Đánh giá ảnh hưởng của quá trình cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải động cơ xăng nạp đồng nhất Đánh giá ảnh hưởng của quá trình cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải động cơ xăng nạp đồng nhất Đánh giá ảnh hưởng của quá trình cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải động cơ xăng nạp đồng nhất luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp
GIỚ I THI Ệ U CHUNG
V ấn đề ô nhi ễm môi trườ ng
Hiện nay, hàng trăm triệu người đang phải hít thở không khí ô nhiễm, đặc biệt tại các thành phố lớn, nơi mà tiêu chuẩn khí thải đã vượt quá giới hạn cho phép của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) Ô nhiễm không khí được hiểu là sự hiện diện của các chất độc hại như oxit nitơ (NOx), monoxit carbon (CO), hydrocarbon (HC) và các hạt siêu nhỏ Tình trạng ô nhiễm không khí không chỉ gây khó chịu mà còn làm giảm thị lực do bụi Đây là một vấn đề toàn cầu, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và sinh vật Nguyên nhân chính đến từ khí thải của động cơ sử dụng nhiên liệu hóa thạch, gây ra hiện tượng "sương mù" và nhiều bệnh tật Ô nhiễm không khí còn dẫn đến mưa axít, hủy hoại rừng và đất canh tác Đặc biệt, con người đã thải ra các khí độc như CO2, NOx, CO và HC, trong đó CO2 là nguyên nhân chính gây hiệu ứng nhà kính, đóng góp tới 50% vào vấn đề này.
Nếu hiện tượng hiệu ứng nhà kính không được ngăn chặn, mực nước biển có thể dâng lên từ 1,5 đến 3,5 mét trong 30 năm tới Đồng thời, lượng CO2 có khả năng tăng gấp đôi trong nửa đầu thế kỷ này.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Quá trình nóng lên toàn cầu đang diễn ra nhanh chóng, với nhiệt độ trung bình của Trái Đất dự kiến sẽ tăng khoảng 3,6°C, tương đương với 0,3°C mỗi thập kỷ Trong hơn 130 năm qua, nhiệt độ Trái Đất đã tăng 4°C Tại hội nghị khí hậu gần đây ở Châu Âu, các nhà khí hậu học dự báo rằng đến năm 2050, nhiệt độ có thể tăng thêm từ 1,5°C đến 4,5°C nếu không có biện pháp hiệu quả để giảm thiểu hiệu ứng nhà kính Một hệ quả nghiêm trọng khác của ô nhiễm khí quyển là hiện tượng "lỗ thủng tầng ôzôn", do khí CFC gây ra, làm mỏng và thủng tầng ôzôn.
Theo Tổ chức Y tế Thế giới, ô nhiễm không khí đô thị gây ra khoảng 800.000 ca tử vong và 4,6 triệu trường hợp giảm tuổi thọ toàn cầu hàng năm Đặc biệt, 2/3 số người tử vong và giảm tuổi thọ do ô nhiễm không khí chủ yếu đến từ các nước đang phát triển ở châu Á.
Hình 1.1: Nguồn không khí bị ô nhiễm nặng do hoạt động của con người thải ra môi trường tự nhiên tại Thành phố Bắc Kinh - Trung Quốc - Ảnh minh họa
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Ngoài ô nhiễm không khí, ô nhiễm nước là một vấn đề nghiêm trọng khi nước bề mặt bị ô nhiễm bởi rác thải sinh hoạt và công nghiệp, dẫn đến ô nhiễm nguồn nước ngầm Ô nhiễm đất xảy ra do sự xâm nhập của hóa chất độc hại từ các hoạt động khai thác khoáng sản, sản xuất công nghiệp và sử dụng phân hóa học quá mức, với các chất ô nhiễm phổ biến như hydrocacbon và kim loại nặng Ô nhiễm phóng xạ từ các hoạt động hạt nhân và y học có thể gây ra tác động nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường Ngoài ra, ô nhiễm tiếng ồn từ phương tiện giao thông và hoạt động công nghiệp cũng ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống Ô nhiễm không khí có thể gây ra nhiều bệnh lý nghiêm trọng như bệnh hô hấp, bệnh tim mạch và các triệu chứng khó thở.
Mỗi ngày, khoảng 14.000 người chết do sử dụng nước bẩn chưa qua xử lý ở các nước đang phát triển, trong đó ước tính có khoảng 580 người Ấn Độ tử vong vì ô nhiễm nước, khi gần 500 triệu người tại Ấn Độ không có nhà vệ sinh hợp vệ sinh Tại Trung Quốc, gần 500 triệu người cũng thiếu nguồn nước uống an toàn, với 1,2 triệu ca tử vong sớm mỗi năm do ô nhiễm không khí Năm 2007, ô nhiễm không khí tại Ấn Độ được cho là nguyên nhân gây ra 527.700 ca tử vong, trong khi tại Hoa Kỳ, số người chết hàng năm có thể vượt quá 50.000, chủ yếu do các chất hóa học và kim loại nặng gây ra.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
6 trong nước uống có thể gây ung thư không thể chữa trị Đối với sinh thái
- Lưu huỳnh điôxít và các ôxít của nitơ có thể gây mưa axít làm giảm độ pH của đất
- Đất bị ô nhiễm có thể trở nên cằn cỗi, không thích hợp cho cây trồng Điều này sẽảnh hưởng đến các cơ thể sống khác trong lưới thức ăn.
- Khói lẫn sương làm giảm ánh sáng mặt trời mà thực vật nhận được để thực hiện quá trình quang hợp
Các loài động vật xâm lấn có khả năng cạnh tranh với các loài bản địa, chiếm lĩnh môi trường sống và gây hại cho hệ sinh thái, dẫn đến sự suy giảm đa dạng sinh học.
Trái đất đang đối mặt với tình trạng nóng lên nghiêm trọng do hiệu ứng nhà kính, chủ yếu do khí thải CO2 từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch và khí thải từ ô tô Giảm lượng khí CO2 từ phương tiện vận tải trở nên cấp thiết, và biện pháp hiệu quả nhất là giảm mức tiêu thụ nhiên liệu.
Trái đất đang phải đối mặt với vấn đề nóng lên toàn cầu do hiệu ứng nhà kính, chủ yếu do khí thải CO2 từ việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch và ô tô Những khí thải này không chỉ gây ô nhiễm không khí mà còn dẫn đến các phản ứng hóa học độc hại trong môi trường, làm ô nhiễm đất và nguồn nước Các chất như CO, NOx, SO2 phân hủy nhanh, nhưng CO2 và CH4 lại tích tụ lâu dài, ảnh hưởng nghiêm trọng đến khí hậu CO2, thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu chứa carbon, đóng vai trò quan trọng trong việc gia tăng hiệu ứng nhà kính.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Theo các chuyên gia môi trường, giao thông vận tải đã đóng góp quan trọng vào sự phát triển kinh tế – xã hội của đất nước Tuy nhiên, sự gia tăng hoạt động này cũng gây ra nhiều vấn đề ô nhiễm không khí.
Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường, các phương tiện giao thông vận tải thải ra một lượng lớn chất ô nhiễm như bụi, CO, NOx, SOx, hơi xăng dầu, bụi chì và benzen, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng không khí.
Lượng khí thải và bụi ô nhiễm đang gia tăng hàng năm do sự phát triển của phương tiện giao thông đường bộ Tại các thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng và Đà Nẵng, nồng độ bụi trong không khí tại các nút giao thông cao hơn tiêu chuẩn cho phép từ 3 đến 5 lần, trong khi nồng độ khí CO và NO2 trung bình hàng ngày ở một số nút giao thông lớn đã vượt mức cho phép từ 1,2 đến 1,5 lần.
Theo Cục Đăng kiểm Việt Nam, trước năm 2010, cả nước có khoảng 20 triệu ô tô và xe máy, con số này tăng lên khoảng 24 triệu vào năm 2010 và dự kiến đạt 31 triệu vào năm 2015 Chỉ cần một nửa số phương tiện hoạt động mỗi ngày đã thải ra một lượng lớn khí độc hại, góp phần gây hiệu ứng nhà kính và các bệnh lý như viêm nhiễm đường hô hấp, hen suyễn, và viêm phế quản mạn tính Ngoài ra, ô nhiễm tiếng ồn từ giao thông cũng là một vấn đề nghiêm trọng, với 60% – 80% nguyên nhân tiếng ồn đến từ động cơ, ống xả, và các hoạt động như đóng cửa xe, còi xe, và tương tác giữa lốp xe và mặt đường Tiếng ồn này gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người, đặc biệt là hệ thống thính giác.
Tiếng ồn mạnh, thường xuyên gây nên bệnh đau đầu, chóng mặt, trạng thái tâm thần bất ổn, mệt mỏi…
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Báo cáo chỉ ra rằng sự phát thải từ phương tiện giao thông đường bộ phụ thuộc nhiều vào chất lượng xe Các phương tiện như ô tô và xe máy, khi đã qua nhiều năm sử dụng với chất lượng kém, có hiệu suất nhiên liệu thấp và nồng độ chất độc hại trong khí xả cao, là nguyên nhân chính gây ô nhiễm nghiêm trọng Đặc biệt, xe máy là nguồn chính phát thải các khí ô nhiễm như CO và VOC, trong khi xe tải và xe khách lại thải nhiều NO2.
Mức độ ô nhiễm không khí tại các khu dân cư thường thấp hơn từ 2 đến 3 lần so với các trục đường giao thông Tuy nhiên, ở những khu vực dân cư trong các đô thị lớn như Hà Nội, Vĩnh Phúc và Bình Dương, ô nhiễm không khí vẫn vượt quá ngưỡng cho phép theo quy chuẩn Việt Nam Trái lại, chất lượng không khí tại các khu dân cư đô thị quy mô nhỏ và vừa lại cho kết quả khá tốt.
Việc giảm khí CO2 của phương tiện vận tải đang ngày càng trở nên quan trọng Biện pháp hiệu quả nhất là giảm tiêu thụ nhiên liệu
Các nghiên c ứ u trên th ế gi ới để làm tăng hiệ u su ất động cơ
Để giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính, nhiều phương pháp đã được đề xuất, trong đó tăng hiệu suất động cơ đang là trọng tâm nghiên cứu của các nhà khoa học Hiệu suất động cơ xăng có thể được cải thiện bằng cách giảm tổn thất ma sát và tối ưu hóa quá trình cháy Các loại tổn thất ma sát bao gồm tổn thất từ hệ thống điện, công hút, quạt làm mát, trục cam, xupap, xéc măng và trục khuỷu.
Nhi ệt độ 80 0 C Điện áp Bơm cao áp Quạt làm mát
H ệ th ố ng cân b ằ ng Tổn thất công hút
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Hình 1.4: Quan hệ giữa tốc độđộng cơ và tỷ lệ ma sát
Tổn thất công hút và tổn thất do xéc măng với thành xy lanh là hai vấn đề chính mà các nhà chế tạo động cơ đang nghiên cứu Việc giảm tổn thất do xéc măng là thách thức lớn, vì nếu giảm được 40% tổn thất ma sát, hiệu suất chỉ tăng 4% SATO và cộng sự đã cải thiện hiệu suất nhiên liệu lên 0,9% bằng cách giảm độ cứng của xéc măng Giảm công hút giúp giảm tổn thất qua bướm ga ở chế độ tải thấp và nửa tải cho động cơ xăng, với các giải pháp như động cơ nạp đồng nhất cháy do nén (HCCI) và động cơ cháy nghèo Mặc dù HCCI là công nghệ mới, nhưng còn nhiều rào cản như loại nhiên liệu và điều khiển thời điểm cháy Đối với động cơ cháy nghèo, việc tăng tỷ lệ không khí-nhiên liệu từ 14,7 lên 21,9 có thể nâng hiệu suất nhiệt lên 6%, và ở mức tối đa, hiệu suất có thể đạt tới 18%.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Hình 1.5: Tỷ lệ nén và hiệu suất nhiệt
Động cơ phun xăng trực tiếp (GDI) có khả năng cháy nghèo cao, giúp tăng hiệu suất và giảm khí CO2 Tuy nhiên, việc áp dụng hệ thống nhiên liệu GDI cho xe máy gặp khó khăn do kích thước nhỏ và chi phí cao của hệ thống này.
Nghiên cứu này nhằm đánh giá khả năng cháy nghèo của động cơ xăng tới các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ xe máy
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
TỔ NG QUAN V Ề ĐỘNG CƠ CHÁY NGHÈO
Quá trình cháy c ủa động cơ châm cháy cưỡ ng b ứ c
Trong động cơ châm cháy cưỡng bức, quá trình cháy bắt đầu từ nguồn lửa tại bugi trong môi trường hòa khí đã được trộn đều Màng lửa sau đó lan tỏa đến mọi hướng trong buồng cháy Quá trình cháy chuyển hóa năng lượng hóa học của nhiên liệu thành nhiệt năng, làm tăng áp suất và nhiệt độ của môi chất Khi nhiên liệu được cháy kiệt và kịp thời, năng lượng nhiệt sinh ra sẽ được chuyển hóa hiệu quả, góp phần nâng cao năng suất và hiệu suất của động cơ.
Diễn biến bình thường của quá trình cháy trong động cơ châm cháy cưỡng bức
Quá trình cháy trong động cơ châm cháy cưỡng bức bắt đầu từ cực bugi, tạo ra màng lửa và lan tỏa với tốc độ ngày càng tăng đến khi tiêu thụ toàn bộ hòa khí.
Nghiên cứu quá trình cháy trong buồng cháy động cơ thường sử dụng phương pháp vẽ đồ thị công P – φ, thể hiện sự biến thiên của áp suất P trong xilanh theo góc quay φ của trục khuỷu Để thực hiện điều này, một bộ cảm biến áp suất được lắp đặt trên nắp xilanh, trong khi góc quay trục khuỷu được ghi lại bởi dao động ký, giúp theo dõi sự biến đổi của áp suất trong xilanh P theo góc quay trục khuỷu φ.
Dựa vào biến thiên của P = f(φ) có thể biết tình hình tiến triển của quá trình
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Phương pháp 19 cháy, mặc dù không làm rõ cơ lý của quá trình cháy và tình hình lan truyền của màng lửa, nhưng vẫn cung cấp thông tin về hiệu quả thực tế của quá trình này Về mặt kỹ thuật, đây là một phương pháp đơn giản và hiệu quả.
Ngoài việc xác định đồ thị công P = f(φ), một phương pháp hiệu quả khác là chụp ảnh nhanh quá trình cháy Phương pháp này sử dụng một chuỗi bức ảnh liên tiếp để theo dõi sự tiến triển của quá trình cháy trong xilanh.
Hình 2.1: Qúa trình cháy trong động cơ xăng châm cháy cưỡng bức
I- cháy trễ; II- cháy nhanh; III- cháy rớt;
1- đánh lửa; 2- hình thành màng lửa trung tâm; 3- áp suất lớn nhất pz Điểm 1 – bắt đầu đánh lửa, cách điểm chất trên một góc θ được gọi là góc đánh lửa sớm; Điểm 2 – là thời điểm đường áp suất tách khỏi đường nén; Điểm 3 – là thời điểm đạt áp suất cực đại Điểm áp suất cực đại và điểm nhiệt độ cực đại không trùng nhau Điểm nhiệt độ cực đại thường xuất hiện muộn hơn so với áp suất cực đại Dựa vào
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Trong quá trình cháy của động cơ châm cháy cưỡng bức, người ta chia thành ba thời kỳ dựa trên biến thiên áp suất trên đồ thị p – φ Thời kỳ cháy trễ I, kéo dài từ điểm 1 đến điểm 2, bắt đầu từ lúc đánh lửa cho đến khi áp suất p tăng đột ngột Trong giai đoạn này, áp suất trong xy lanh thay đổi tương tự như khi không có đánh lửa Thời kỳ này được xác định từ khi bắt đầu đánh lửa cho đến khi xuất hiện màng lửa trung tâm Mặc dù thời điểm xuất hiện màng lửa trung tâm không nhất thiết phải xảy ra ngay trước khi áp suất tăng đột ngột, nhưng thường thì người ta không phân biệt rõ ràng giữa hai thời điểm này.
Thời kỳ cháy trễ trong động cơ xăng bắt đầu khi buji phát tia lửa điện, nhưng hòa khí trong xy lanh không cháy ngay lập tức mà trải qua các phản ứng sơ bộ với nhiệt lượng nhả ra rất nhỏ, dẫn đến không có sự khác biệt rõ rệt về nhiệt độ và áp suất so với trường hợp không đánh lửa Tiếp theo là thời kỳ cháy nhanh II, diễn ra từ điểm 2 đến điểm 3, tương ứng với sự lan truyền của màng lửa từ lúc xuất hiện cho đến khi lan rộng khắp buồng cháy Màng lửa trong động cơ châm cháy cưỡng bức thường có hình dạng cầu nhấp nhô, và trong giai đoạn này, tốc độ lan truyền tăng dần, khiến phản ứng oxy hóa trong xy lanh trở nên mạnh mẽ hơn, đồng thời áp suất và nhiệt độ môi chất tăng nhanh Thời kỳ cháy nhanh là giai đoạn chính trong quá trình cháy hòa khí, nơi phần lớn nhiệt lượng được sinh ra, ảnh hưởng quyết định đến việc tăng áp suất và khả năng đẩy piston sinh công, từ đó tác động mạnh mẽ đến tính năng của động cơ.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Để nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình, thời gian cháy cần được rút ngắn tối đa Việc tăng tốc độ cháy và đẩy áp suất cùng nhiệt độ cực đại đến gần điểm chết trên sẽ giúp tận dụng tối đa nhiệt lượng sinh ra, từ đó gia tăng công suất và hiệu suất động cơ.
Khi phân tích quá trình cháy, cần phân biệt rõ hai khái niệm quan trọng: tốc độ lan truyền màng lửa (Sr) và tốc độ cháy (U) Tốc độ lan truyền màng lửa (Sr) được đo bằng mét trên giây (m/s) và thể hiện tốc độ chuyển dịch của màng lửa theo hướng pháp tuyến Trong khi đó, tốc độ cháy (U) được đo bằng kilogam trên mét vuông trên giây (kg/m².s) và phản ánh khối lượng hòa khí mà một đơn vị diện tích màng lửa đốt cháy trong một đơn vị thời gian Mối quan hệ giữa Sr và U có thể được mô tả thông qua khối lượng riêng của hòa khí.
Số nhiệt lượng Q nhả ra trong một đơn vị thời gian:
Q = U.FT.Hm = Sr.FT.Hm (kj/s); (2.2) Trong đó: FT – diện tích màng lửa (m 2 );
Hm – nhiệt trị của hòa khí (kj/kg)
Quy luật nhả nhiệt trong thời kỳ cháy nhanh cho thấy rằng lượng nhiệt Q phụ thuộc vào tốc độ lan truyền của màng lửa Sr, diện tích màng lửa FT và mật độ môi chất Khi màng lửa lan rộng, diện tích lớn hơn sẽ làm gia tăng áp lực lên số hòa khí chưa cháy, dẫn đến việc số hòa khí này bị chèn ép bởi phần đã cháy Cuối cùng, số hòa khí cháy có thể bị chèn ép tới 7 đến 8 lần.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Trong trường hợp cháy bình thường, tốc độ lan truyền của màng lửa dao động từ 10 đến 30 m/s, với diện tích màng lửa thay đổi theo quy luật phân bố dung tích của buồng cháy và các yếu tố như đặc điểm lưu động của môi chất cũng như vị trí đặt bugi Có hai loại chuyển động khí: chuyển động dòng khí rất yếu và chuyển động xoáy mạnh của dòng khí.
Hình 2.3 giới thiệu sơ đồ phân bố này và tốc độ lan màng lửa Sơ đồ a với
Tốc độ lan truyền trong động cơ có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và công suất, với Sr ≤ 16 m/s và Sr tối đa 45 m/s Khi tốc độ cháy tăng, áp suất và nhiệt độ trong xilanh cũng gia tăng, cải thiện hiệu suất động cơ Tuy nhiên, tốc độ cháy quá nhanh có thể dẫn đến va đập cơ khí, tăng tiếng ồn và mài mòn chi tiết, từ đó giảm tuổi thọ của động cơ Do đó, cần cân nhắc giữa tốc độ cháy và áp suất để đảm bảo hoạt động ổn định và bền bỉ của động cơ.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Thời kỳ cháy nhanh được xác định qua áp suất và giá trị tức thời, thường nằm trong giới hạn (1,75 ÷ 2,5) x 10^5 Pa/độ góc quay trục khuỷu Để động cơ hoạt động êm ái và hiệu suất cao, áp suất cực đại cần xuất hiện sau khoảng 10^0 ÷ 15^0 độ quay trục khuỷu Thời kỳ cháy rớt III bắt đầu từ điểm áp lực cực đại Mặc dù màng lửa đã lan rộng khắp buồng cháy vào cuối thời kỳ II, nhưng sự phân bố hòa khí không đồng đều dẫn đến một số khu vực vẫn còn nhiên liệu chưa cháy Trong quá trình cháy giãn nở, sự thay đổi trong điều kiện hòa trộn khiến nhiên liệu chưa cháy tiếp tục bốc cháy, tạo ra thời kỳ cháy rớt Trong thời kỳ này, nhiệt lượng nhả ra ít, trong khi dung tích động cơ tăng nhanh, dẫn đến áp suất trong xilanh giảm dần theo góc quay trục khuỷu.
Thời kỳ cháy rớt của động cơ xăng có thể ngắn hoặc dài tùy thuộc vào số hòa khí cháy rớt, và thường được mong muốn rút ngắn Tuy nhiên, trong một số trường hợp, thời kỳ này có thể kéo dài sang cả quá trình thải, thậm chí đến khi bắt đầu cháy hòa khí, dẫn đến hiện tượng hồi hỏa (nổ trên đường nạp) Nhìn chung, thời kỳ cháy rớt của động cơ xăng thường là ngắn.
Quá trình n ạ p
Quá trình nạp trong động cơ 4 kỳ ảnh hưởng đến nhiều yếu tố quan trọng của dòng khí vào xy lanh Tiết diện qua xupáp nạp là một hàm của thời gian, nhưng luôn là khu vực có diện tích nhỏ nhất, dẫn đến vận tốc dòng khí tại đây cao nhất trong quá trình nạp Dòng khí đi qua xupáp mở vào xy lanh có hình dạng côn, với vận tốc hướng trục và hướng kính gấp khoảng 10 lần vận tốc trung bình của piston.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Sự va chạm của dòng khí với thành vách xy lanh tạo ra các chuyển động quay tròn mạnh mẽ bên trong xy lanh Để hình dung rõ hơn, có thể đơn giản hóa hình dạng hình học của động cơ, sao cho dòng chảy trong xy lanh trở nên đối xứng trục Hình 2.4 minh họa dạng xoáy của khí nạp bên trong xy lanh trong giai đoạn nén, được mô phỏng bằng phần mềm CFD.
Hình 2.4: Sự xoáy rối bên trong buồng cháy
Hình 2.4 minh họa dạng xoáy trong xy lanh khi sử dụng môi chất nước, với xupáp được đặt tại tâm nắp xy lanh, cho phép dòng khí di chuyển dọc theo trục đường tâm Các thông số thử nghiệm được tỉ lệ hóa, đảm bảo các thông số không thứ nguyên ảnh hưởng đến dòng chảy, số Reynolds và Strouhal giữ ở giá trị thông thường của động cơ Hình ảnh này phản ánh những đặc điểm quan trọng của quá trình dòng chảy trong xy lanh.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Trong một mặt phẳng mỏng chiếu sáng theo trục xy của động cơ, 25 điểm chính của dòng khí nạp được thể hiện qua các vệt sọc, phản ánh sự chuyển động của các hạt trong dòng chảy khi cửa chớp máy ảnh mở Khi piston di chuyển xuống, không gian trong xy lanh được lấp đầy bởi các vòng xoáy lớn, với tâm di chuyển xuống và giữ ở giữa piston và nắp xy lanh Ở góc phía trên của xy lanh, các xoáy lốc nhỏ hơn xuất hiện, xoáy tròn theo các hướng ngược nhau, duy trì ổn định cho đến khi kết thúc hành trình nạp, lúc đó chúng trở nên không ổn định và tan rã Với vị trí của xupáp nạp và hình dạng họng nạp của các động cơ thực tế, dòng nạp trở nên phức tạp hơn, nhưng vẫn có thể quan sát thấy các khu vực có dòng chảy chuyển động quay với phạm vi lớn.
Hình 2.5: Thể hiện các hình ảnh của dòng chảy a) Ảnh (a) các vệt mô phỏng với dòng nước trong xy lanh tạo ra trong quá trình
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Trong động cơ mô hình, xupáp nạp lệch 90 độ so với đường tâm xy lanh tại điểm chết trên, cho thấy sự tương tác của dòng chảy Ảnh (b) minh họa các vết dòng chảy trong mặt phẳng đi qua tâm, cách mặt nắp xylanh 30cm, với họng nạp và hình dạng xupáp đã được ghi nhận Dòng nước chảy vào trong xy lanh ổn định với độ nâng xupáp đạt 4mm.
Vị trí xupáp lệch trục ảnh hưởng đến dòng khí nạp, với dòng khí vẫn song song với đường tâm xy lanh Trong nửa đầu hành trình nạp, hình dạng dòng chảy tương tự như hình 2.5, nhưng xuất hiện chuyển động quay ở một bên Các mặt phẳng qua trục chuyển động quay không còn vuông góc với trục xy lanh mà tạo thành một góc nhất định Dòng quay trở nên không ổn định và tan rã sớm hơn so với trường hợp dòng chảy đối xứng.
Dòng chảy trong mô hình nước trong xy lanh, với khoảng cách 30mm từ nắp xy lanh, cho thấy hướng chuyển động bên trái so với tâm xy lanh Hình dạng dòng chảy này xuất hiện do thành xy lanh gần xupáp ngăn cản dòng chảy, dẫn đến việc dòng chảy bị đẩy sang hai phía của mặt phẳng xupáp và trục xy lanh, tạo ra tuần hoàn ngược chiều Dòng xoáy phía trên tăng cường theo hướng dòng chảy của họng khi độ nâng xupáp tăng Đặc điểm dòng nạp này phụ thuộc vào cấu trúc họng nạp, hướng thân xupáp và độ nâng xupáp Một thiết kế hợp lý của họng nạp và nắp xy lanh có thể tạo ra dòng chuyển động quay hiệu quả trong phạm vi xy lanh.
Tóm lại, đặc tính dòng nạp tương tác với thành xy lanh và chuyển động của piston, tạo ra chuyển động quay trên phạm vi lớn trong xy lanh.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
27 điểm cụ thể của các dòng chảy này chịu ảnh hưởng lớn từ cấu trúc họng nạp, xupáp và hình dạng nắp xy lanh, dẫn đến sự không ổn định trong quá trình nạp hoặc nén.
Quá trình chuyển động của dòng khí nạp trong động cơ cháy cưỡng bức thường hoạt động ở thành phần hòa khí chuẩn, hiếm khi ở chế độ cháy nghèo Tuy nhiên, khi động cơ hoạt động ở tải cao, việc hình thành hòa khí giàu là cần thiết để đạt được hiệu suất tối đa.
Có nhiều phương pháp để hòa trộn không khí với nhiên liệu, thường là qua đường ống nạp Đối với động cơ phun xăng trực tiếp (GDI), nhiên liệu được phun vào xy lanh trong quá trình nạp hoặc nén Trong chế độ cháy phân lớp, nhiên liệu được phun vào cuối quá trình nén để đạt giới hạn cháy nghèo cao nhất Ở tải cao, quá trình phun diễn ra suốt quá trình nạp nhằm đảm bảo hỗn hợp đồng nhất và tăng lượng không khí nạp vào do xăng bay hơi, làm tăng mật độ không khí trong xy lanh Hầu hết các động cơ nén nổ hiện đại hiện nay áp dụng biện pháp điều khiển chuyển động dòng khí để cải thiện khả năng hòa trộn, cháy và giảm dao động ở chế độ tải thấp.
Để điều khiển dòng khí, có thể áp dụng các biện pháp như đóng mở cửa van, điều chỉnh dòng khí trên đường ống nạp, sử dụng xupáp nắn dòng hoặc hệ thống điều khiển xupáp Nhiều động cơ hiện đại còn thay đổi chiều dài đường ống nạp nhằm tăng áp suất nạp trước cửa xupáp ở cuối kỳ nạp Chế độ nạp phân lớp được áp dụng khi động cơ hoạt động ở chế độ tải nhỏ và vừa, giúp công suất động cơ không bị ảnh hưởng bởi lượng khí nạp vào xylanh mà phụ thuộc vào lượng nhiên liệu phun Điều này đảm bảo hỗn hợp gần buji luôn nằm trong giới hạn cháy cho phép, trong khi các khu vực bên ngoài có hỗn hợp nhạt hoặc không có nhiên liệu.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Để đạt được hiệu quả tối ưu, thiết kế đỉnh piston và hướng chuyển động của dòng khí cần phải đảm bảo rằng nhiên liệu phun ra sẽ được tập trung hướng về buji.
Thời điểm phun nhiên liệu ảnh hưởng lớn đến việc hình thành hỗn hợp Nếu phun quá sớm, nhiên liệu sẽ khó tập trung tại khu vực bugi, dẫn đến khó đạt tiêu chuẩn hòa khí Chế độ nạp đồng nhất nghèo, tương tự như chế độ cháy phân lớp, cho phép nhiên liệu được phun gần cuối quá trình nạp, giúp hòa trộn đồng nhất với không khí Điều này giúp động cơ hoạt động ổn định hơn trong quá trình chuyển tiếp giữa hai chế độ.
N ạ p h ỗ n h ợp đồ ng nh ấ t
Chế độ phun xăng gián tiếp cho phép bướm ga điều chỉnh lượng không khí vào xylanh, với nhiên liệu được phun dựa trên lượng không khí nạp để tạo ra hỗn hợp đồng nhất Ưu điểm của chế độ này là khả năng sử dụng bộ xúc tác 3 thành phần Để đạt được hỗn hợp đồng nhất trong động cơ phun trên đường ống nạp, nhiên liệu cần được phun sớm, đảm bảo thời gian hòa trộn và bay hơi với không khí Trong động cơ phun xăng trực tiếp, thời điểm phun gần đầu quá trình nạp giúp nhiên liệu hòa trộn với không khí hiệu quả hơn.
Động cơ cháy nghèo
Chế độ cháy nghèo là phương pháp hiệu quả để giảm thiểu độc hại trong khí thải Tuy nhiên, tính ổn định của quá trình cháy trong chế độ này thường gặp phải những hạn chế Để cải thiện tính ổn định khi cháy ở chế độ hỗn hợp nghèo, cần áp dụng các biện pháp nhằm nâng cao đặc tính vận động của dòng khí trong xylanh động cơ.
Các định nghĩa liên quan đến động cơ cháy nghèo:
- Tỷ lệ không khí nhiên liệu Tỷ lệ này thường được sử dụng để đánh giá
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
29 nồng độ hỗn hợp bên trong động cơ Ký hiệu là AFR air fuel
Tỷ lệ không khí và nhiên liệu (AFR) là tỷ lệ giữa khối lượng không khí và khối lượng nhiên liệu trong hỗn hợp khi nạp vào xylanh động cơ Khi toàn bộ nhiên liệu phản ứng với ôxy trong buồng cháy, được gọi là thành phần hòa khí tiêu chuẩn Hỗn hợp nghèo có tỷ lệ AFR cao hơn tỷ lệ AFR tiêu chuẩn.
- Dao động chu trình và định nghĩa giới hạn cháy nghèo
Một trong những chỉ số quan trọng để đánh giá động cơ cháy nghèo là dao động chu trình Giá trị này được tính toán dựa trên biến thiên của áp suất chỉ thị trung bình trong 100 chu kỳ làm việc của động cơ, theo công thức 2.2.
Sai số chuẩn của áp suất chỉ thị trung bình (σIMEP) là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá mức độ ổn định của động cơ, với tiêu chí COV < 10% Nghiên cứu cho thấy, khi COV tăng, hàm lượng hydrocarbon (HC) trong khí thải cũng gia tăng, trong khi khi COV giảm, lượng NOx lại có xu hướng tăng lên.
Giới hạn cháy nghèo được định nghĩa là giá trị tỷ lệ không khí - nhiên liệu cao nhất mà tại đó giá trị COV đạt giới hạn.
Phương pháp mở r ộ ng gi ớ i h ạ n cháy nghèo
Có nhiều biện pháp để nâng cao khả năng cháy nghèo, nhưng các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào hai hướng chính: cháy nghèo của hỗn hợp đồng nhất và cháy nghèo của hỗn hợp phân lớp Để cải thiện hiệu quả của hai phương pháp này, có thể áp dụng một số biện pháp cụ thể.
- Vị trí đặt buji: vật liệu của điện cực, năng lượng đánh lửa, đánh lửa nhiều điểm, tối ưu thời điểm đánh lửa
- Tăng tỷ số nén, làm tăng tốc độ lan truyền ngọn lửa Tuy nhiên biện pháp
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
30 này bị giới hạn bởi khí xả NO x tăng
- Dùng buồng cháy phụ: là phun nhiên liệu vào và cho cháy trong buồng cháy phụ
- Tối ưu vận tốc của hỗn hợp nhằm đạt được tốc độ cháy cao
- Kết cấu buồng cháy để tạo được vận động rối (dọc hoặc ngang) cao
- Phủ chất xúc tác lên bề mặt buồng cháy hoặc dùng vật liệu xúc tác trong buồng cháy
- Chuyển đổi bộ chế hòa khí sang phun xăng.
Tối ưu hóa phương pháp đánh lửa bằng cách sử dụng năng lượng Plasma giúp tăng khả năng đánh lửa và đốt cháy nhiên liệu hiệu quả hơn, nhờ vào khe giới hạn đánh lửa lớn hơn.
- Dùng phụ gia nhiên liệu
Nạp phân lớp là một công nghệ quan trọng trong nghiên cứu cháy hỗn hợp nghèo, với nhiều ứng dụng thực tiễn như động cơ của hãng HONDA và động cơ sử dụng buồng cháy phụ TGP của TOYOTA Để tối ưu hóa khả năng cháy nghèo cho hỗn hợp đồng nhất, cần đảm bảo sự đồng nhất giữa không khí và nhiên liệu trong toàn bộ buồng cháy Do đó, trong động cơ phun xăng, thời điểm phun nên được thực hiện sớm để tạo điều kiện cho nhiên liệu bay hơi hoàn toàn Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc giảm đường kính hạt nhiên liệu có thể rút ngắn thời gian bay hơi, và biện pháp phổ biến là sử dụng vòi phun nhiên liệu có khí bổ sung.
S ự hình thành các ch ất độ c h ạ i trong khí th ải động cơ
Quá trình cháy trong động cơ đốt trong là sự oxy hóa nhiên liệu, tạo ra nhiệt năng trong buồng cháy, diễn ra qua các cơ chế phức tạp và bị ảnh hưởng bởi nhiều thông số Sự cháy này không chỉ cung cấp năng lượng cho động cơ mà còn phát sinh các sản phẩm phụ cần được quản lý hiệu quả.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Các hợp chất trung gian phức tạp trong quá trình cháy đã được nghiên cứu kỹ lưỡng trong các công trình lý thuyết động học phản ứng Sản phẩm cuối cùng của quá trình cháy, được gọi là sản phẩm cháy, bao gồm nhiều chất khác nhau.
CO2, H2O, H2, CO, O2 (dư), -CHO (andehyt), HC (hydrocacbon), NOx, các chất thải dạng hạt (Particulate Matter - P-M), các hợp chất chứa chì Pb (đối với động cơ dùng xăng pha chì), và các hợp chất chứa lưu huỳnh (chủ yếu đối với động cơ diesel) là những thành phần chính trong khí thải Trong số đó, một số thành phần có tính độc hại đối với môi trường và sức khỏe con người, được gọi là thành phần độc hại.
2.6.2 Các thành phần độc hại chính và ảnh hưởng của chúng
Monoxit cacbon (CO) là sản phẩm cháy của cacbon trong nhiên liệu khi thiếu oxy, tồn tại dưới dạng khí không màu và không mùi Khi kết hợp với sắt trong hemoglobin, CO tạo ra hợp chất ngăn cản quá trình hấp thụ oxy, làm giảm khả năng cung cấp oxy cho tế bào Với tính độc hại cao, chỉ cần một hàm lượng nhỏ CO trong không khí cũng có thể gây tử vong cho con người, với hàm lượng tối đa cho phép là 33 mg/m³.
Hydrocacbon (HC), được ký hiệu là CmHn, là các hợp chất có trong nhiên liệu và dầu bôi trơn không cháy hết, thường có mặt trong khí thải Các loại hydrocacbon rất đa dạng, với mức độ độc hại khác nhau, ví dụ, parafin và naphtalin thường được coi là an toàn, trong khi các hydrocacbon thơm như benzen có thể gây ung thư Để đơn giản hóa việc đánh giá môi trường, người ta thường tính toán tổng lượng hydrocacbon trong khí thải, gọi là Tổng Hydrocacbon (TH) Ngoài ra, hydrocacbon trong khí quyển còn gây ra sương mù, ảnh hưởng xấu đến mắt và niêm mạc đường hô hấp.
• NO x : oxit nitơ là sản phẩm oxy hoá nitơ có trong không khí (một thành
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Oxit nitơ là sản phẩm phát sinh từ quá trình khí nạp vào động cơ trong điều kiện nhiệt độ cao Với nhiều hoá trị khác nhau, nitơ tạo ra các dạng oxit nitơ đa dạng, được tổng hợp và gọi chung là oxit nitơ.
NOx Trong khí thải của động cơ đốt trong NOx tồn tại ở hai dạng chủ yếu là
Dioxit nitơ (NO2) là một khí màu nâu đỏ với mùi hắc, có thể gây hại cho phổi và niêm mạc ngay cả với nồng độ nhỏ Khi tiếp xúc với hơi nước, NO2 tạo thành axit, gây ăn mòn các chi tiết máy và đồ vật Nồng độ an toàn của NO2 là 9mg/m³.
Monoxit nitơ (NO) là thành phần chính của NOx trong khí thải, là một khí không mùi và có thể gây hại cho hoạt động của phổi cũng như tổn thương niêm mạc Trong khí quyển, NO không ổn định và dễ dàng bị oxy hóa thành NO2, sau đó kết hợp với hơi nước để tạo thành axit nitric (HNO3) Nồng độ NO trong không khí hiện tại là 9 mg/m³.
Andehyt là một hợp chất có nhiều dạng khác nhau nhưng đều có công thức tổng quát -CHO Chúng có tác dụng gây tê và thường có mùi hắc Một số loại andehyt có khả năng gây ung thư, trong đó formaldehyt có hàm lượng tối đa cho phép là 0,6 mg/m³.
• Chì: chì rất độc đối với tế bào sống, làm giảm khả năng hấp thụ oxy trong máu, gây ung thư, làm giảm chỉ số thông minh [Pb] = 0,1 mg/m 3
• SO 2 : là một khí không màu, có mùi gắt và gây tác hại đối với niêm mạc Khi kết hợp với nước tạo thành axit yếu H2SO3 [SO2] = 2ml/m 3
P-M, theo định nghĩa của Tổ chức Bảo vệ Môi trường bang California, là các thực thể khí thải (không bao gồm nước) sau khi được hòa trộn với không khí và đạt nhiệt độ nhỏ hơn 51,7°C, được tách ra bằng bộ lọc quy định P-M bao gồm các hạt rắn và chất lỏng bám theo, trong đó các hạt rắn bao gồm cacbon tự do, tro (bồ hóng), chất phụ gia dầu bôi trơn, cùng với các hạt và vảy do mài mòn.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Các thành phần trong nhiên liệu và dầu bôi trơn, đặc biệt là các hạt rắn, có thể gây độc hại cho con người, chủ yếu ảnh hưởng đến đường hô hấp Một số hydrocacbon thơm bám vào muội than còn có nguy cơ gây ung thư Đối với môi trường, P-M là tác nhân gây sương mù, ảnh hưởng tiêu cực đến giao thông và sinh hoạt của con người.
CO2 là sản phẩm cháy hoàn toàn của cacbon với oxy, không độc hại cho sức khỏe con người ở mức độ bình thường, nhưng nồng độ quá cao có thể gây ngạt thở, với giới hạn tối đa cho phép là 9000 mg/m3 Hơn nữa, CO2 còn là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính.
2.6.3 Tỷ lệ các chất độc hại trong khí thải
Do sự khác biệt về nhiên liệu, quá trình hình thành hỗn hợp và quá trình cháy, tỷ lệ các chất độc hại trong khí thải của động cơ xăng và diesel cũng có sự khác nhau.
Hình 2.6: Tỷ lệ các chất độc hại trong động cơ xăng
Hình 2.6 trình bày tỷ lệ trung bình tính theo khối lượng các chất độc hại trong khí thải động cơ xăng theo chương trình thửđặc trưng của châu Âu
Như vậy, các chất độc hại chính trong khí thải động cơ xăng là CO, HC và
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Nồng độ NOx và các thành phần độc hại khác phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí λ, thể hiện mức độ đậm nhạt của hỗn hợp khí Hình 2.7 minh họa rõ ràng mối quan hệ này, và trong bài viết này, chúng tôi sẽ phân tích chi tiết các mối quan hệ liên quan.
Hình 2.7: Quan hệ các chất độc hại và hệ sốdư lượng không khí a, CO
Monoxit cacbon được hình thành từ phản ứng sau:
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
2C + O2 = 2CO (2.5) Đây là phản ứng cháy thiếu oxy Rõ ràng là λ càng nhỏ thì nồng độ CO càng lớn và ngược lại
Khi λ < 1, quá trình cháy diễn ra trong điều kiện thiếu oxy, dẫn đến việc sản sinh nhiều CO Trong giai đoạn giãn nở, một phần CO sẽ kết hợp với hơi nước có trong sản phẩm cháy để tạo thành CO2.
