Ý nghĩa việc sử dụng nhiên liệu mới ô tô
- Tạo nguồn nhiên liệu phong phú
- Tạo nhiều hệ thống nhiên liệu trong động cơ đốt trong b Ý nghĩa khoa học:
Nghiên cứu, phát triển nhiên liệu mới trong tương lai
Cải thiện môi trường trái đất
Giải tỏa áp lực việc cạn kiệt nhiên liệu
Là bước nhảy lớn trong nghành ô tô nói riêng và kỹ thuật nói riêng
NỘI DUNG
Động cơ nhiệt là thiết bị biến đổi nhiệt năng thành cơ năng, thường không nhận nhiệt năng từ bên ngoài mà thông qua việc đốt cháy nhiên liệu Các động cơ nhiệt được chia thành hai loại chính: động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài Đối với động cơ đốt trong, nhiên liệu được đốt cháy trực tiếp trong không gian làm việc của động cơ, nơi diễn ra quá trình chuyển hoá nhiệt năng thành cơ năng Ngược lại, động cơ đốt ngoài đốt cháy nhiên liệu trong lò đốt riêng, sau đó cung cấp nhiệt cho môi chất công tác (MCCT) trước khi dẫn vào không gian làm việc của động cơ để thực hiện quá trình chuyển đổi năng lượng.
Theo phân loại, động cơ có thể chia thành hai nhóm chính: Động cơ đốt trong và Động cơ đốt ngoài Các loại động cơ như động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ piston quay, động cơ piston tự do, động cơ phản lực và turbine khí thuộc nhóm Động cơ đốt trong Trong khi đó, động cơ hơi nước kiểu piston, turbine hơi nước và động cơ Stirling thuộc nhóm Động cơ đốt ngoài Thuật ngữ "Động cơ đốt trong" thường chỉ loại động cơ cổ điển với cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu, trong đó piston chuyển động tịnh tiến trong xylanh Các động cơ đốt trong khác được gọi bằng tên riêng như động cơ piston quay, động cơ piston tự do, động cơ phản lực và turbine khí Động cơ đốt trong (viết tắt: ĐCĐT) có thể phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm nguyên lý hoạt động, với các loại như động cơ phát hoả bằng tia lửa, động cơ diesel, động cơ 4 kỳ và động cơ 2 kỳ.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
Phân loại ĐCĐT
Các loại động cơ như động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ piston quay, động cơ piston tự do, động cơ phản lực và turbine khí đều thuộc nhóm Động cơ đốt trong Trong khi đó, động cơ hơi nước kiểu piston, turbine hơi nước và động cơ Stirling được xếp vào nhóm Động cơ đốt ngoài Thuật ngữ "Động cơ đốt trong" thường chỉ loại động cơ cổ điển với cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu, nơi piston chuyển động tịnh tiến trong xylanh Các động cơ đốt trong khác được gọi theo tên riêng, như động cơ piston quay, động cơ piston tự do, động cơ phản lực và turbine khí Trong giáo trình này, Động cơ đốt trong (ĐCĐT) được hiểu theo cách này và có thể được phân loại dựa trên nguyên lý hoạt động thành các loại như động cơ phát hoả bằng tia lửa, động cơ diesel, động cơ 4 kỳ và động cơ 2 kỳ.
Tiêu chí phân loại Phân loại
- Động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng dễ bay hơi như: xăng, alcohol, benzol, v.v
- Động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng khó bay hơi, như: gas oil, mazout, v.v
- Động cơ chạy bằng khí đốt
Phương pháp phát hoả nhiên liệu
- Động cơ phát hoả bằng tia lửa
Cách thức thực hiện chu trình công tác
Phương pháp nạp khí mới vào không gian công tác
- Động cơ không tăng áp
- Động cơ tăng áp Đặc điểm kết cấu
- Động cơ một hàng xylanh ; động cơ hình sao
- Động cơ có xylanh thẳng đứng, ngang, nghiêng
- Động cơ thấp tốc, trung tốc và cao tốc
- Động cơ công suất nhỏ, trung bình và lớn
- Động cơ xe cơ giới đường bộ
1.2 Nguyên lý làm việc và một số đặc điểm của ĐCĐT:
Những khái niệm và định nghĩa cơ bản
1.2.1.1.1 Tên gọi một số bộ phận cơ bản
Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo động cơ diesel 4 kỳ
1- Lọc không khí, 2- Ống nạp, 3- Xupap nạp, 4- Xupap xả, 5- Ống xả,6- Bình giảm thanh, 7- Nắp xylanh, 8- Xylanh, 9- Piston, 10- Xecmang,11- Thanh truyền, 12- Trục khuỷu, 13- Cacte, 14- Vòi phun nhiên liệu
1.2.1.1.2 Điểm chết, Điểm chết trên, Điểm chết dưới
Điểm chết là vị trí trong cơ cấu truyền lực, nơi mà dù có tác dụng một lực lớn lên đỉnh piston, trục khuỷu vẫn không thể quay.
• Điểm chết trên (ĐCT) là vị trí của cơ cấu truyền lực, tại đó piston cách xa trục khuỷu nhất
• Điểm chết dưới (ĐCD) là vị trí của cơ cấu truyền lực, tại đó piston ở gần trục khuỷu nhất
Khoảng cách giữa ĐCT và ĐCD
1.2.1.1.4 Không gian công tác của xylanh
Không gian bên trong xylanh được xác định bởi đỉnh piston, nắp xylanh và thành xylanh Thể tích của không gian công tác (V) sẽ thay đổi khi piston di chuyển.
Phần không gian công tác của xylanh khi piston ở ĐCT
1.2.1.1.6 Dung tích công tác của xylanh (VS)
Thể tích phần không gian công tác của xylanh được giới hạn bởi hai mặt phẳng vuông góc với đường tâm của xylanh và đi qua ĐCT, ĐCD:
(1.1) Trong đó : D - đường kính của xylanh; S - hành trình của piston
Hình 1.2 ĐCT, ĐCD và thể tích không gian công tác của xylanh
Tỷ số giữa thể tích lớn nhất của không gian công tác của xylanh (Va) và thể tích của buồng đốt (Vc) a s c c c v v v v v
1.2.1.1.8 Môi chất công tác (MCCT)
Chất đóng vai trò trung gian trong việc chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng Trong các giai đoạn khác nhau của chu trình công tác, MCCT có thành phần và trạng thái khác nhau, được gọi bằng các tên như khí mới, sản phẩm cháy, khí thải, khí sót, hỗn hợp cháy và hỗn hợp khí công tác.
Khí mới, hay còn gọi là khí nạp, là loại khí được đưa vào không gian làm việc của xylanh thông qua cửa nạp Trong động cơ diesel, khí mới chủ yếu là không khí, trong khi ở động cơ xăng, khí mới là sự kết hợp giữa không khí và xăng.
• Sản phẩm cháy - những chất được tạo thành trong quá trình đốt cháy nhiên liệu trong không gian công tác của xylanh, ví dụ: CO2, H2O, CO, SO2, NOx, v.v
Khí thải là hỗn hợp các chất được thải ra từ không gian làm việc của xylanh sau khi đã nở ra để tạo ra cơ năng Đối với động cơ đốt trong, khí thải bao gồm sản phẩm cháy, nitơ (N2) và oxy (O2) dư thừa.
• Khí sót - phần sản phẩm cháy còn sót lại trong không gian công tác của xylanh sau khi cơ cấu xả đã đóng hoàn toàn
• Hỗn hợp cháy (HHC) - hỗn hợp của nhiên liệu và không khí
• Hỗn hợp khí công tác - hỗn hợp nhiên liệu - không khí – khí sót
Quá trình thay đổi trạng thái và thành phần của MCCT trong xylanh diễn ra trong một giai đoạn nào đó của chu trình công tác
1.2.1.1.10 Chu trình công tác (CTCT)
Tổng cộng tất cả các quá trình công tác diễn ra trong khoảng thời gian tương ứng với một lần sinh công ở một xylanh
Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của áp suất của MCCT trong xylanh theo thể tích của không gian công tác hoặc theo góc quay của trục khuỷu
Hình 1.3 Đồ thị công của động cơ 4 kỳ
1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ 4 kỳ không tăng áp
Hình 1.4 Chu trình công tác của động cơ diesel 4 kỳ
Động cơ 4 kỳ là loại động cơ đốt trong, trong đó mỗi chu trình công tác hoàn thành sau 4 hành trình của piston Hình 1.5 minh họa các đồ thị biểu diễn chu trình công tác của động cơ 4 kỳ, bao gồm đồ thị công, đồ thị góc và đồ thị công khai triển Các thời điểm quan trọng được chỉ ra trong đồ thị như cf - thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu ở động cơ diesel hoặc thời điểm buji đánh lửa ở động cơ xăng, z - thời điểm áp suất cháy đạt giá trị cực đại, b1 - thời điểm xupap xả bắt đầu mở, r1 - thời điểm xupap nạp bắt đầu mở, a1 - thời điểm xupap nạp đóng hoàn toàn, và d1 - thời điểm xupap xả đóng hoàn toàn.
Trong hành trình nạp, piston được trục khuỷu kéo từ ĐCT đến ĐCD Xupap nạp mở, xupap xả đóng Không khí được hút vào xylanh qua xupap nạp
Trong quá trình nén, piston được trục khuỷu đẩy từ điểm chết dưới (ĐCD) đến điểm chết trên (ĐCT), trong khi cả hai loại xupap (nạp và xả) đều đóng Áp suất và nhiệt độ của khí trong xylanh tăng dần do sự nén của piston Khi piston gần đến ĐCT, nhiên liệu được phun vào buồng đốt và tự bốc cháy, dẫn đến sự tăng đột ngột về áp suất và nhiệt độ trong xylanh.
Trong quá trình sinh công, khí có áp suất cao trong xylanh đẩy piston từ ĐCT đến ĐCD, làm trục khuỷu quay, trong khi cả hai loại xupap vẫn đóng Giai đoạn đầu của hành trình sinh công tiếp tục diễn ra với quá trình cháy nhiên liệu.
Trong quá trình xả, piston được trục khuỷu đẩy từ điểm chết dưới (ĐCD) đến điểm chết trên (ĐCT) Trong giai đoạn này, xupap nạp đóng lại trong khi xupap xả mở, cho phép khí thải trong xy lanh được đẩy ra ngoài qua xupap xả.
Bảng 2.2 Tóm tắt chu trình công tác của động cơ 4 kỳ
Hành trình NẠP NÉN SINH CÔNG XẢ
Chuyển vị của piston ĐCT ĐCD ĐCD ĐCT ĐCT ĐCD ĐCD ĐCT
Xupap nạp Mở Đóng Đóng Đóng
Xupap xả Đóng Đóng Đóng Mở
Khí mới đi vào xylanh Không khí - - -
Vòi phun nhiên liệu Đóng Mở tại c f Đóng tạic kf Đóng
Môi chất công tác KK + Khí sót
Chu trình công tác của ĐCĐT
Trong động cơ đốt trong, quá trình chuyển đổi năng lượng hóa học từ nhiên liệu thành cơ năng diễn ra qua chuỗi các quá trình lý - hóa theo một trình tự nhất định và lặp lại theo chu kỳ Mỗi chu kỳ hoạt động của động cơ được gọi là chu trình công tác.
Chu trình công tác (CTCT) của động cơ đốt trong (ĐCĐT) bao gồm tất cả các thay đổi về nhiệt độ, áp suất, thể tích và thành phần hóa học của môi trường cháy (MCCT) từ khi được nạp vào cho đến khi được xả ra khỏi xylanh Mỗi CTCT tương ứng với một lần sinh công trong xylanh.
1.3.2.1 Các chỉ tiêu chất lượng của chu trình công tác
Để đánh giá chất lượng của CTCT về phương diện nhiệt động, người ta thường dùng hai đại lượng: hiệu suất nhiệt và áp suất trung bình
1.3.2.2 Hiệu suất nhiệt của chu trình
Hiệu suất nhiệt của chu trình (η) được tính bằng tỷ lệ giữa công chu trình (Wct) và tổng nhiệt lượng cung cấp cho máy chuyển hóa nhiệt (MCCT) trong một chu trình (Q1) Công thức tính hiệu suất nhiệt là η = Wct / Q1.
Hiệu suất nhiệt là chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu quả kinh tế của chu trình Khi cung cấp cùng một lượng nhiệt cho máy chuyển đổi năng lượng, chu trình có hiệu suất nhiệt cao hơn sẽ tạo ra nhiều cơ năng hơn.
1.3.2.3 Áp suất trung bình của chu trình
(Ptb) được xác định bằng tỷ số giữa công chu trình (Wct) và dung tích công tác của xylanh (VS)
Áp suất trung bình là một chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu quả kỹ thuật của chu trình Trong các chu trình có cùng dung tích công tác, chu trình nào có áp suất trung bình cao hơn sẽ sản sinh ra nhiều công hơn Tùy thuộc vào cách xác định công chu trình (Wct), chúng ta có thể phân biệt giữa các khái niệm như hiệu suất nhiệt và áp suất trung bình, bao gồm hiệu suất lý thuyết, hiệu suất chỉ thị, áp suất lý thuyết trung bình và áp suất chỉ thị trung bình.
14 suất có ích trung bình.
Nhiên liệu hydro
Nhiên liệu hydro cho động cơ đốt trong có hai dạng chính: hydro nguyên chất và hỗn hợp hydro-oxy (HHO), với HHO được sản xuất qua phương pháp điện phân Cả hai dạng nhiên liệu này có tính chất tương tự nhau So với xăng, nhiên liệu hydro có năng lượng đánh lửa thấp hơn 12,5 lần, nhưng lại có tốc độ cháy cao hơn 4,3 lần, nhiệt độ cháy và nhiệt độ ngọn lửa cao hơn, cùng với hệ số nhiệt trị thấp cao hơn 2,7 lần và nhiệt trị cao hơn 2,7 lần.
Bảng 1.3 Tính chất của các nhiên liệu
Năng lượng đánh lửa (mJ) 2 2 25
Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 119,96 120,9 44,79
Trong hỗn hợp hòa khí có HHO, tỉ lệ hòa khí được tính theo công thức:
Trong phương trình (1.5), 𝑚̇ a đại diện cho khối lượng không khí vào xylanh trong một giây, 𝑚̇ g là khối lượng xăng phun vào xylanh trong một giây, và 𝑚̇ HHO là khối lượng hydro phun vào xylanh trong một giây Tỉ lệ không khí/nhiên liệu lí tưởng của xăng được ký hiệu là AFR gst, trong khi AFR HHOst là tỉ lệ không khí/nhiên liệu lí tưởng của HHO Trong quá trình cháy của HHO trong xylanh động cơ, chỉ có nước và HHO tự cháy được sinh ra mà không cần thêm oxy, do đó AFR HHOst = 0 Kết quả là tỉ lệ hòa khí của hỗn hợp nhiên liệu kép HHO-xăng được xác định.
Phương trình (1.6) thể hiện tỉ lệ của hệ thống nhiên liệu xăng, cho thấy rằng khi HHO được thêm vào xylanh, tỉ lệ hòa khí trong hỗn hợp không thay đổi so với động cơ sử dụng xăng nguyên thủy Điều này có nghĩa là hệ thống điều khiển nhiên liệu không cần điều chỉnh tỉ lệ này, tạo thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống nhiên liệu kép hydro-xăng cho động cơ xăng truyền thống.
1.4.1 Ứng dụng hydro trên động cơ: a Lịch sử ứng dụng hydro trên động cơ ô tô:
Cùng với sự phát triển của công nghệ ô tô, nhiên liệu hydro đã được ứng dụng vào động cơ đốt trong từ lâu Quá trình điện phân nước trước đây chỉ thực hiện trong phòng thí nghiệm Vào năm 1870, Nikolaus August Otto đã nhận ra tiềm năng của hydro như một nhiên liệu cho động cơ đốt trong, cho rằng xăng quá nguy hiểm Tuy nhiên, nhờ sự tiến bộ công nghệ, xăng hiện nay đã trở nên an toàn hơn so với trước đây.
Hầu hết các thí nghiệm ban đầu về động cơ sử dụng nhiên liệu khí như khí thiên nhiên và khí propane Tuy nhiên, khí hydro không đáp ứng được nhu cầu cho động cơ đốt trong, do cháy nhanh hơn các nhiên liệu khác, dẫn đến việc lượng nhiên liệu - không khí bị cháy hết trước khi van nạp kịp đóng Thêm vào đó, hydro cũng cung cấp ít năng lượng hơn so với xăng.
Trong Thế chiến thứ I, hydro được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ tàu ngầm, giúp tận dụng nguồn nước uống được thải ra từ động cơ Ngoài ra, khí hydro cũng từng được xem xét như một lựa chọn nhiên liệu cho động cơ máy bay.
Vào những năm 1920, Rudolf A Erren là người tiên phong trong việc ứng dụng nhiên liệu hydro cho động cơ đốt trong, thành công chuyển đổi hơn 1000 động cơ, bao gồm cả xe tải và xe buýt Sau Thế chiến thứ II, các đồng minh phát hiện một tàu ngầm chạy bằng hydro do Erren chuyển đổi, từ đó nhiên liệu hydro đã trở nên phổ biến hơn.
Năm 1924, Ricardo thực hiện các bài kiểm tra đầu tiên về hiệu suất động cơ sử dụng hydro với động cơ 1 xylanh, thay đổi các tỉ số nén khác nhau Kết quả cho thấy, tại tỉ số nén 7:1, động cơ đạt hiệu suất cao nhất là 43%, trong khi tỉ số nén 9,9:1 chỉ đạt 41,3%, giảm khoảng 0,58 - 0,8%.
Vào năm 1972, Roger Billings, cùng với trường Đại học Brigham Young, đã thành công trong việc chuyển đổi một chiếc xe Volkswagen thành xe chạy bằng khí hydro trong cuộc thi Urban Vehicle Competition Chiếc xe này đã xuất sắc giành vị trí đầu tiên trong hạng mục xe có lượng khí thải thấp nhất nhờ vào phương pháp phun hydro trực tiếp vào buồng đốt.
Vào năm 1975, Robert Zweig đã thành công trong việc chuyển đổi một xe tải nhỏ thành xe chạy bằng hydro, đưa nó vào sử dụng thực tế Ông đã giải quyết vấn đề nổ sớm của hydro bằng cách lắp thêm một supap nạp để giảm áp suất khí nạp, tạo ra một chiếc xe sử dụng khí nén hydro với cấu trúc đơn giản Sự đổi mới này đã được công nhận bởi tổ chức American Hydrogen Association trong một cuộc triển lãm xe tải công cộng tại Mỹ.
Tại phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, động cơ Wankel đã được chuyển đổi thành công để sử dụng khí hydro Kết quả cho thấy động cơ này hoạt động hiệu quả hơn so với động cơ truyền thống, nhờ vào buồng đốt giúp giảm thiểu các chất ô nhiễm hydrocacbon.
Mazda đã thành công trong việc chuyển đổi một chiếc xe động cơ quay để hoạt động bằng hydro Thiết kế độc đáo của động cơ quay giúp tách biệt khí hydro và không khí cho đến khi chúng vào buồng đốt, từ đó giảm thiểu hiện tượng nổ sớm của hydro.
Tại viện công nghệ Ấn Độ, các nhà nghiên cứu đã chuyển đổi động cơ đánh lửa sang sử dụng hydro và nhận thấy rằng hydro cho phép nhiều tỉ lệ nhiên liệu và không khí khác nhau Việc chuyển đổi này yêu cầu động cơ có tỉ số nén cao hơn, khoảng 11:01 Hydro cung cấp hiệu suất nhiên liệu cao hơn xăng từ 30-50% Đối với động cơ Diesel, tỉ số nén khi sử dụng hydro giảm từ 16,5:1 xuống 14,5:1, vì hydro cháy ở tỉ lệ thấp hơn Diesel, nên chỉ cần phun một lượng nhỏ hydro vào xylanh cùng với Diesel để hỗ trợ quá trình cháy, với nhiệt độ đánh lửa cao nhất là 585°C.
Trong các thí nghiệm năm 1980, cục dầu mỏ Mỹ và tổ chức EIMCO Mining Machinery đã chuyển đổi động cơ Diesel chạy hoàn toàn bằng khí hydro, phát hiện rằng lượng khí oxit nitơ phát sinh chỉ bằng 1/10 so với động cơ Diesel Với hydro, khí thải duy nhất là hơi nước, điều này rất quan trọng cho các phương tiện hoạt động trong hầm mỏ và không gian hạn chế Họ lắp đặt động cơ 63,4 kW (85 hp) trên xe tải nặng 4500 kg Do tỉ số nén giảm khi sử dụng hydro, cần có hệ thống đánh lửa để kích hoạt quá trình cháy, đồng thời, một turbo tăng áp cũng được gắn vào động cơ để tăng mật độ nhiên liệu.
Phòng thí nghiệm của Transporttechnology tại Đại học Gent, Bỉ, đang nghiên cứu động cơ hydro bằng cách chuyển đổi động cơ Diesel Valmet 420D hút khí tự nhiên với hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp thành động cơ đánh lửa chạy bằng hydro Động cơ này phục vụ cho việc phát triển hệ thống phun đa điểm và các loại phun điện tử.
Nhiên liệu xăng
Xăng là dung dịch nhẹ chứa hydrocacbon, dễ bay hơi và dễ cháy, được chiết xuất từ dầu mỏ và sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ xăng Thành phần hóa học của xăng rất phức tạp, được chia thành hai phần chính: hydrocacbon và phi hydrocacbon Phân đoạn xăng (Cracking) có nhiệt độ sôi dưới 180°C, bao gồm các hydrocacbon từ C5 đến C10, với ba loại chính là parafinic, naptenic và aromatic Ngoài ra, xăng còn chứa các hợp chất lưu huỳnh, nitơ và oxy, trong đó các hợp chất lưu huỳnh thường ở dạng không bền như mercaptan, và nitơ chủ yếu tồn tại dưới dạng pyridin.
23 yếu, còn các chất chứa oxy rất ít, thường ở dạng phenol và đồng đẳng, các chất nhựa và asphanten đều chưa có
Có hai hiện tượng cháy có thể xảy ra:
Khi lượng hòa khí cháy chỉ tạo ra công suất có ích cho động cơ mà không gây ra lực cản cho chuyển động của piston, quá trình cháy diễn ra bình thường Điều này chỉ xảy ra khi bu-gi đánh lửa kích hoạt lượng hòa khí vào động cơ.
Kích nổ là hiện tượng tự bốc cháy của hòa khí trong buồng đốt do nhiệt độ và áp suất cao, xảy ra trước khi tia lửa từ bu-gi lan truyền Hiện tượng này tạo ra sự tương tác giữa hai màng áp suất ngược chiều, dẫn đến va đập cơ học ảnh hưởng đến các cơ cấu của động cơ Sự va chạm giữa các làn sóng áp suất từ các đám cháy khác nhau tạo ra tiếng gõ kích nổ Kích nổ gây ra lực cản khi piston đi lên, làm hư hại động cơ và giảm công suất máy.
Cháy kích nổ xảy ra do nhiệt độ và áp suất quá cao, thường liên quan đến trị số octane thấp của xăng hoặc sự tồn tại của muội than nóng trong xylanh động cơ Trị số octane biểu thị khả năng chống kích nổ của xăng; xăng có trị số octane cao sẽ phù hợp với động cơ có tỉ số nén cao Sử dụng xăng có trị số octane thấp cho xe có tỉ số nén cao sẽ dẫn đến cháy kích nổ, trong khi xăng có trị số octane cao cho xe có tỉ số nén thấp sẽ gây khó khăn trong việc cháy, tạo cặn than và làm bẩn máy móc, đồng thời tiêu tốn nhiên liệu.
Ví dụ một số loại xăng:
+ Xăng Mogas 95 (M95): được sử dụng cho phương tiện có tỉ số nén trên 9,5/1 như các xe hơi đời mới, xe đua có trị số octane là 95
+ Xăng Mogas 92 (M92): được sử dụng cho phương tiện có tỉ số nén 9,5/1, có trị số octane là 92
+ Xăng Mogas 83 (M83): được sử dụng cho phương tiện có tỉ số nén 8/1, có trị số octane là 83 Hiện xăng này không được sử dụng trên thị trường Việt Nam
Xăng sinh học E5 là loại nhiên liệu được pha trộn từ xăng A95 với 5% ethanol, nhằm thay thế phụ gia chì Việc sử dụng ethanol không chỉ giúp giảm ô nhiễm môi trường mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành năng lượng.
Tính bay hơi thích hợp:
Để xăng cháy hiệu quả trong động cơ, nó cần phải bay hơi đúng cách Xăng bay hơi thích hợp giúp động cơ hoạt động tối ưu, trong khi xăng bay hơi không phù hợp có thể dẫn đến giảm công suất, tiêu tốn nhiều nhiên liệu và gây ra các sự cố kỹ thuật.
- Hiện tượng nghẹt xăng hay nút hơi
Tính ổn định hóa học cao:
Tính ổn định hóa học của xăng là khả năng giữ vững bản chất hóa học trước các ảnh hưởng từ môi trường xung quanh Nhiều yếu tố tác động đến tính ổn định này, bao gồm nhiệt độ, diện tích tiếp xúc với không khí, độ sạch và độ khô của vật chứa Ngoài ra, mức độ tồn chứa và thời gian lưu trữ cũng ảnh hưởng đến tính ổn định, với xăng có hàm lượng keo nhựa cao thường có tính ổn định hóa học thấp hơn.
Không có sự ăn mòn, tạp chất cơ học và nước:
Xăng có khả năng ăn mòn kim loại do sự hiện diện của các hợp chất lưu huỳnh, axit và keo nhựa chưa được tinh chế hoàn toàn trong quá trình sản xuất.
- Tạp chất cơ học có trong xăng gồm những chất từ bên ngoài rơi vào trong quá trình bơm rót, vận chuyển như cát, bụi
- Nước từ bên ngoài rơi vào xăng trong quá trình xuất, nhập, tồn chứa
1.5.3 Định lượng nhiên liệu trên động cơ xăng:
Lưu lượng khí nạp được tính toán bằng phương pháp tốc độ tỉ trọng, trong đó lưu lượng khối lượng khí nạp được xác định dựa trên các yếu tố như áp suất, nhiệt độ không khí, tốc độ động cơ và hiệu suất nạp.
Trong bài viết này, các ký hiệu quan trọng được sử dụng bao gồm: D là dung tích xylanh, h là hiệu suất nạp, 𝑚̇ a là lưu lượng khối lượng không khí, n là tốc độ động cơ, 𝑚̇ EGR là lưu lượng khối lượng khí luân hồi Ngoài ra, d 0, p 0, T 0 lần lượt đại diện cho mật độ, áp suất và nhiệt độ không khí tại điều kiện chuẩn, trong khi p và T tương ứng là mật độ, áp suất và nhiệt độ không khí tại điều kiện thực tế.
Lượng nhiên liệu phun vào động cơ được tính toán thông qua tỉ lệ hòa khí AFR và chế độ hoạt động của động cơ:
𝑇 (𝐴𝐹𝑅) 𝑑𝑚 (1.13) Đối với động cơ không trang bị hệ thống luân hồi khí thải Phương trình (1.13) trở thành:
𝑇 (𝐴𝐹𝑅) 𝑑𝑚 (1.14) Đây là phương trình xác định lưu lượng nhiên liệu trên động cơ xăng truyền thống.
Mô hình quá trình cháy trong động cơ
Áp dụng Định luật nhiệt động học thứ nhất để nghiên cứu sự chuyển giao năng lượng của môi chất m trong hệ thống Hóa năng sinh ra từ quá trình cháy trong động cơ có thể được tính toán thông qua một biểu thức cụ thể.
Trong công thức (1.15), m đại diện cho khối lượng của môi chất, n i là số mol của môi chất i trong một đơn vị khối lượng của môi chất công tác, và Dh o f i là enthalpie hình thành của môi chất i trong điều kiện nhiệt độ TA và áp suất p0.
Công cực đại của động cơ được xác định dựa trên Định luật nhiệt động học thứ hai cho hệ thống hở, trong đó nhiên liệu được coi là đồng nhất và được gọi chung là môi chất m Khi xem xét lượng môi chất m đi qua hệ thống, Định luật bảo toàn năng lượng sẽ được áp dụng.
Trong quá trình cháy đẳng áp, công có ích truyền cho bên ngoài được ký hiệu là ∆W u, trong khi công trao đổi được biểu thị bằng DW Nhiệt lượng trao đổi trong quá trình này được ký hiệu là DQ, và nhiệt trị của nhiên liệu được thể hiện bằng Q HV.
Hình 1.8 Hệ thống hở dùng để khảo sát động cơ đốt trong
Vì sự truyền nhiệt ∆Q chỉ xảy ra đối với môi trường không khí ở nhiêt độ T A , định luật nhiệt động học thứ hai có thể viết:
𝑇 𝐴 ≤ ΔS (1.17) Kết hợp (9) và (10) ta có: Δ𝑊 𝑢 ≤ -(ΔH - 𝑇 𝐴 ΔS) (1.15)
Thông thường p 0 = p A và T D – T A Công cực đại nhận được khi p C = p A và T C = T A trong điều kiện đó:
Trong đó G = H - TS gọi là năng lượng tự do Gibbs và (DG) T p A A, là độ tăng năng lương
Trong phản ứng của hỗn hợp nhiên liệu và không khí ở nhiệt độ T A và áp suất p A, giá trị -(DG)T pA A, η sẽ đạt cực đại khi quá trình cháy diễn ra hoàn toàn.
Hiệu suất của chu trình công tác được xác định bằng tỷ số giữa công thực tế thu được và công cực đại, được gọi là hiệu suất biến đổi thực tế.
Hiệu suất của chu trình công tác được biểu thị bằng 𝜂 𝑎, trong khi đại lượng (DG) T pA A đối với nhiên liệu thực tế rất khó xác định Thông thường, chỉ có (Δh)Ta được xác định thông qua đo đạc Trong các phản ứng, H2O tồn tại ở dạng hơi Đối với các hydrocarbon thông thường, ∆h°298 và ∆g°298 gần như tương đương vì tại 298°K, ∆g°≪∆h°/T Đối với nhiên liệu thực tế, ∆h°298 được đo trực tiếp và tính bằng tích số giữa nhiệt trị của nhiên liệu và khối lượng nhiên liệu được đốt cháy, do đó công riêng phần có thể được định nghĩa bằng biểu thức thích hợp.
Công riêng phần (Wc) tương ứng với lượng nhiên liệu (mf) và hiệu suất biến đổi nhiên liệu (hf) đóng vai trò quan trọng trong chu trình năng lượng Nhiệt trị thấp của nhiên liệu (QLHV) cũng ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng Đối với các nhiên liệu hydrocarbon, công riêng phần trong biến đổi nhiên liệu (Δh°) gần tương đương với công riêng phần trong biến đổi thực tế (Δg°), cho thấy sự tương đồng giữa hai loại công này.
1.7 Đánh giá về khả năng ứng dụng nhiên liệu hydro qua tính chất của nhiên liệu:
Nhiên liệu hydro có giới hạn cháy cao, giúp mở rộng giới hạn cháy nghèo cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép hydro-xăng Đặc tính này còn cho phép giảm tiêu hao nhiên liệu khi kết hợp hydro với xăng.
Nhiên liệu hydro có tốc độ cháy nhanh gấp 4,4 lần so với xăng, giúp hỗn hợp cháy diễn ra nhanh chóng và giảm thiểu nhiệt hao phí qua thành xy-lanh, từ đó nâng cao hiệu suất nhiệt khi kết hợp với xăng Ngoài ra, các đặc tính như nhiệt trị cao và nhiệt độ cháy cao cũng góp phần cải thiện hiệu suất động cơ.
Tốc độ cháy cao, khả năng cháy nghèo và nhiệt độ ngọn lửa cao có thể tác động tích cực đến các thành phần khí thải như HC và CO, tuy nhiên, chúng cũng có thể gây ra ảnh hưởng tiêu cực đến mức phát thải NOx.
Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng các tính chất của nhiên liệu kép hydro-xăng cũng có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng kích nổ Điều này liên quan đến sự gia tăng nhiệt độ và áp suất trong buồng đốt cục bộ của động cơ, do tốc độ cháy không đồng đều giữa hydro và xăng.
Khái niệm và cơ chế của quá trình điện phân
Sự điện phân là quá trình oxi hóa - khử diễn ra tại bề mặt các điện cực khi dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li.
Sự điện phân là quá trình sử dụng điện năng để tạo ra sự biến đổi hóa học
1.7.2 Cơ chế của quá trình điện phân
Cation (+) di chuyển về phía catot xảy ra quá trình khử
Anion (-) di chuyển về phía anot xảy ra quá trình oxi hóa
Dưới tác dụng của điện trường các cation chuyển dời về phía catot, còn các anion chuyển về phía anot của điện cực
- Tại catot xảy ra quá trình khử: cation nào có tính oxi hóa mạnh nhất sẽ nhận electron của nguồn điện trước
- Tại anot xảy ra quá trình oxi hóa: anion nào có tính khử mạnh hơn sẽ nhường electron cho nguồn điện trước
Trong quá trình điện phân, các cation di chuyển về cực âm (catot), trong khi các anion hướng về cực dương (anot) Tại các điện cực, hiện tượng phóng điện diễn ra, dẫn đến các phản ứng hóa học quan trọng.
- Tại catot xảy ra quá trình khử cation (M n+ + ne → M) còn tại anot xảy ra quá trình oxi hóa anion (X n- → X + ne)
Cực âm (-) Catot Cực dương (+) Anot
Fe Cu Zn S Cl Br I ; ;
- Người ta phân biệt: điện phân chất điện li nóng chảy, điện phân dung dịch chất điện li trong nước, điện phân dùng điện cực dương tan
1.7.3 Sự điện phân của các chất điện li:
1.7.3.1 Điện phân chất điện li nóng chảy:
Trong thực tế, điện phân thường được thực hiện trên các hợp chất như muối, bazơ và oxit Các hợp chất này bao gồm MCln, M(OH)n và Al2O3, trong đó M là kim loại thuộc nhóm IA và IIA Phương pháp này áp dụng cho các kim loại có tính khử mạnh như Li, Na, K, Ba, Ca, Mg và Al, cho phép thu được các kim loại mạnh từ các hợp chất nóng chảy.
Al trở về trước trong dãy thế điện cực)
Ví dụ 1: Điện phân NaCl nóng chảy có thể biểu diễn bằng sơ đồ:
Phương trình điện phân là:
PHƯƠNG PHÁP ỨNG DỤNG HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU KÉP HYDRO- XĂNG
Mô hình hệ thống cung cấp nhiên liệu hydro sau cánh bướm ga
Hệ thống nhiên liệu kép hydro-xăng trên động cơ sử dụng bộ chế hòa khí thiết kế ngõ nạp hydro phía sau cánh bướm ga, cho phép piston hút nhiên liệu hydro vào động cơ dựa trên sự chênh lệch áp suất Áp suất trước cánh bướm ga phụ thuộc vào hệ thống và được điều chỉnh thông qua van điều khiển lưu lượng hydro, giúp xác định các mức tỉ lệ hydro trong quá trình hoạt động.
Mô hình này có ưu điểm nổi bật là tính đơn giản, với thiết kế dựa trên hệ thống nhiên liệu sử dụng bộ chế hòa khí có sẵn trên động cơ Van điều khiển nhiên liệu có thể dễ dàng cài đặt ở các độ mở cố định, giúp xác định trước các tỷ lệ lưu lượng hydro một cách hiệu quả.
Nhược điểm của hydro là khả năng hòa trộn với không khí không hiệu quả, chỉ dựa vào sự chênh lệch áp suất Hơn nữa, việc sử dụng bình chứa nhiên liệu hydro mang lại nhiều rủi ro, làm giảm tính an toàn cho hệ thống.
Hình 1.12.Phương pháp mạ điện
Việc kiểm soát nhiên liệu dựa trên việc xác định độ mở của van điều khiển lưu lượng hydro
Tỉ lệ lưu lượng hydro được xác định dựa trên phần trăm thể tích khí nạp vào xy lanh, với giá trị từ 1% đến 4,5% Tỉ lệ này giữa hydro và dòng khí nạp được xác định chính xác thông qua thông tin về độ mở cánh bướm ga, van lưu lượng hydro và các thành phần áp suất liên quan.
Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm hệ thống nhiên liệu cung cấp hydro sau bướm ga
1 Bình chứa hydro; 2 Điều áp; 3 Bình tràn; 4 Lọc; 5 Van đinh lượng; 6 Bình ngăn cháy ngược 7 Bình dập lửa; 8 Động cơ; 9 Máy đo công suất; 10 Điều áp; 11 Cảm biến; 12 Máy tính
Mô hình hệ thống phun nhiên liệu hydro
Hệ thống phun nhiên liệu hydro trên đường nạp sử dụng kim phun lắp trên ống nạp và hệ thống điện tử tự động điều khiển Nhiên liệu hydro được phun vào ống nạp theo sự điều khiển của bộ điều khiển điện tử, điều chỉnh thời điểm và thời gian mở kim phun Mô hình nghiên cứu này vẫn yêu cầu sử dụng bình lưu trữ hydro.
Nhiên liệu hydro có nhiều ưu điểm nhờ vào hệ thống kim phun, cho phép phun tơi và hòa trộn tốt với không khí, từ đó cải thiện hiệu suất quá trình cháy Hơn nữa, tỉ lệ khối lượng nhiên liệu hydro được kiểm soát chính xác hơn nhờ vào bộ điều khiển điện tử.
Nhược điểm là sự phức tạp của hệ thống điều khiển Việc tồn tại bình chứa hydro với áp suất cao rất không an toàn cho hệ thống
Việc điều khiển lưu lượng hydro được thực hiện thông qua tín hiệu thời gian mở kim phun, với hệ thống điều khiển điện tử tự động điều chỉnh thời gian mở kim phun để kiểm soát lượng hydro phun vào mỗi xy lanh động cơ Hệ thống này được cài đặt để xác định các giá trị tỉ lệ đặt trước, và các thí nghiệm được tiến hành trên những tỉ lệ hydro xác định nhằm tìm ra các kết quả tối ưu cùng với các đặc tính hoạt động của động cơ và khí thải.
Hình 2.2 Hệ thống nhiên liệu kép kim phun
Bình chứa hydro là một phần quan trọng trong hệ thống cung cấp năng lượng, kết hợp với điều áp và đo áp hydro để đảm bảo hiệu suất tối ưu Việc đo lưu lượng hydro và chống cháy ngược giúp tăng cường an toàn trong quá trình vận hành Kim phun hydro và bướm ga điều chỉnh lượng khí vào động cơ, trong khi bộ đo gió và van cầm chừng hỗ trợ kiểm soát luồng không khí ECU và ECU tự tạo là bộ não của hệ thống, quản lý các thông số hoạt động Máy tính đóng vai trò phân tích dữ liệu từ bình nhiên liệu, đo nhiên liệu, lọc xăng và kim phun xăng Bộ đánh lửa và bugi đảm bảo quá trình đốt cháy diễn ra hiệu quả, trong khi ngõ quan sát giúp người dùng theo dõi tình trạng hoạt động của hệ thống.
20.Khuếch đại nạp; 21.Chuyển đổi A/D; 22.Bộ phân tích cháy; 23.cảm biến oxy; 24.Phân tích A/F.
Mô hình hóa hệ thống nhiên liệu kép hydro-xăng với nguồn nhiên liệu hydro từ sử dụng
Nhóm tác giả đã thiết kế mô hình hệ thống nhiên liệu kép hydro-xăng, kết hợp giữa hệ thống nhiên liệu xăng truyền thống và hệ thống sản xuất nhiên liệu hydro thông qua phương pháp điện phân nước sử dụng năng lượng mặt trời Hệ thống nhiên liệu xăng sử dụng công nghệ phun xăng điện tử, với việc định lượng nhiên liệu xăng từ ECU động cơ, trong khi hệ thống nhiên liệu hydro được tối ưu hóa để sử dụng năng lượng mặt trời.
Hệ thống sản xuất điện từ pin mặt trời cung cấp năng lượng cho bình điện phân HHO cell, tạo ra hỗn hợp nhiên liệu hydro và oxy (mHHO) theo định luật Faraday, phụ thuộc vào BXMT Ir Toàn bộ mHHO được đưa vào động cơ trước cánh bướm ga trong mọi điều kiện làm việc Bộ lọc và hút ẩm giúp loại bỏ hơi nước và ngăn ngừa cháy ngược từ động cơ Hỗn hợp mHHO được trộn với khí nạp trước khi vào xy lanh động cơ Tín hiệu khối lượng HHO được gửi về ECU để điều chỉnh độ mở bướm ga và tính toán lượng xăng phun dựa trên khối lượng khí nạp thực tế.
Tín hiệu dòng điện I (4.4), tín hiệu khối lượng khí nạp từ "Air metering" và tín hiệu công suất yêu cầu Pm được gửi từ chân ga để hiệu chỉnh ma và điều khiển mg theo thông tin ma nhận được sau khi hiệu chỉnh.
Thông tin về ge, Pe, NOx, CO và HC là các tín hiệu quan trọng để phân tích và đánh giá hệ thống Máy tính được sử dụng để thu thập dữ liệu, từ đó đánh giá suất tiêu hao nhiên liệu ge, công suất động cơ Pe và hàm lượng các thành phần khí thải như NOx, HC và CO.
Hình 2.3 Mô hình hệ thống nhiên liệu kép hydro – xăng đề xuất
2.3.1 Tính toán lưu lượng nhiên liệu hydro:
Với hệ thống hình 2 3 , giá trị mHHO được tính tham khảo từ (1.21) và (1.2)
Từ (2.2), khối lượng HHO thu được theo định luật Faraday với hiệu suất h f trong một khoảngthời gian t với dòng điện i(t) là:
Trong đó: mHHO là khối lượng HHO sinh ra, h f là hiệu suất điện phân (h f = 50% ÷
Lưu lượng theo khối lượng của HHO ( m HHO ) sinh ra là:
Lưu lượng HHO thu được phụ thuộc vào chỉ số BXMT Ir, mà chỉ số này biến đổi theo vị trí địa lý và thời điểm trong ngày Do nước nguyên chất không thể điện ly, cần thêm tạp chất để kích thích phản ứng Các tạp chất thường được sử dụng bao gồm KOH, NaOH và K2CO3.
2.3.1 Tính toán về năng lượng và công suất động cơ trên hệ thống năng lượng kép hydro –xăng:
Lượng nhiên liệu cung cấp vào động cơ là tổng hợp từ xăng và HHO Tương ứng lưu lượng nhiên liệu được viết:
Trong đó, m g , m HHO đã được thiết lập ở (10) và (22)
60 2 o sp g v EGR o dm f sp o out n D p T M S m m d R P p T F Z U
(2.6) Đối với động cơ không trang bị hệ thống luân hồi khí thải:
2.3.1.2 Lưu lượng nhiên liệu trên mỗi xylanh:
Khối lượng nhiên liệu cung cấp vào một xylanh là:
Trong động cơ, m f xylanh đại diện cho khối lượng nhiên liệu cung cấp cho một lần sinh công trong mỗi xylanh, trong khi Z là tổng số xylanh của động cơ Tỉ lệ hòa khí yêu cầu được ký hiệu là (AF)R dm.
Trên hệ thống nhiên liệu kép sử dụng trực tiếp HHO, việc điều khiển nhiên liệu chỉ áp dụng cho tính toán lượng xăng phun vào mỗi xylanh
Tương tự khối lượng HHO cung cấp vào mỗi xylanh:
HHO HHO xylanh dm m m nZ R
2.3.1.3 Điều khiển công suất động cơ
Khi xe hoạt động trên đường, công suất động cơ được xác định bởi tín hiệu chân ga của lái xe Đối với động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu kép HHO (hydro) và xăng, công suất động cơ là tổng hợp từ việc đốt cháy hai thành phần nhiên liệu này, bao gồm HHO và xăng.
Công suất động cơ (P) được xác định bởi hai thành phần chính: công suất riêng phần của xăng (Pcg) và công suất riêng phần của HHO (PcHHO) Để duy trì công suất ổn định khi HHO thay đổi, hệ thống điều khiển nhiên liệu xăng cần xác định chính xác khối lượng HHO nạp vào động cơ và điều chỉnh lưu lượng xăng tương ứng Do đó, cần có công cụ tính toán để hoán đổi giữa hai thành phần công suất này, giúp tính toán chính xác Pcg và PcHHO.
W cHHO HHO m HHO Q LHV HHO (2.13)
Trong đó: W cg là công riêng phần của xăng, h g là hiệu suất biến đổi nhiên liệu của xăng, mg là khối lượng nhiên liệu xăng,
Q là nhiệt trị thấp của xăng, trong khi W cHHO đại diện cho công riêng phần của HHO Khối lượng của HHO được ký hiệu là m HHO, và hiệu suất biến đổi nhiên liệu của HHO được ký hiệu là η HHO Cuối cùng, Q LHV HHO là nhiệt trị thấp của HHO.
Từ 16 ta có công thức riêng của xăng:
W / cg m g Q LHV g (2.14) Công riêng của HHO:
43 Đặt k là tỉ số giữa công riêng của HHO với công riêng của xăng ta có:
Hiệu suất của quá trình cháy xăng và HHO có thể được xem là tương đương do chúng diễn ra đồng thời cùng các điều kiện cháy Điều này được thể hiện qua công thức hiệu suất quá trình cháy, với ký hiệu g HHO f.
Do đó, k cũng có thể gọi là tỉ số giữa nhiệt trị thấp của HHO và xăng
Dựa vào bảng 4.1 ta có:
Công sinh ra trên một đơn vị khối lượng của HHO gấp k lần so với công sinh ra trên một đơn vị khối lượng của xăng Dựa vào các công thức tham khảo (4.19), (4.31) và (4.32), ta có thể tính toán công tổng hợp một cách chính xác.
W g m Q g LHV HHO m HHO Q LHV HHO
Công suất động cơ được định nghĩa là công sinh ra trong một đơn vị thời gian Để tính toán công suất động cơ, có thể tham khảo công thức (4.30) và (4.38), trong đó khối lượng m được thay thế bằng lưu lượng của khối lượng m.
. g HHO g HHO g LHV HHO LHV
(2.21) Trong phương trình (4.40), công suất động cơ được tính toán theo nhiệt trị thấp của xăng,
44 lưu lượng khối lượng xăng và lưu lượng khối lượng HHO với hệ số quy đổi k
Trong đó về mặt điều khiển động cơ, công suất động cơ P được xem là công suất yêu cầu
P dm của chân ga do lái xe điều khiển (P P dm ) Hệ thống nhiên liệu cần đáp ứng yêu cầu công suất của lái xe, do đó cần xác định các biến số m g và m HHO Kết hợp các phương trình (4.9), (4.23) và (4.40) để đạt được kết quả mong muốn.
(AFR) g a sp dm f HLV sp dm out m M S p Q k P
(AFR) g v EGR sp dm f HLV f sp dm out n D P T m d