NHIÊN LIỆU XĂNG-KHÍ HHO
2.3 QUÁ TRÌNH CHÁY HỖN HỢP XĂNG + KHÔNG KHÍ VÀ XĂNG + KHÍ HHO + KHÔNG KHÍ TRONG ĐỘNG CƠ
2.3.1 Hình thành hỗn hợp xăng - khí HHO - không khí
Một trong những thông số đặc trưng của hỗn hợp cháy có ảnh hưởng quyết định đến tính năng kỹ thuật cũng nhƣ thành phần khí thải là hệ số dƣ lƣợng không khí 5:
nl kk
G L
G L
L
0 0
(2.18)
Trong đó: L0 - lƣợng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu; L - lƣợng không khí thực tế cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu; Gkk - lưu lượng không khí đi qua bộ chế hòa khí; Gnl - lưu lượng xăng đi qua bộ chế hòa khí.
là đại lƣợng đặc trƣng cho thành phần của hỗn hợp cháy. Hỗn hợp cháy có < 1 đƣợc gọi là hỗn hợp đậm; > 1 hỗn hợp nghèo; = 1 hỗn hợp lý thuyết (hoặc hỗn hợp hoá định lƣợng).
có ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến quá trình cháy và qua đó ảnh hưởng đến tính năng kỹ thuật và hàm lƣợng các chất độc hại trong khí thải của động cơ.
Ảnh hưởng của đến t
Hiệu suất của chu trình lý thuyết của động cơ xăng đƣợc xác định bằng công thức [5] :
1 1
1 1
t k
t Q
W
(2.19)
Trong đó: - tỷ số nén của động cơ; k - hệ số đoạn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt dung riêng của MCCT.
Ở vùng hỗn hợp cháy đậm ( < 1), t giảm mạnh theo chiều giảm của do phần nhiên liệu cháy không hoàn toàn tăng. Ở vùng hỗn hợp cháy nghèo ( 1), nhiên liệu cháy hoàn toàn và lƣợng nhiệt chu trình là không đổi (Q1 = const). Mặt khác, theo chiều tăng của trong vùng 1, nhiệt dung riêng của MCCT sẽ giảm vì cả lƣợng nhiệt chu trình ứng với 1 đơn vị số lƣợng khí nạp, nhiệt độ của MCCT trong quá trình cháy và dãn nở, hàm lượng tương đối của các khí nhiều nguyên tử (CO2 , H2O) đều giảm. Kết quả là k sẽ tăng đôi chút và làm cho t tăng nhẹ theo chiều tăng của .
Hình 2.5 Ảnh hưởng của đến t và i [5]
1- Với tải bộ phận, 2- Với 100 % tải, 3- Với hai buji cho mỗi xylanh, 4- Với khí mới phân lớp , 5- Với buồng đốt trước
Ảnh hưởng của đến i
Hiệu suất nhiệt của chu trình thực, tức là hiệu suất chỉ thị (i), cũng sẽ tăng khi hỗn hợp cháy đƣợc làm nghèo dần do hiệu suất lý thuyết tăng. Tuy nhiên, khác với hiệu suất lý thuyết, hiệu suất chỉ thị chỉ tăng đến một giới hạn nhất định, tại đó quá trình cháy nhiên liệu vẫn còn diễn ra bình thường. Khi hỗn hợp cháy quá nghèo, quá trình cháy nhiên liệu sẽ diễn ra chậm và không ổn định, có thể xuất hiện hiện tƣợng bỏ lửa, tất cả những yếu tố đó đều góp phần làm giảm i.
Ảnh hưởng của đến Ne và ge
Hình 2.6 giới thiệu dạng điển hình của đường cong biểu diễn sự biến thiên của công suất có ích (Ne) và suất tiêu hao nhiên liệu (ge) theo sự thay đổi của hệ số dƣ lƣợng không khí () ở động cơ xăng khi chạy ở tốc độ quay không đổi và giữ nguyên vị trí của bướm ga.
Về phương diện hiệu quả biến đổi năng lượng, ge sẽ giảm mạnh theo chiều tăng của trong phạm vi < 1 do lƣợng nhiên liệu cháy không hoàn toàn giảm. Trị số của hệ số dƣ lƣợng không khí ứng với suất tiêu hao nhiên liệu cực tiểu (g) tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố, nhƣ: tải, tốc độ quay, giới hạn loãng có ích, v.v. Nếu tiếp tục làm nghèo hỗn hợp cháy ( > g), ge sẽ tăng do tốc độ cháy giảm, quá trình cháy không ổn định.
Hình 2.6 Ảnh hưởng của đến Ne và ge ở động cơ xăng
Ảnh hưởng đến hàm lượng HC, CO và NOx
ảnh hưởng đến hàm lượng các chất HC, CO và NOx trong khí thải của động cơ xăng theo những hướng trái ngược nhau. Trong vùng hỗn hợp đậm ( < 1), nếu giảm thì hàm lƣợng HC và CO sẽ tăng liên tục do thiếu ôxy nhƣng hàm lƣợng NOx lại giảm nhanh cũng do thiếu ôxy và do nhiệt độ trong xylanh không đủ cao để phản ứng ôxy hóa nitơ có thể diễn ra với tốc độ đáng kể. Hàm lƣợng NOx sẽ đạt cực đại khi hỗn hợp hơi nghèo vì khi đó trong xylanh có dƣ ôxy và nhiệt độ cháy cũng cao nhất, đảm bảo cho phản ứng hóa học giữa O2 và N2 diễn ra thuận lợi. Hỗn hợp cháy càng nghèo thì hàm lƣợng CO và NOx càng giảm do trong buồng đốt đủ ôxy để cacbon đƣợc ôxy hóa hoàn toàn thành CO2 và phản ứng tạo thành NOx cũng rất yếu do nhiệt độ trong xylanh không đủ cao, nhƣng hàm lƣợng HC lại tăng nhanh do tốc độ cháy giảm và xuất hiện hiện tƣợng bỏ lửa.
0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 HC
CO
NOx
O2
Hình 2.7 Ảnh hưởng của đến hàm lượng các chất HC, CO và NOx trong khí thải của động cơ xăng
2.3.1.2 Ảnh hưởng của lượng khí HHO bổ sung đến đặc tính của bộ chế hòa khí Hình 2.8 giới thiệu đặc tính lý tưởng của bộ chế hòa khí (BCHK) ở động cơ xăng, trên đó biểu diễn sự ảnh hưởng của lưu lượng không khí đi qua BCHK (Gkk) đến thành phần của hỗn hợp xăng - không khí ().
BCHK của động cơ xăng trang bị cho xe cơ giới phải đảm bảo cung cấp hỗn hợp cháy với hệ số dƣ lƣợng không khí nhƣ sau [5, Tr332]:
= 0,4 0,8 ở chế độ không tải.
= 1,07 1,15 ở các chế độ mở bướm ga tương đối lớn.
= 0,75 0,9 khi mở hết bướm ga.
Yêu cầu trên đƣợc thỏa mãn bằng cách trang bị cho BCHK đơn giản các bộ phận và cơ cấu phụ trợ. Các bộ phận và cơ cấu phụ trợ này sẽ đƣợc kích hoạt tùy thuộc độ chân không trong họng (ph) của BCHK và vị trí của bướm ga.
Hình 2.8 Đặc tính của bộ chế hòa khí
Khí HHO có thể được đưa vào xylanh của động cơ theo các phương án sau đây:
(1) Phun vào đường ống nạp phía sau BCHK, trước xupap nạp.
(2) Phun vào đường ống nạp phía trước BCHK.
(3) Phun trực tiếp vào không gian công tác của xylanh.
Phương án (3) không hợp lý về nhiều phương diện vì cần phải trang bị bổ sung máy nén khí HHO đến áp suất nhất định, việc đảm bảo chống lọt khí HHO ra môi trường xung quanh sẽ khó khăn và với chi phí cao hơn, v.v.
Việc phun khí HHO vào đường ống nạp của động cơ xăng ở vị trí trước và sau BCHK đều có ảnh hưởng đến thành phần của hỗn hợp xăng - không khí () do BCHK nguyên thủy tạo ra thông qua ảnh hưởng đến lưu lượng không khí (Gkk), độ chân không trong họng (ph) của BCHK và do đó ảnh hưởng đến lưu lượng xăng
phun vào họng (Gnl). Trong trường hợp khí HHO được phun vào ở vị trí trước BCHK (phương án 2), Gkk sẽ giảm do khí HHO "chiếm chỗ" của không khí tuy nhiên Gnl lại phụ thuộc vào tổng lƣợng không khí và khí HHO đi qua họng, điều này dẫn tới lượng Gnl lớ n hơn so với yêu cầu , tức là hỗn hơ ̣p sẽ đâ ̣m lên ( giảm) và càng đậm khi lượng HHO cung cấp càng lớn . Trong phương án 1, do khí HHO có
áp suất lớn hơn áp suất môi trường nên sẽ l àm giảm đô ̣ chân không ở ho ̣ng của BCHK (ph giảm), dẫn tớ i lươ ̣ng nhiên liê ̣u đươ ̣c phun vào ho ̣ng sẽ giảm xuống . Nếu coi tổng lươ ̣ng môi chất cung cấp cho đô ̣ng cơ là không đổi ta ̣i mô ̣t chế đô ̣ làm viê ̣c ổn đi ̣nh nào đó của đô ̣ng c ơ thì khi bổ sung khí HHO sẽ làm G kk giảm xuống.
Viê ̣c giảm đồng thời cả G nl và Gkk là cơ sở để có thể khẳng định rằng phương án 1 có lợi điểm hơn so với phương án 2 về hê ̣ số dư lượng không khí . Tức là hướng tới hỗn hơ ̣p nhạt hơn khi có bổ sung khí HHO.
Từ phân tích ở trên phương án cung cấp khí HHO vào đường ống nạp phía sau BCHK đươ ̣c lựa cho ̣n . Tuy nhiên , do chưa khẳng đi ̣nh mô ̣t cách chắc chắn chiều hướng thay đổi khi bổ sung khí HHO theo phương án này nên các tính toán lý thuyết tiếp theo cần được thực hiện . Ngoài ra , trong trường hợp giảm khi bổ sung khí HHO thì cần thiết phải bố trí mô ̣t vòi phun không khí vào sau BCHK nhằm cải thiê ̣n của hỗn hợp . Nếu bổ sung không khí nhiều càng lớn (hòa khí càng nhạt) nhiệt tỏa ra ít, cháy rớt càng kéo dài, hiệu quả sinh công giảm làm giảm tính hiệu quả và tính kinh tế của động cơ. Ngƣợc lại, nếu quá nhỏ hòa khí rất đậm, nhiên liệu cháy không hết làm giảm tính kinh tế của động cơ và tăng thành phần ô nhiễm ra môi trường. Do đó, để nhiên liệu được cháy hoàn toàn, hiệu suất đạt cao nhất =1,05 1,1 5, tr 154.