NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ ÔTÔ HIỆN ĐẠI

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<i>ĐỀ TÀI</i>

<b>“Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại” </b>

<i><b>Giáo viên hướng dẫn : Ths Khống Văn Nguyên </b></i>

<i><b>Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Hùng & Cao Xuân Triệu </b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

ii. Mục tiêu của 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

1.2.2. Phương pháp nghiên cứu quá trình cháy bằng kỹ thuật sợi... 17

1.2.3. Phương pháp phân tích quá trình cháy bằng phép chụp ảnh theo lớp (TCA) 20 1.2.4. Kỹ thuật 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 (HỊA KHÍ) TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG25 2.1.1. Khái niệm sự hình thành hịa khí... 25

2.1.2. Phân loại kiểu hình thành hịa khí ... 26

2.2. HÌNH THÀNH HỊA KHÍ TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG ... 26

2.2.1. Yêu cầu thành phần khí hỗn hợp động cơ xăng ... 26

2.2.2. Hình thành hịa khí trong động cơ phun xăng... 27

2.3. HÌNH THÀNH HỖN HỢP TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL ... 30

2.3.1. Chất 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 hịa 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

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

3.3. HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI... 47

3.3.1. Giới thiệu... 47

3.3.2. Hình thành hỗn hợp phân lớp... 49

3.3.3. Chế 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 hợp điều khiển điện tử

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

5.5. ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHUYỂN TIẾP... 96

5.6. ỨNG DỤNG CỦA CHẾ ĐỘ HCCI TRÊN ĐỘNG... 98

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN </b> Hưng yên, ngày … tháng … năm 2012

Giáo viên hướng dẫn:

<b> Khổng Văn Nguyên</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN </b> Hưng yên, ….ngày … tháng … năm 2012

Giáo viên phản biện:

<b> Nguyễn Mạnh Cường </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT </b>

GDI Động cơ phun xăng trực tiếp (Gasoline Direct Injiection Engine) EFI Phun xăng điện tử (Electronic fuel injection)

ECU Bộ điều khiển động cơ (Enginer Control Unit) EGR Đơn vị năng lượng (Exhaust Gases Return)

A/F Tỷ lệ khơng khí / nhiên liệu (Air / Fuel ratio) EDU Bộ điều khiển (Electronic Driver Unit)

ε Tỷ số nén

ECM Bộ điều khiển động cơ (Electronic control module) φ_s Góc đánh lửa sớm

SPV Van điều khiển

TCV Van điều khiển thời điểm phun

CRS Hệ thống sử dụng ống phân phối (Common rail system)

EUI Điều khiển vòi phun điện tử (Electronically Controlled Unit Injector)

HEUI Điều khiển vòi phun điện tử bằng thủy lực (Hydraulically Actuated Electronically Controlled Unit Injector)

INJ Kim phun (Injiection) g_e Suất tiêu thụ nhiên liệu

TCA Hệ thống phân tích q trình cháy

LIF Laser cảm ứng huỳnh quang (Laser Induced Fluorescence) λ Tỷ lệ hỗn hợp khơng khí/nhiên liệu

FSI Dòng chảy nhiên liệu phân lớp (Fule Stratified Injection).

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<b>DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ </b>

Hình 1.1 Sơ đồ thí nghiệm chụp ảnh q trình phun nhiên liệu và quá trình

cháy trong động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp ¹⁴

Hình 1.6 Sơ đồ lắp đặt đầu quang học dùng cáp quang 17 Hình 1.7 Sơ đồ một bugi lắp 8 đầu quang học dùng cáp quang 18 Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống phân tích q trình cháy kiểu chụp ảnh phân lớp 19 Hình 1.9 Bộ phận quang học để hạn chế góc nhìn của đầu quang học 20

Hình 1.11

Kết quả đo của tia nhiên liệu với tracer-LIF (trái) và sự lan tràn màng lửa với OH-LIF (phải)

22

Hình 2.2 Bố trí vịi phun trong hệ thống phun xăng đa điểm, gián tiếp 27

Hình 2.4 Cấu trúc cơ bản của hệ thống phun xăng trực tiếp 28 Hình 2.5 Động cơ phun xăng trực tiếp của hãng Mitsubishi 28

Hình 2.8 Ảnh hưởng của áp suất đến chiều dài tia phun 32 Hình 2.9 Sự thay đổi các thông số của tia nhiên liệu theo thời gian phun 32 Hình 3.1 Sơ đồ khối thể hiện kết cấu cơ bản của EFI 35

Hình 3.7 Sơ đồ điều chỉnh phun nhiên liệu ở các chế độ 41

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

Hình 3.8 Sơ đồ làm đậm khi hâm nóng 42

Hình 3.12

Mơ hình hiệu chỉnh khí xả CO đối vơi các xe khơng có cảm biến

Hình 3.16 Đồ thị thể hiện giảm tổn thất nhiên liệu, cháy phân lớp 48

Hình 3.19 Sơ đồ các dạng buồng đốt tạo hỗn hợp phân lớp của động cơ GDI 51

Hình 3.20 Sơ đồ chuyển động dịng khí nạp vào của buồng cháy Spray Guide ₅₂ Hình 3.21 Vị trí của kim phun và bugi trong kiểu buồng đốt Spray Guide 52

Hình 3.23 Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide của Renault 53

Hình 3.25 Sơ đồ bố trí kim phun và bugi của buồng đốt Wall Guide 54

Hình 3.28 Mơ hình mơ tả phun phân lớp với dạng 3 buồng đốt 57 Hình 3.29 Các dạng buồng đốt tạo chuyển động dịng khí 58

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Hình 4.11 Sơ đồ cấu tạo loại van SPV hoạt động trực tiếp 69 Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý của van SPV hoạt động trực tiếp 69 Hình 4.13 Cấu tạo của TCV (van điều khiển thời điểm phun) 70 Hình 4.14 Sơ đồ cấu tạo hệ thống nhiên liệu Diesel điện tử với ống phân phối 71 Hình 4.15 Bơm cấp nhiên liệu kiểu bánh răng ăn khớp ngồi 72

Hình 5.2 So sánh phát thải NO_x của các loại động cơ 89 Hình 5.3 Phân Loại quá trình hình thành hỗn hợp của HCCI 90 Hình 5.4 So sánh thời điểm phun và quy luật phun của HCCI với DI 91 Hình 5.5 Sự hình thành hỗn hợp trong đơn xi lanh động cơ HCCI 91 Hình 5.6 Ảnh hưởng của tỷ số nén tới quá trình cháy 92 Hình 5.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp tới q trình cháy HCCI 93

<i>Hình 5.8 So sánh quá trình cháy của các loại nhiên liệu diesel </i> 94 Hình 5.9 So sánh quá trình cháy của nhiên liệu xăng và diesel 94

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<b>LỜI CẢM ƠN </b>

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường ĐHSPKT Hưng Yên. Đến nay

<b>chúng em đã hồn thành chương trình. Và được giao đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ô tô hiện đại”, dưới sự hướng dẫn của thầy Th. S Khổng Văn Nguyên. Đến nay chúng em đã hoàn thành. </b>

<b>Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Th. S Khổng Văn Nguyên, là người đã </b>

hướng dẫn chúng em hết sức tận tình và chu đáo về mặt 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 bạn sinh viên trong Khoa cơ khí động lực trường ĐHSPKT Hưng Yên giúp đỡ tạo và tạo điều kiện cho

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

<b>MỞ ĐẦUi. Lý do lựa chọn đề tài </b>

<i>*) Tính cấp thiết của đề tài. </i>

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 đang phát triển, nước ta đã và đang 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 cơng nghiệp mới, với mục đích đưa nước ta từ một nước nông nghiệp lạc hậu thành một nước công nghiệp phát triển.

Trong các ngành công nghiệp mới đang được nhà nước chú trọng, đầu tư phát triển thì cơng nghiệp ơtơ là một trong những ngành tiềm năng. Do sự tiến bộ về khoa học cơng nghệ nên q trình cơng nghiệp hóa, hiện đại hố phát triển một cách ồ ạt, tỉ lệ ô nhiễm nguồn nước và khơng khí do chất 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 tốn khó cho ngành động cơ đốt trong nói chung và ơtơ nói riêng, đó là phải đảm bảo chất lượng khí thải và tiết kiệm nhiên liệu.

<i>Vì thế, đề tài: “Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô </i>

<i>hiện đại” được thực hiện nhằm phần nào bổ sung thêm nguồn tài liệu tham khảo, giúp </i>

sinh viên thấy được bức tranh tổng quát về cấu tạo cũng như quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại.

Đề tài giúp sinh viên năm cuối khi sắp tốt nghiệp có thể củng cố kiến thức, tổng hợp và nâng cao kiến thức chuyên ngành cũng như những kiến thức ngoài thực tế, xã hội để các sinh viên trong trường đặc biệt là sinh viên trong khoa Cơ Khí Động Lực tham khảo.

<b>Đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại” không chỉ giúp cho chúng em tiếp cận với thực tế và tạo nguồn tài liệu </b>

cho các bạn học sinh, sinh viên các khố sau có thêm nguồn tài liệu để nghiên cứu, học

<i>tập. </i>

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 thể hiểu sâu hơn về q trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ơtơ hiện đại có những kiến thức cơ bản để áp dụng vào

<i>thực tế phát huy những ưu điểm mà động cơ ôtô mang lại. </i>

<b>ii. Mục tiêu của đề tài </b>

Với yêu cầu nội dung của đề tài, mục tiêu cần đạt được sau khi hoàn thành đề tài

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

như sau:

- Nắm được các kiến thức 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.

<b>iii. Đối tượng và khách thể nghiên cứu </b>

Đối tượng nghiên cứu:

- Ngiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ xăng hiện đại. - Ngiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ diesel hiện đại. Khách thể nghiên cứu:

<i> - Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại. </i>

<b>iv. Nhiệm vụ nghiên cứu </b>

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”.

<b>v. Phương pháp nghiên cứu </b>

Người nghiên cứu đã 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 chun nghành ơtơ để có hướng nghiên cứu thích hợp.

2. Phương pháp tham khảo ý kiến

3. Dịch tài liệu: chủ yếu dịch tiếng Anh từ tài liệu hướng dẫn Mixture Formation in Internal Combustion Engine.

<b>vi. Các nội dung chính trong đồ án </b>

Thuyết minh của đề tài được trình bày theo các phần như sau:  Mở đầu

 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 luận và đề xuất ý kiến

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

<b>Chương I: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP TRÊN ĐỘNG CƠ </b>

<b>1.1. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH Q TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY </b>

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 hố q trình hình thành hỗn hợp và cháy để nâng cao hiệu suất và công suất động cơ cũng như giảm thiểu ơ nhiễm khí thải. Để quan sát được quá trình hình thành hỗn hợp và cháy, cần phải tạo ra được các hình ảnh nhìn thấy một cách trực tiếp hoặc gián tiếp nhờ tác dụng của ánh sáng lên các vật liệu nhạy cảm đối với ánh sáng. Do vậy, việc chiếu sáng và ghi lại các hình ảnh tạo ra là các cơng 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 ngồi chiếu sáng thể tích khí cần quan sát chụp ảnh.

Ngày xưa người ta thường dùng phim để ghi lại hình ảnh theo nguyên lý chụp ảnh nói chung. Vì q trình cháy trong động cơ diễn ra rất nhanh nên mỗi một ảnh cũng phải được chụp với tốc độ rất nhanh để giảm ảnh hưởng của sự chuyển động của môi chất trong xi lanh đến độ nét của hình ảnh. Do vậy mỗi chu trình thường chỉ ghi lại được một hình ảnh ở một vị trí góc quay trục khuỷu nào đó. Muốn ghi lại một loạt hình ảnh quá trình cháy ở các góc độ quay khác nhau của trục khuỷu người ta phải thực hiện trên nhiều chu trình động cơ ở chế độ làm việc ổn định. Phương pháp này được gọi là phương pháp chụp ảnh đơn tốc độ cao.

Ngày nay với các thành tựu mới của khoa học công nghệ, người ta đã sử dụng các kỹ thuật quang điện tử và kỹ thuật số để thực hiện mục đích này. Với kỹ thuật này có thể ghi được một cách liên tục hàng trăm bức ảnh hoặc hơn trong một giây nên có thể nhận được một loạt hình ảnh liên tiếp trong cùng một chu trình động cơ, tức 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 đến nguồn sáng và máy quay phim tốc độ cao.

<b>1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY </b>

Để đi sâu tìm hiểu từng kỹ thuật đo sẽ mất rất nhiều thời gian, nên ở đây sẽ chỉ trình bày một số kỹ thuật đo cơ bản cũng được áp dụng khá phổ biến trong quá trình tìm hiểu về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ.

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

<b>1.2.1. Phương pháp chụp ảnh </b>

Để nghiên cứu quá trình cháy một cách trọn vẹn, ngồi 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 q trình phun nhiên liệu này khơng phát sáng nên cần phải có một nguồn sáng để chiếu sáng trong khi quan sát hoặc ghi lại hình

<i>ảnh. Hình 1.1 giới thiệu một sơ đồ thiết bị thí nghiệm điển hình được sử dụng để quan sát </i>

chụp ảnh quá trình cháy trong động cơ diesel một xi lanh chuyên dùng cho nghiên cứu. Trong sơ đồ này, ánh sáng từ một 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 một 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 một cường độ sáng cao trong một khoảng thời gian rất ngắn. Các đặc điểm chính của nguồn sáng được chọn là độ sáng, sự phân bố quang phổ và tốc độ lặp lại của nó.

<i>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 </i>

Nguồn sáng có thể chiếu sáng liên tục hoặc chiếu sáng ở dạng xung tuỳ theo yêu cầu chụp ảnh đơn hay ghi hình liên tục. Nguồn sáng dạng xung được sử dụng trong chụp ảnh đơn, trong trường hợp này các xung ánh sáng với độ dài xung rất ngắn quyết định độ phân giải của 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 định bởi độ dài xung chiếu sáng. Các đèn xung laser có độ dài xung rất ngắn tới 20 (ns).

Có hai loại đèn chiếu sáng liên tục trong vùng quang phổ nhìn thấy là đèn halogen volfram thạch anh và đèn trịn một chiều trong đó loại thứ nhất có năng lượng lớn và khả năng chiếu sáng rộng nên được dùng rộng rãi hơn. Trong trường hợp dùng nguồn sáng liên tục thì thời gian ghi một ảnh được quyết định bởi tốc độ máy ảnh (tức là = 1/số ảnh

</div>