lắp đ ặt trên bugi hay trên xu páp của động cơ.
Hình 1.7. S ơ đồ một bugi lắp 8 đầu quang học dùng cáp quang
Hình 1.7 giới thiệu sơ đồ các bugi có lắp các đầu quang học dùng cáp quang. Mỗ i
bu gi lắp 8 đầu quang học để quan sát nghiên cứu sự h ình thành các tâm cháy và sự phát
triển của màng lửa.
Sơ đồ hình 1.7 (a) là một bugi tiêu chuẩn, xung quang cực giữ a người ta khoan 8
lỗ đ ể lắp 8 đầu quang học. Việc khoan 8 lỗ này đòi hỏi công nghệ khoan phải chính xác
vì n ếu có một sai sót nhỏ có th ể gây hiện tượng lọ t điện từ cực giữa sang mát làm hỏng
bugi. Để kh ắc phụ c khó khăn này và cải thiện chất lượng lắp đ ặt các đầu quang h ọc,
người ta có thể chế tạo mộ t bugi đ ặc biệt để lắp các đầu quang học xung quanh mộ t cách
dễ dàng như sơ đồ h ình 1.7 (b). Bugi này có ph ần thân ph ải khoan lỗ đặt đầu quang học
ngắn hơn bugi tiêu chu ẩn, cực giữa được làm rời và được lắp vào thân bugi bằng ren. Các
cáp quang trong đầu quang học được bảo vệ khỏi ảnh hư ởng củ a áp suất và nhiệt độ cao
củ a khí th ể b ằng các đầu saphire. Đầu kia củ a các cáp quang được nối với một ốn g nhân
quang. Một khi tín hiệu ra của ống nhân quang vượt quá một giá trị nhất định thì thời
19
- gian ngọn lửa đến đầu đo được ghi lại một cách tự động. Các thông tin này được biến đổ i
và xử lý trên máy vi tính đ ể đ ánh giá sự hình thành các trung tâm cháy và sự lan tràn
màng lửa.
1.2.3. Phương pháp phân tích quá trình cháy bằng phép chụp ảnh theo lớp (TCA)
Hệ thống cáp quang nhiều đầu đo như giới thiệu ở trên cung cấp cho ta thông tin
về cường độ bức xạ của ngọn lửa nhờ một số lượng lớn các đ ầu quang họ c, mỗi đầu quan
sát một góc nhỏ của không gian buồng cháy. Tuy nhiên trong trường hợp này cần phải
lắp đặt các đ ầu quang học xung quanh buồng cháy, kể cả trên n ắp xi lanh, trên thành xi
lanh và trên piston. Nếu dùng bugi đặt nhiều đầu quang học thì tránh được việc thay đổ i
về động cơ nhưng thông tin nh ận được b ị hạn chế chỉ ở vài điểm mà các đầu quang học
nhìn tới được. Để khắc phục các như ợc điểm của các phương pháp nói trên, người ta có
thể dùng h ệ thống phân tích quá trình cháy bằng phép chụp theo lớp. Phương pháp này
quan sát sự lan tràn màng lửa nhờ các đầu quang học dùng cáp quang đặt trong đ ệm làm
kín củ a n ắp xi lanh.
Hình 1.8. Sơ đồ hệ thống phân tích quá trình cháy kiểu chụp ảnh phân lớp
Nguyên lý chụ p ảnh củ a hệ thống phân tích quá trình cháy bằng phương pháp
chụp ảnh theo lớp khác với các kỹ thu ật chụp ảnh khác đ ã nói ở trên . Các đầu quang học
trong hệ thống quan sát được đặt ho ặc hướng tâm dọ c theo thành xi lanh, ho ặc song song
với nhau. Chúng đo thời gian đến của màng lử a theo góc nhìn của mỗ i mộ t đầu quang
học, từ đó có thể tính được đường bao củ a màng lửa. Hệ thống TCA vẫn dựa trên việc
phát hiện bức xạ ngọn lửa dọc theo góc nhìn của mỗ i mộ t đầu quang học, nhưng các đầu
quang học đư ợc b ố trí theo cách mà phương nhìn củ a các đầu quang họ c khác nhau cắt
nhau. Hình ảnh ngọn lửa đư ợc tính toán từ tín hiệu đo của tất cả các đầu quang học nh ờ
kỹ thuật dựng lại theo phương pháp chụp ảnh phân lớp. Số lượng các điểm cắt nhau của
phương nh ìn của các đầu quang học quyết định độ phân giải củ a h ệ thống.
Sơ đồ bố trí h ệ thống TCA đư ợc giới thiệu trên h ình 1.8. Nó bao gồm một đ ệm
nắp máy có gắn các đầu đo dùng cáp quang. Một h ệ thống TCA tiêu chuẩn bao gồm 100
đầu quang họ c được chia thành các nhóm, mỗ i nhóm có đến 5 đ ầu quang học và dùng
20
nguon tai.lieu . vn