Đồ Án Động cơ Đốt trong

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.03 MB, 77 trang )

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINHVIỆN CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG………..

Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍChun ngành: CƠ KHÍ Ơ TÔ

Giảng viên hướng dẫn: CAO ĐÀO NAM Sinh viên thực hiện: TRẦN MINH KHẢIMSSV: 2051130289 Lớp: CO20D

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2023

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

2.1 Cơng nghệ kích hoạt van biến thiên hiện nay

2.1.1 Chuyển đổi cam

Hệ thống biến thiên pha phân phối khí và điều khiển độ nâng van bằng điện tử (VTEC) của Honda là một ví dụ điển hình về cơng nghệ van biến thiên chuyển đổi cam rời. Hệ thống VTEC như thể hiện trong Hình 3 bao gồm hai bộ vấu cam có kích thước khác nhau được gắn trên cùng một trục cam và hai bộ cánh tay đòn có bản lề về cùng một điểm. Hai vấu cam giống hệt nhau ở hai đầu của cụm có cấu hình lực nâng được tối ưu hóa cho tốc độ động cơ thấp. Như vậy, chúng có lực nâng thấp và thời gian ngắn. Mép cam lớn hơn ở trung tâm có biên dạng nâng được tối ưu hóa cho tốc độ động cơ cao. Như vậy, nó có lực nâng cao hơn và thời gian dài hơn so với các vấu cam khác. Hai cánh tay đòn giống hệt nhau ở hai đầu tác động trực tiếp lên các xupáp để vận hành chúng, trong khi cánh tay địn trung tâm khơng có bất kỳ liên kết trực tiếp nào với các van. Ba cánh tay địn có thể được liên kết với nhau để hoạt động như một cánh tay đòn duy nhất bằng cách sử dụng chốt khóa được kích hoạt bằng van điện từ, được điều khiển bằng áp suất dầu. Ở tốc độ động cơ thấp, chốt khóa khơng được gài và các xupáp được kích hoạt bằng các vấu cam có lực nâng thấp và thời gian ngắn thông qua các cần lắc ở hai đầu để đảm bảo lưu lượng nạp cần thiết. Ở tốc độ động cơ cao, chốt khóa được gài khi ba cần cò quay theo các vòng tròn cơ sở của các vấu cam tương ứng của chúng. Khi đã khóa, cụm cánh tay địn hiện được kích hoạt bởi lực nâng cao và vấu cam thời gian dài trong khi hai vấu cam khác mất tiếp xúc với cánh tay đòn đi theo của chúng ngay khi sự kiện nâng trên vấu cam trung tâm bắt đầu. Do đó, nhu cầu tăng lưu lượng nạp ở tốc độ động cơ cao được đáp ứng bằng sự gia tăng đột ngột độ nâng của van và thời gian được đánh dấu bằng sự gia tăng dần của mơmen xoắn động cơ. Điều này có thể dẫn đến các vấn đề về khả năng lái xe và thường đi kèm với những

Hình 3 Hệ thống Honda VTEC, Trang web của Honda Motor Company, 2004, sao chép từ [11]

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

Hình 4 Biên dạng nâng của van cho hệ thống chuyển mạch cam (nâng được chuẩn hóa với lực nâng tối đa), sao chép

từ [11]

thay đổi trong việc phun nhiên liệu và thời điểm đánh lửa để chuyển số dễ dàng hơn [11]. Hệ thống lại chuyển về lực nâng thấp và hoạt động trong thời gian ngắn khi tốc độ động cơ giảm. Tốc độ động cơ khi thực hiện chuyển đổi nằm trong một phạm vi tốc độ hẹp và được điều khiển bởi bộ điều khiển động cơ (ECU). Hệ thống van biến thiên chuyển đổi cam của Audi, Van nâng sử dụng các rãnh xoắn ốc được gia công trên các cụm vấu cam riêng lẻ để chuyển đổi cam. Mỗi cụm vấu cam bao gồm hai vấu cam có lực nâng và thời gian khác nhau được gắn cạnh nhau và có khả năng trượt trên trục cam trên các ống lót. Bất cứ khi nào ECU nhận thấy cần phải thay đổi độ nâng và thời gian, chốt chuyển đổi được kích hoạt bằng áp suất dầu động cơ và điều khiển bằng nam châm điện từ sẽ ăn khớp với rãnh trên cụm vấu cam liên quan. Với chuyển động quay của trục cam, chốt đi qua rãnh xoắn ốc, từ đó trượt cụm cam cụ thể đó qua trục cam, chuyển sang vấu cam mới với lực nâng và thời gian thay đổi. Mercedes Benz sử dụng biến thể được thay đổi một chút của cùng một công nghệ có tên thương hiệu là Camtronic [12] (Hình 4).

2.1.2 Định pha cam

Định pha cam là một dạng hệ thống điều khiển van biến thiên trong đó độ lệch pha tương đối giữa trục khuỷu và trục cam được thay đổi bằng các phương tiện phù hợp. Định pha cam ở dạng độc lập không thay đổi độ nâng của van hoặc thời điểm của sự kiện van. Do đó, nó là chỉ liên quan đến việc tăng hoặc giảm thời gian mở van và nhất là thời gian đóng van. Độ lệch pha giữa trục khuỷu và trục cam và giữa nhiều trục cam có thể được giới thiệu theo một số cách. Gần như tất cả các phương pháp định pha cam sử dụng một trục cam có thể quay đến một mức độ nhất định với liên quan đến bộ truyền động tức thời của nó (bánh xích, rịng rọc hoặc bánh răng). Một cơ chế định pha cam phổ

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

biến sử dụng một van điều khiển lưu lượng thích hợp để điều khiển lưu lượng của chất lỏng thủy lực (thường là dầu động cơ) vào một cơ cấu cánh trượt bên trong được gắn đồng trục giữa bộ truyền động tức thời và trục cam. Vỏ được làm liền với bộ truyền động tức thời trong khi các cánh trượt quay cùng trục cam. Lượng dầu được giữ giữa các cánh gạt và vỏ, quyết định độ lệch pha tương đối giữa trục cam và bộ truyền động tức thời, và nhất là trục khuỷu. Một hệ thống như vậy đã được Delphi sử dụng trong hệ thống định pha cam biến thiên (VCP) của nó [13]. Tùy thuộc vào cấu trúc của van điều khiển, có thể đạt được cả hoạt động theo định pha cam biến đổi liên tục cũng như rời rạc. Giống như độ nâng van của Audi, cũng có thể đạt được sự phân pha cam bằng cách sử dụng các đường xoắn ốc như trong Hình 8 [11], trong đó trục cam trượt và quay dọc theo đường xoắn ốc, liên quan đến bộ truyền động tức thời của nó để đạt được sự định pha cam biến đổi liên tục hoặc riêng biệt. Một phương pháp khác để đạt được sự thay đổi định pha của cam liên quan đến việc thay đổi đường đi hoặc hình dạng đường đi của xích truyền động trục cam hoặc dây đai bằng cách sử dụng các đĩa xích/puli quay khơng tải có thể di chuyển được hoặc các thanh dẫn xích/dây đai. Cái được hiển thị trong Hình 7 sử dụng bộ điều chỉnh thủy lực để thay đổi đường đi của xích cam giữa hai trục cam để thay đổi thời điểm tương đối của chúng [11]. VANOS của BMW, điều khiển thời gian trục cam biến thiên (VCT) của Ford, thời gian van biến thiên (hệ thống điều khiển van biến thiên) của Dodge và thời gian van biến thiên thông minh (hệ thống điều khiển van biến thiêni) của Toyota là một số công nghệ hệ thống điều khiển van biến thiên định pha cam đã được sản xuất. Variocam Plus của Porsche kết hợp công nghệ định pha cam và chuyển đổi cam cho hệ thống van biến thiên của họ [12] (Hình 5 và 6).

2.1.3 Hệ thống MultiCam

Các hệ thống Multicam van biến thiên cho phép điều chỉnh liên tục cả độ nâng van và thời điểm của sự kiện van [14]. Những hệ thống như vậy sử dụng một vấu cam trung gian và ống dẫn giữa trục cam và xupáp để kết hợp một mức độ tự do khác để điều khiển chuyển động của van. Chuyển động của vấu cam trung gian được điều khiển bởi ECU, từ đó quyết định chuyển động của con quay trung gian tác động lên các xupáp, quyết định lực nâng cuối cùng và thời gian. Về cơ bản, vấu cam trung gian thay đổi điểm tựa của cị mổ trung gian kích hoạt các xupáp, từ đó thay đổi tỷ lệ của cị mổ. Hệ thống MultiCam có thể được coi là tương tự như một phần tử khuếch đại tỷ lệ trong lý thuyết điều khiển có giá trị thay đổi giữa 0 và 1, làm thay đổi độ nâng van tối đa và thời điểm của sự kiện theo cùng một tỷ lệ. Việc xây dựng hệ thống MultiCam như vậy làm cho độ nâng van và thời điểm của sự kiện phụ thuộc lẫn nhau thay vì cung cấp khả năng kiểm soát độc lập đối với cả hai. BMW Valvetronic [15], Nâng và sự kiện van biến thiên của Nissan - Variable Valve Event and Lift

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

(VVEL) và Toyota Valvematic là một số ví dụ về hệ thống MultiCma đã được sử dụng trong sản xuất động cơ [12, 14] (Hình 9).

Các hệ thống van biến thiên khác đã được nghiên cứu bao gồm cam truyền động bằng điện, truyền động vận tốc không đổi, vấu cam ba chiều và hệ thống chiều cao con quay thay đổi [11]. Kreuter và cộng sự [16] đã trình bày một hệ thống điều phối van biến thiên liên tục sử dụng hai trục cam cùng tác

Hình 5 Hệ thống VCP kiểu cánh quạt điển hình, Trang web của Tập đoàn Delphi, 2004, sao chép từ [11]

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

Hình 6 Cấu hình nâng van cho hệ thống định pha cam (nâng được chuẩn hóa với lực nâng tối đa), sao chép từ [11]

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

Hình 7 Hệ thống VCP điển hình dựa trên sự thay đổi đường truyền động. Hilite International Website, 2004, sao chép

từ [11]

Hình 8 Then hoa xoắn ốc điển hình loại hệ thống VCP,

Trang web Đổi mới Ơ tơ, 2004, sao chép từ [11]

Hình 9 Hệ thống Valvetronic. Trang web BMW AG, 2004,

sao chép từ [11]

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

động lên các van nạp để tạo ra một chuyển vị bằng tổng của hai cam. Hara và cộng sự [17] đã phát triển một sơ đồ điều khiển hệ thống điều khiển van biến thiên lệch tâm trong đó thời điểm van được điều khiển liên tục bằng cách thay đổi tốc độ góc của trục cam bằng độ lệch giữa tâm trục cam và tâm của bộ phận trung bình truyền mơmen xoắn của trục khuỷu tới trục cam. Fallahzadeh và cộng sự [18] đã thiết kế và phát triển hệ thống van biến thiên sử dụng cam ba chiều trượt để thay đổi liên tục độ nâng của van và định pha cam thông qua bộ truyền bánh răng vi sai. Cam ba chiều thường khơng thể kiểm sốt độc lập lực nâng và thời điểm của sự kiện van, với cả hai có liên quan với nhau. Một loại cơng nghệ hệ thống điều khiển van biến thiên khác, trục cam xoắn ốc, cho phép thay đổi liên tục thời điểm của sự kiện van. Đặc trưng bởi sự trượt xoắn ốc duy nhất giữa hai phần của vấu cam xung quanh trục cam, quá trình trượt dẫn đến giảm chiều dài cung vòng tròn cơ sở vấu cam trong khi tăng chiều dài cung ở mũi. Kết quả là, thời lượng tăng lên đạt được khi nâng van hết cỡ. Mặc dù có nhiều hứa hẹn về hiệu suất, trục cam xoắn ốc đã bị giới hạn trong các hệ thống thử nghiệm chủ yếu vì lý do kinh tế. Maas và cộng sự [19] đã thảo luận về sự phát triển của hệ thống VVL liên tục, phù hợp với các nghiên cứu cơ sở nhiệt động lực học cho thấy khả năng tiết kiệm thêm 2–5% mức tiêu thụ nhiên liệu so với động cơ IC không cam với thời gian trục cam nạp và xả thay đổi (Hình 10 và 11).

Hình 10 Sơ đồ hệ thống vấu cam ba chiều

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

Hình 11 Cấu hình lực nâng của van cho hệ thống vấu cam ba chiều (độ nâng được chuẩn hóa với lực nâng tối đa), sao

chép từ [11]

2.2 Hệ thống truyền động van biến thiên không cam

Các hệ thống van biến thiên sử dụng các sửa đổi đối với trục cam hoặc sử dụng các cơ cấu trung gian giữa các van và trục cam chắc chắn là đáng tin cậy ở tốc độ vận hành cao. Tuy nhiên, những sửa đổi này thường yêu cầu bổ sung thêm khối lượng chuyển động vào hệ thống truyền động van so với thiết kế hệ thống truyền động van dẫn động bằng trục cam truyền thống. Ở tốc độ quay cao, tại đó chúng hoạt động, mang lại lực động lớn mà hệ thống phải có khả năng xử lý. Điều này địi hỏi các thành phần và cơ cấu mạnh mẽ được sử dụng trong hệ thống van biến thiên khiến chúng trở nên nặng nề và cồng kềnh. Thông thường, các hệ thống sử dụng cam dao động trung gian hoặc trục cam được sửa đổi đáng kể có thêm chiều cao và thể tích vào đầu xi lanh để chứa các bộ phận bổ sung tạo ra các vấn đề về đóng gói. Các hệ thống này thường có thêm độ phức tạp cho thiết kế của chúng và liên quan đến sản xuất có độ chính xác cao cần nhiều vốn so với các hệ thống truyền thống. Hơn nữa, hầu hết các hệ thống này khơng có khả năng kiểm sốt độc lập đối với lực nâng và thời gian của các van, và những hệ thống này thường không đơn giản trong xây dựng. Hiện nay, các hệ thống van biến thiên hoạt động không phụ thuộc vào trục cam đang được nghiên cứu và phát triển rất nhiều và trở nên phổ biến như các hệ thống dẫn động van không trục cam. Động cơ không cam sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để điều khiển độc lập lực nâng và thời gian của các van, bao gồm hệ thống truyền động điện từ, thủy lực và khí nén, thậm chí một số sử dụng kết hợp các phương pháp truyền động này. Trục cam, hiện đã được loại bỏ, cấu hình nâng van khơng cịn hạn chế các giới hạn động học của thiết kế vấu cam. Do đó, biên dạng nâng hình vng tốt nhất về mặt

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

lý thuyết có thể được nhận ra trên thực tế dưới dạng biên dạng nâng mũ trên cùng hình thang, hình dạng được xác định bởi tốc độ đóng và mở van, gia tốc cho phép và vận tốc mặt tiếp xúc (Hình 12).

Hình 12 So sánh giữa cấu hình nâng van khơng cam và thơng thường

2.2.1 Phân loại hệ thống truyền động van biến thiên không cam

Các hệ thống van biến thiên khơng cam hiện tại có thể được phân loại thành ba loại sau dựa trên loại hệ thống truyền động được sử dụng:

i. Hệ thống van biến thiên không cam điện từ ii. Hệ thống van biến thiên không cam điện-thủy lực iii. Hệ thống van biến thiên khơng cam điện-khí nén + Hệ thống van biến thiên không cam điện từ

Các hệ thống không cam điện từ sử dụng kết hợp nam châm điện và lò xo cơ học để đạt được chuyển động van mong muốn trong thời gian cần thiết. Sugimoto và cộng sự [20] đã nghiên cứu, thiết kế và thử nghiệm hệ thống van biến thiên điện từ. Hoạt động của hệ thống khơng cam điện-khí nén do Mercorelli [21] nghiên cứu được thể hiện dưới dạng sơ đồ trong Hình 13. Cấu tạo cơ bản của hệ thống van biến thiên bao gồm một đĩa phần ứng được gắn đồng tâm và cứng chắc với thân van và được đặt đối xứng giữa hai nam châm điện với sự trợ giúp của hai lị xo (khơng nhất thiết phải giống hệt nhau). Cấu hình này được gọi là trạng thái cân bằng. Bất cứ khi nào van cần mở, nam

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

châm điện phía dưới sẽ được cung cấp năng lượng bằng cách đặt một điện áp phù hợp lên cuộn dây của nó trong khi nam châm điện phía trên được giữ ở trạng thái ngắt điện. Điều này thu hút phần ứng theo hướng đi xuống và van mở ra. Trong khi đó, lị xo phía trên giãn ra và lị xo phía dưới bị nén lại.

Hình 13 Mặt cắt ngang của bộ truyền động

van điện từ, sao chép từ [21]

Năng lượng được lưu trữ trong các lò xo được sử dụng để đưa van trở lại vị trí cân bằng khi các cuộn dây bị ngắt điện. Tương tự, để đóng van, nam châm điện phía dưới bị ngắt điện trong khi nam châm điện phía trên được cấp điện, nén lị xo phía trên và kéo dài lị xo phía dưới. Để giữ van ở trạng thái mở, đóng hoặc bất kỳ vị trí nâng mong muốn nào, các nam châm điện tương ứng phải được cung cấp năng lượng phù hợp trong suốt thời gian dừng để lực lò xo và lực điện từ cân bằng. Thời gian tác động mong muốn quyết định mức giảm tốc cần thiết ở cuối hành trình, từ đó quyết định độ cứng của lò xo được sử dụng. Độ cứng của lò xo cuối cùng quyết định điện áp đặt trên các cuộn dây. Một phiên bản đơn giản hơn của thiết kế này chỉ bao gồm một nam châm điện và một lò xo cơ học, với van đóng ở vị trí cân bằng. Một cơ chế giảm chấn thích hợp thường được sử dụng để kiểm sốt vận tốc của van trong q trình đóng. Sugimoto và cộng sự [20] đã sử dụng một cần gạt thủy lực nhỏ làm cơ cấu giảm chấn cho van trong thiết kế của họ. Mạch điều khiển vịng kín thường được sử dụng trong các ứng dụng như vậy theo dõi chuyển động của van bằng cảm biến vị trí để nâng cao độ tin cậy và giảm sự thay đổi theo chu kỳ. Cope và Wright [22] đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một bộ truyền động van hoàn toàn linh hoạt bằng điện từ mới (FFVA) cung cấp lực nâng van và thời gian thay đổi kết hợp với vận tốc mặt tiếp xúc có thể kiểm sốt được. Ưu điểm chính của việc sử dụng động cơ khơng cam điện từ là tốc độ đóng mở van cao và việc triển khai hệ thống tương đối dễ dàng. Montanari [23] và Butzmann [24] đã trình bày những khó khăn kiểm sốt liên

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

quan đến vận tốc mặt tiếp xúc của van và các vấn đề về chi phí với các cảm biến vị trí đắt tiền trong các hệ thống truyền động van cơ điện [25]. Các vấn đề khác bao gồm tiêu thụ điện năng cao, tiếng ồn lớn, đặc tính từ dư ngay cả sau khi khử từ và khó khăn trong trường hợp ứng dụng lực cao [23]. Chuyển động của các van và truyền động điện từ cũng chịu các tổn thất ký sinh, chẳng hạn như ma sát, điện trở và tổn thất dòng điện xốy [26].

+ Hệ thống van biến thiên khơng cam điện-thủy lực

Một động cơ không cam thủy lực chuyển đổi dòng chảy của chất lỏng thủy lực thành chuyển động của van để đáp ứng với tín hiệu điện. Cấu trúc cơ bản của sự sắp xếp bao gồm một xi lanh thủy lực có piston được gắn vào xupáp. Dòng chất lỏng vào và ra khỏi xi lanh được điều khiển bằng các van điều khiển lưu lượng tần số cao. Hình 14 cho thấy sơ đồ của hệ thống van biến thiên điện-thủy lực được nghiên cứu bởi Zhao và cộng sự [27]. Để mở van, chất lỏng thủy lực từ bể chứa được điều áp bằng máy bơm và được làm đầy khoang trên của xi lanh. Đồng thời, chất lỏng thủy lực được lưu trữ

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

Hình 14 Sơ đồ nguyên lý của cơ cấu truyền động biến thiên không cam của ống xả điện-thủy lực, sao chép từ [27]

trước đó ở khoang dưới được đẩy ra bể chứa. Điều này làm cho piston di chuyển xuống dưới, đồng thời mở xupáp và nén lò xo xupáp. Để giữ xupáp ở vị trí mở hoặc bất kỳ vị trí nâng mong muốn nào, các van điều khiển lưu lượng hạn chế bất kỳ dòng chất lỏng nào chảy vào hoặc ra khỏi xi lanh. Lực áp suất chất lỏng và lực lị xo sau đó cân bằng với nhau để xác định vị trí giữ cân bằng (ở trạng thái nâng hoàn toàn hoặc nâng một phần). Độ nâng của van cũng có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh áp suất làm đầy xi lanh, nhưng kỹ thuật như vậy thường không được áp dụng cho các ứng dụng di động trong thế giới thực khi thời gian có sẵn cho các điều chỉnh như vậy là cực kỳ nhỏ. Để đóng xupáp, các van điều khiển lưu lượng cho phép chất lỏng áp suất cao lấp đầy khoang dưới, đồng thời đẩy chất lỏng từ khoang trên vào bình chứa. Lúc này lị xo bị nén cũng hỗ trợ đóng xupáp. Một cơ chế giảm chấn phù hợp được triển khai ngay trước khi van chạm vào mặt tiếp xúc của nó để kiểm sốt vận tốc mặt tiếp xúc. Một phiên bản đơn giản hơn của thiết kế này như trong Hình 14 liên quan đến dịng chất lỏng chỉ vào khoang trên với việc đóng van hồn tồn do lực lị xo đảm nhận. Hiệu suất và tốc độ vận hành tối đa của một hệ thống như vậy hoàn toàn phụ thuộc vào việc kiểm sốt chính xác lưu lượng chất lỏng để đảm bảo định vị chính xác các van động cơ [25]. Như vậy, nó địi hỏi các van điều khiển lưu lượng hiệu suất cao với thời gian đáp ứng rất thấp và các cảm biến vị trí tần số cao làm tăng chi phí sản xuất hệ thống. Schechter và Levin [8] đã phát triển một con lắc thủy lực khơng có lị xo cho hệ thống van biến thiên điện-thủy lực của họ, khai thác các đặc tính đàn hồi của chất lỏng thủy lực nén, hoạt động như một lò xo chất lỏng, tăng tốc và giảm tốc mỗi van động cơ trong q trình mở và chuyển động đóng. Brader [28] đã thiết kế và sản xuất một bộ truyền động thủy lực điều khiển áp điện thử nghiệm được sử dụng trong động cơ không cam điện-thủy lực. Mặc dù phù hợp với các ứng dụng lực cao, nhưng một số vấn đề tiềm ẩn với truyền động điện-thủy lực cơ bản khơng có hệ thống phản hồi chu trình đóng bao gồm mức tiêu thụ năng lượng cao, điều khiển vận tốc vị trí van và khả năng lặp lại điều tiết của van ở các nhiệt độ vận hành khác nhau do sự thay đổi độ nhớt của dầu theo nhiệt độ [ 25]. Nam và Choi [25] đã đề xuất một hệ thống truyền động van thích ứng mạnh mẽ với sự thay đổi nhiệt độ dầu và có thể được thực hiện bằng bộ điều khiển điều tiết van đơn giản dựa trên phát hiện thời điểm đóng và mở xupáp. Hơn nữa, rò rỉ trong hệ thống thủy lực luôn là một vấn đề.

+ Hệ thống van biến thiên khơng cam điện-khí nén

Một động cơ khơng cam khí nén sử dụng áp suất khơng khí để kích hoạt sự sắp xếp piston-xilanh để kích hoạt các xupáp. Van điều khiển hướng được sử dụng để điều khiển chuyển động của khơng khí có áp suất vào và ra khỏi bố trí piston-xilanh khí nén và do đó điều chỉnh thời gian của các xupáp.

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

Hình 15 Sơ đồ mặt cắt của hệ thống truyền động

van điện-khí nén

Các hệ thống van biến thiên khơng cam khí nén thường sử dụng các hệ thống thủy lực hoặc điện từ bổ sung để đạt được độ nâng van biến thiên và vận tốc mặt tiếp xúc có thể chấp nhận được. Hình 15 cho thấy sơ đồ biểu diễn của hệ thống truyền động van điện-khí nén (EPVA). Hệ thống điện-khí nén, tương tự như hệ thống điện-thủy lực, bao gồm một xi lanh khí nén có piston được gắn vào xupáp. Xi lanh có thể hoạt động kép, trong đó cả việc mở và đóng van đều được thực hiện bằng khí điều áp hoặc tác động đơn lẻ trong đó việc mở van được thực hiện bằng khí điều áp và việc đóng van diễn ra với sự trợ giúp của lò xo hồi. Hệ thống EPVA được điều tra bởi Ma và cộng sự [29] sử dụng xilanh tác động đơn. Để mở van, khơng khí có áp suất được phép lấp đầy khoang trên của xilanh trong khi khoang dưới mở ra khí quyển. Sự chênh lệch áp suất trên piston khí nén di chuyển xupáp đi xuống trong khi nhấn lò xo xupáp. Đồng thời, buồng thủy lực ở trên cùng của cụm được đổ đầy chất lỏng không nén được (dầu). Để giữ van, hãy mở ở độ nâng mong muốn, các van điều khiển cho cả khơng khí và dầu sẽ đóng lại, giữ khơng khí và dầu trong các khoang tương ứng của chúng. Tiếp theo là quá trình cân bằng lực tạm thời do sự giãn nở của khơng khí có áp suất, sau đó đạt được lực nâng ổn định. Để đóng van, các khoang khơng khí và dầu được giảm áp bằng cách mở các van điều khiển lưu lượng; khơng khí và dầu bị đẩy ra khỏi buồng do lực lò xo. Ngay trước khi đóng, một cơ cấu giảm chấn được kích hoạt để kiểm sốt tốc độ của van và van nhẹ nhàng đóng lại.

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Trong trường hợp này, dầu được tạo ra để chảy qua một lỗ để cung cấp độ ẩm cần thiết trước khi đóng lại. Van tự do đã phát triển một cấp sản xuất hệ thống van biến thiên điện-khí nén-thủy lực đã được thử nghiệm trên xe thử Saab 9-5. Xe đã đi được 10.000 km với cả van nạp và van xả được điều khiển bởi hệ thống Free valve [30]. Chức năng của hệ thống điện-khí nén chủ yếu bị giới hạn bởi thời gian phản hồi và tuổi thọ của các van điều khiển. Chất lượng khơng khí đi vào hệ thống cũng cần được duy trì để tránh tắc nghẽn các van điều khiển. Osborne và cộng sự [31] đã báo cáo mức tiêu thụ điện năng và tiếng ồn cao nhất đối với các hệ thống EPVA trong số tất cả các giải pháp thay thế không cam khác. Hơn nữa, hiệu ứng nén và rị rỉ có thể gây khó khăn cho việc kiểm sốt nếu khơng có hệ thống phản hồi. Về mặt sáng sủa hơn, tác động của khơng khí cho ứng dụng cần thiết không thay đổi đáng kể trong khoảng nhiệt độ làm việc, với các bộ phận khí nén tương đối đơn giản, nhỏ gọn, đáng tin cậy, tiết kiệm chi phí và cơng nghệ khá phát triển. Có thể sử dụng xi lanh khí nén hoặc máy nén khí trên xe để cung cấp khí nén với khả năng định tuyến lại khí thải vào hệ thống nạp khí của động cơ [9].

2.3 Nguyên lý điều khiển hệ thống điều tiết van biến thiên

Mặc dù việc thiết kế một hệ thống van biến thiên đáng tin cậy và đầy đủ chức năng là rất quan trọng để cải thiện hiệu suất động cơ, nhưng việc tối ưu hóa thời gian và độ nâng của các sự kiện van cũng là một nhiệm vụ quan trọng không kém. Các nhà nghiên cứu đã điều tra kỹ lưỡng vấn đề tương tự bằng cách sử dụng cả cơng thức tốn học hỗ trợ mơ phỏng máy tính cũng như các thí nghiệm và đã trình bày hiểu biết của họ về quy trình. Bohac và Assanis [32] đã nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian mở van xả đối với hiệu suất động cơ xăng và lượng khí thải hydrocacbon bằng cách sử dụng cả mô phỏng số cũng như thực nghiệm. Fontana và cộng sự [6] đã phân tích số lượng ảnh hưởng của hệ thống điều tiết van biến thiên đến quá trình đốt cháy của động cơ SI nhỏ. Fallahzadeh và cộng sự [18] đã sử dụng các mô phỏng số và thí nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian IVC đối với hiệu suất động cơ, mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải. Mudka và cộng sự [33] đã tiến hành một cuộc điều tra lý thuyết về tác động của việc đóng van nạp sớm (EIVC) đối với hiệu suất nhiệt của động cơ IC. Ashhab và cộng sự. [34] đã thiết kế một bộ điều khiển phi tuyến thích ứng để phối hợp độ nâng và thời gian nâng van nạp theo tốc độ và tải của động cơ, bằng cách sử dụng các cảm biến lưu lượng và áp suất đường ống nạp có tốc độ lấy mẫu cao. Trask và cộng sự [35] đã tối ưu hóa bằng thực nghiệm thời gian của tất cả các sự kiện van của động cơ không trục cam đối với một số điều kiện vận hành động cơ thường gặp. Wilson và cộng sự. [36] đã lập bản đồ hồn chỉnh các đặc tính lật, xốy và dịng chảy của động cơ bốn van, có thể được nghiên cứu để tối ưu hóa lực nâng trong van biến thiên không cam. Với hệ thống van biến thiên linh hoạt, người ta có thể thay đổi thời gian

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

của từng sự kiện van một cách độc lập. Tuy nhiên, số lượng kết hợp thời gian có thể có với một hệ thống như vậy là rất lớn, do đó cần phải hiểu ý nghĩa của từng sự kiện đối với hiệu suất và hiệu quả của động cơ. Các triết lý cơ bản đằng sau thời gian sự kiện của van biến thiên như được trình bày bởi Parvate-Patil [1] đã được liệt kê dưới đây.

2.3.1 Đóng van nạp muộn (LIVC)

Trong LIVC, ở tốc độ động cơ thấp, một phần của khí nén, ở áp suất cao hơn một chút so với khí quyển, bị đẩy trở lại đường ống nạp trong kỳ nén sớm. Điều này làm giảm khoảng chân không cục bộ được tạo ra trong đường ống nạp do điều chỉnh tiết lưu dẫn đến giảm công việc bơm nạp trong kỳ nạp tiếp theo. Do đó, LIVC có thể được sử dụng như một phương tiện kiểm sốt tải có tiết lưu và khơng có tiết lưu ở tốc độ động cơ thấp. Asmus [37] đã tuyên bố rằng hiệu suất thể tích ở tốc độ cao và tải trọng cao có thể được cải thiện bằng LIVC vì động lượng của điện tích chuyển động nhanh trong hành trình nạp giúp nạp nhiều điện tích hơn vào xi lanh ngay cả trong quá trình chuyển động đi lên của piston . Theo lý do tương tự, LIVC sẽ dẫn đến hiệu suất thể tích kém ở tốc độ thấp và điều kiện tải trọng cao.

2.3.2 Đóng van nạp sớm (EIVC)

EIVC có thể được sử dụng như một phương pháp kiểm sốt tải khơng cần bướm ga bằng cách đóng các van nạp ngay khi lượng nạp mong muốn được đưa vào xi lanh trong hành trình nạp. Điều này dẫn đến một lượng nhỏ việc giãn nở trong hành trình nạp. EIVC cũng có thể phải chịu một số tổn thất khi bơm do độ nâng của các van thấp, điều này có thể được giải quyết bằng độ nâng của van nhanh hơn [38]. Nhìn chung, việc bơm trong EIVC ít hơn nhiều so với động cơ tiết lưu thông thường.

2.3.3 Mở van nạp muộn (LIVO)

Với LIVO, piston cần thực hiện việc giãn nở trong hành trình nạp sớm [37] dẫn đến tăng việc bơm nạp. Tuy nhiên, công việc bơm tăng lên do LIVO được bù đắp cho việc cải thiện quá trình nạp xi lanh khi piston đạt được vận tốc đáng kể khi các van nạp mở. Tốc độ nạp cao hơn dẫn đến tăng nhiễu loạn, dẫn đến hiệu quả đốt cháy tốt hơn và lượng khí thải hydrocacbon (HC) không cháy thấp hơn. Hiệu suất thể tích gần như khơng thay đổi với LIVO ở tốc độ động cơ thấp vì lượng điện tích hút vào trong kỳ nạp sớm là không đáng kể do vận tốc piston thấp.

2.3.4 Mở van nạp sớm (EIVO)

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

EIVO trong hành trình xả muộn làm tăng sự chồng chéo của van dẫn đến dịng khí thải đi vào đường ống nạp do chênh lệch áp suất xi lanh-đường ống nạp [38]. Ở mức tải thấp, điều này gây bất lợi cho hiệu suất của động cơ vì nó làm lỗng điện tích mới trong đường ống nạp dẫn đến quá trình đốt cháy không ổn định. Tuy nhiên, ở mức tải cao, hiện tượng tương tự giúp thực hiện quá trình tuần hồn khí thải bên trong (EGR), giúp giảm nhiệt độ xilanh cao nhất và do đó giảm lượng khí thải NOx [39]. EIVO cũng giúp giảm công việc bơm khí thải vì lượng khí bị đốt cháy ít hơn được thải ra ngồi trong hành trình xả. EIVO đặc biệt có lợi ở tốc độ cao vì piston đạt vận tốc cao đáng kể trong kỳ nạp sớm và nhiều khơng khí hơn có thể được hút vào xilanh một cách hiệu quả.

2.3.5 Đóng van thải sớm (EEVC)

EEVC làm giảm khả năng chồng chéo van, điều này có lợi khi tải thấp. EEVC cũng giảm khả năng lọc khí thải, vì có ít thời gian hơn để đẩy khí cháy ra khỏi xi lanh, dẫn đến cơng việc bơm khí thải thấp hơn. Tuy nhiên, khí thải tồn đọng trong xi lanh làm lỗng điện tích mới dẫn đến giảm hiệu suất nhiệt, đặc biệt ở tải trọng và tốc độ cao, đồng thời giảm lượng khí thải HC khơng cháy hết do lặp lại các chu kỳ đốt cháy.

2.3.6 Đóng van thải muộn (LEVC)

Với LEVC, thời gian chồng chéo của van tăng lên dẫn đến dịng khí thải đi vào đường ống nạp [37]. Đến lượt mình, điều này làm giảm lượng điện tích mới được hút vào xi lanh đồng thời tăng áp suất đường ống nạp. Độ chân không một phần giảm trong đường ống nạp dẫn đến giảm công việc bơm nạp. Ở tốc độ cao, sự chồng lấn van lớn giúp làm sạch chất thải để cải thiện sự thơng khí của động cơ, trong khi ở tải trọng và tốc độ thấp, sự chồng lấn nhỏ hoặc khơng đáng kể giúp duy trì chất lượng nạp và quá trình đốt cháy ổn định. LEVC cũng giúp giảm lượng khí thải HC khơng cháy hết khi các sản phẩm đốt cháy trải qua các chu kỳ đốt cháy lặp đi lặp lại do pha lỗng điện tích giống nhau. Theo Siewert [38], LEVC kém hiệu quả hơn trong việc giảm phát thải HC so với EEVC.

2.3.7 Mở van thải sớm (EEVO)

EEVO đặc biệt có lợi ở tải trọng và tốc độ cao khi thời gian dành cho q trình trao đổi khí là rất nhỏ. Việc mở van xả trong hành trình trợ lực sẽ làm giảm cơng suất động cơ, nhưng nếu đúng thời điểm, sự mất mát trong việc giãn nở sẽ được bù đắp bằng cách giảm đáng kể cơng việc bơm khí thải và tăng cường khả năng làm sạch. Ở mức tải thấp, việc giãn nở giảm đáng kể và EEVO có thể giảm

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

đáng kể công suất đầu ra vốn đã thấp của động cơ. Do đó, bằng cách định thời gian thích hợp cho EVO, người ta có thể kiểm soát hệ số giãn nỡ hiệu quả.

2.3.8 Mở van thải muộn (LEVO)

LEVO dẫn đến công việc giãn nở tăng lên trong q trình sinh cơng. Tuy nhiên, áp suất xi lanh lớn ở cuối hành trình giãn nở làm tăng công việc bơm xả đặc biệt ở tốc độ và tải trọng cao. Tuy nhiên, LEVO có thể cải thiện cơng suất đầu ra ở tải và tốc độ thấp, khi công việc tối đa cần được trích ra từ q trình giãn nở và có đủ thời gian để áp suất xi lanh giảm xuống giá trị thấp. LEVO cũng giúp giảm lượng khí thải HC chưa cháy vì khí thải có đủ thời gian để oxy hóa [40].

2.4 Thuộc tính đặc trưng của hệ thống phân phối khí khơng trục cam

Các hệ thống van biến thiên hồn tồn linh hoạt có thể điều khiển độc lập lực nâng và thời gian của các sự kiện van trong chế độ làm việc của động cơ mang lại nhiều lợi ích và khả năng hơm so với các động cơ thông thường. Một số trong số chúng chỉ dành cho các hệ thống van biến thiên không trục cam như tài liệu của Schechter và Levin [8] đã được liệt kê dưới đây.

2.4.1 Hiệu suất và ổn định không tải

Một hệ thống khơng trục cam về cơ bản có thể loại bỏ sự cần thiết của tiết lưu, vốn là thủ phạm chính đằng sau hiệu suất chạy khơng tải thấp và độ ổn định trong các động cơ thông thường. Bằng cách kiểm soát phù hợp thời gian mở và đóng, nâng van nạp và thời gian tương ứng của van xả để giảm thiểu hoặc không chồng chéo, hiệu quả đốt cháy trong quá trình chạy khơng tải có thể được cải thiện đáng kể. Nhìn chung, hệ thống van biến thiên khơng trục cam có thể cho phép động cơ ở chế độ không tải ổn định với mức tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải giảm.

2.4.2 Tốc độ cháy nhanh hơn

Để có hiệu suất cháy tốt, lượng khí nạp phải đi kèm với sự cuộn xốy để q trình trộn nạp đạt hiệu quả. Tuy nhiên, ở tốc độ và tải của động cơ thấp, khi van nâng lên hết cỡ, vận tốc nạp giảm đáng kể do tốc độ dòng nạp giảm và tiết diện dòng chảy tăng, dẫn đến q trình cháy khơng ổn định và khơng đồng đều. Sử dụng hệ thống van biến thiên không trục cam, người ta có thể giảm thời lượng của hành trình nạp để chỉ nạp khi vận tốc của piston đủ cao hoặc giảm độ nâng van tối đa để tăng vận tốc nạp.

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

2.4.3 Tỉ số nén thay đổi

Bằng cách thay đổi thời gian của IVC, người ta có thể thay đổi tỷ số nén hiệu quả của động cơ mà không cần thay đổi tỷ lệ giãn nở tương ứng. Điều này có thể đặc biệt có lợi cho các động cơ cảm ứng cưỡng bức, nơi tiếng gõ trở thành một vấn đề ở điều kiện tải cao. Tỷ số nén của những động cơ như vậy thường được giảm xuống để tránh tiếng gõ máy, nhưng điều này dẫn đến hiệu suất nhiệt thấp hơn khi tải thấp. Với hệ thống van biến thiên linh hoạt tại chỗ, EIVC hoặc LIVC có thể được sử dụng phù hợp để vận hành tải thấp hiệu quả với xác suất va đập giảm khi tải cao. Điều này giúp loại bỏ sự cần thiết của cổng thải trong động cơ tăng áp, dẫn đến việc sử dụng nhiệt thải khí thải được cải thiện.

2.4.4 EGR nội bộ

Trong các động cơ thông thường, EGR thường được thực hiện bằng cách sử dụng một van riêng biệt giữa ống nạp và ống xả để điều chỉnh lượng khí thải tuần hồn vào động cơ. Với hệ thống van biến thiên không cam, thời gian của EVC và IVO có thể được điều chỉnh một cách thích hợp để cung cấp độ chồng lấp cần thiết và lượng EGR bên trong tương ứng. Điều này có thể giúp giảm lượng khí thải NOx bằng cách giảm nhiệt độ cao nhất của xi lanh.

2.4.5 Điều khiển chuyển động điện tích

Khả năng điều khiển riêng lực nâng và thời gian của từng van trong động cơ không trục cam cho phép người ta điều khiển chuyển động nạp trong xi lanh. Trong một xi lanh có hai hoặc nhiều van nạp, các độ nâng và thời gian khơng bằng nhau có thể được sử dụng để thay đổi các đặc tính xốy và sụt giảm của điện tích đi vào trong q trình làm đầy xi lanh, tạo ra nhiều kiểu dòng chảy khác nhau. Một van cụ thể cũng có thể bị vơ hiệu hóa (được giữ ở vị trí đóng) để chuyển hướng tất cả dòng chảy qua một số lượng van ít hơn với vận tốc cao hơn để tăng nhiễu loạn.

2.4.6 Chuyển vị động cơ biến thiên

Một hệ thống khơng cam có thể được sử dụng để tắt tất cả các van của một xi lanh cụ thể, vô hiệu hóa xi lanh đó một cách hiệu quả khi kết hợp với việc tắt phun nhiên liệu. Như vậy, trong quá trình vận hành một phần tải, tổng điện tích dịch chuyển của động cơ nhiều xi lanh có thể giảm xuống, chỉ một số xi lanh hoạt động hiệu quả ở mức tải cao hơn. Điều này làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu một phần tải và lượng khí thải HC khơng cháy hết. Các van thường ngừng hoạt động sau hành trình

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

nạp để giảm lượng khí dư bị mắc kẹt trong các xi lanh đã ngừng hoạt động đối với áp suất trong xi lanh thấp.

2.4.7 Thay đổi thứ tự đánh lửa

Việc lựa chọn thứ tự đánh lửa của một động cơ nhiều xi lanh cụ thể được thực hiện với mục đích giảm dao động. Trong các động cơ thông thường, thứ tự đánh lửa quyết định sự sắp xếp của các vấu cam trên trục cam và do đó, một khi đã cố định thì khơng thể thay đổi thứ tự. Tuy nhiên, bản chất của dao động động cơ thay đổi theo tốc độ và tải của động cơ và nảy sinh nhu cầu thay đổi thứ tự đánh lửa để giảm dao động tương tự ở các điều kiện vận hành khác nhau. Với hệ thống không cam, có thể dễ dàng thực hiện các thay đổi đối với thứ tự đánh lửa và các thay đổi cần thiết khác trong thời gian đóng van để giúp động cơ vận hành trơn tru trên toàn bộ khoảng tốc độ.

2.4.8 Phanh tái sinh

Hệ thống van biến thiên không trục cam có thể được sử dụng để thực hiện phanh động bằng cách sử dụng động cơ làm máy nén trong quá trình phanh. Trong quá trình phanh động, các van xả và đánh lửa bị vô hiệu hóa và động lượng của xe thơng qua hộp số được sử dụng để nén điện tích được hút vào trong hành trình nạp. Sau đó, điện tích nén được đẩy ra xung quanh TDC trở lại đường ống nạp hoặc vào một bình chứa, sau này có thể được hút vào để tăng áp cho động cơ trong q trình tăng tốc. Cơng việc nén được thực hiện bởi động cơ một phần làm chậm xe kết hợp với phanh bánh xe và cung cấp một cách hiệu quả để sử dụng năng lượng bị mất trong quá trình phanh.

2.5 Kết quả thử nghiệm về triển khai hệ thống VVA

Çinar và Akgün [41] đã báo cáo mômen xoắn tăng 5,1% ở tốc độ thấp và mômen xoắn tăng 4,6% ở tốc độ cao đối với động cơ thử nghiệm của họ vận hành với trục cam định thời IVC biến thiên. Mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể đã được báo cáo là giảm lần lượt 5,3 và 2,9% ở tốc độ động cơ thấp và cao, cùng với việc giảm lượng khí thải HC và CO ở tốc độ động cơ cao. Fallahzadeh và cộng sự [18] đã báo cáo cải thiện 15–20% hiệu suất nhiệt phanh đối với động cơ thử nghiệm của họ nhờ EIVC ở tốc độ động cơ 1600 vịng/phút được cơng nhận để giảm tỷ lệ khí dư và giảm truyền nhiệt. Mức tiêu thụ nhiên liệu giảm 20–25% cũng đã được báo cáo do giảm tổn thất bơm khi vận hành một phần tải ở cùng tốc độ cùng với việc giảm 4–5% nhiệt độ khí thải và tăng 50–60% áp suất đường ống nạp. Bohac và Assanis [32] trong các thí nghiệm của họ để nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian van xả đối với hiệu suất động cơ xăng và lượng khí thải HC, sử dụng trục cam có thể chuyển đổi, đã

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

báo cáo lượng khí thải HC khởi động giảm 27% bằng cách tăng EVO thêm 60° và tăng EVC bằng 40°. Sugimoto và cộng sự [20] trong khi điều tra hệ thống van biến thiên điện từ của họ đã báo cáo mức giảm 10% BSFC do IVC muộn so với hệ thống van dẫn động bằng cam thông thường một lần nữa được công nhận là giảm tổn thất bơm. Bằng cách cố định thời gian IVC thành BDC, công suất mômen xoắn được cải thiện xấp xỉ 20% ở tốc độ động cơ thấp và trung bình đã được ghi nhận do cải thiện hiệu suất thể tích. Hệ thống van biến thiên lệch tâm dẫn động trục cam được phát triển bởi Hara và cộng sự [17] đã cho thấy cải thiện 10–15% mơmen xoắn ở tốc độ thấp và trung bình của động cơ và cải thiện 10% công suất tối đa. Giảm 5% mức tiêu thụ nhiên liệu, giảm 19% lượng khí thải HC và giảm 29% lượng khí thải NOx cũng đã được báo cáo. Li và cộng sự [42] đã báo cáo mức tăng mômen xoắn 11,8% ở tốc độ 2400 vịng/phút và mơmen xoắn tăng 9,9% ở tốc độ 5400

vòng/phút cùng với mức tăng 1,2% mơmen xoắn cực đại ở tốc độ 3900 vịng/phút đối với hệ thống cam biến thiên sau khi điều chỉnh ECU thích hợp. Mức cải thiện 6,9% và 23,3% trong BSFC cũng đã được báo cáo ở tốc độ 2800 RPM và 5400 RPM, nhưng với mức giảm nhẹ ở BSFC cơ bản là 1,4–4,4% trong khoảng từ 1200 đến 2400 RPM. Lượng khí thải CO2 giảm 59,4% so với đường cơ sở cũng đã được ghi nhận. Schirm và cộng sự [4] đã báo cáo mức giảm trung bình là 6,4% ở mức tải 25%, 3,7% ở mức tải 50% và 1,4% ở mức tải 75% trong mức tiêu thụ nhiên liệu khi chạy động cơ thử nghiệm ở chế độ vận hành không điều hòa vào cuối IVC bằng cách sử dụng hệ thống cam biến thiên.

3 Tóm tắt

Tổng quan về sự phát triển của hệ thống truyền động van đã được trình bày trong bài đọc. Tầm quan trọng của các van trong động cơ IC và chức năng của hệ thống van dẫn động bằng trục cam, được ghép nối cơ học, tập trung vào tính đơn giản và độ tin cậy của nó đã được thảo luận. Những hạn chế của hệ thống truyền động van dẫn động bằng trục cam liên quan đến việc thay đổi tốc độ động cơ và kiểm soát tải trọng đã được nhấn mạnh để chứng minh sự cần thiết của hệ thống dẫn động van biến thiên. Tổn thất bơm trong q trình tiết lưu để kiểm sốt tải đã được giải thích cùng với một số chiến lược để giảm thiểu chúng. Hoạt động của một số cấp độ sản xuất, điều khiển trục cam, thời gian van biến thiên, thời gian sự kiện van biến thiên và công nghệ nâng van biến thiên đã được mô tả bao gồm cả hệ thống điều khiển rời rạc và liên tục. Những hạn chế của hệ thống truyền động van biến thiên hoạt động bằng trục cam đã được thảo luận để phác thảo các yêu cầu chức năng của hệ thống truyền động van không cam. Ba loại hệ thống truyền động van không cam cùng với những ưu điểm và hạn chế của chúng đã được giải thích. Logic điều khiển định thời của van biến thiên cơ bản đã được mơ tả và một số thuộc tính riêng của động cơ không cam đã được liệt kê. Một số kết quả thử nghiệm cũng đã được trích dẫn từ tài liệu nêu lên sự cải thiện về hiệu suất, hiệu quả và lượng khí thải sau khi triển khai các hệ thống truyền động van biến thiên.

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

THAM KHẢO

1. Parvate-Patil G, Hong H, Gordon B (2003) Đánh giá về triết lý nạp và xả đối với thời gian van biến thiên. Giấy kỹ thuật SAE 2003-32-0078. Assanis DN, Polishak M (1990) Tối ưu hóa sự kiện van trong động cơ đánh lửa. Tua bin khí J Eng Cơng suất 112/341

3. Shelby M, Stein R, Warren C (2004) Một phương pháp phân tích mới để tính tốn chính xác cơng việc bơm động cơ vi mạch và công việc được chỉ định. Giấy kỹ thuật SAE 2004-01-1262.

4. Schirm E, De Jesus G, Valle R (2003) Kiểm soát hiệu suất của động cơ đánh lửa cưỡng bức bằng sự thay đổi của góc mở van nạp. Giấy kỹ thuật SAE 2003-01-3720.

5. Koo JM, Bae CS (2000) Ảnh hưởng của các đặc tính thở đến tính năng của động cơ đánh lửa cưỡng bức. Trong: Kỷ yếu của Đại hội ô tô thế giới FISITA, ngày 12–15 tháng 6 năm 2000, Seoul, Hàn Quốc, mã giấy F2000A027

6. Fontana G, Galloni E, Palmaccio R, Torella E (2006) Ảnh hưởng của thời gian van biến thiên đến quá trình đốt cháy của động cơ đánh lửa nhỏ. Giấy kỹ thuật SAE 2006-01-0445.

7. Moro D, Ponti F, Serra G (2001) Phân tích nhiệt động lực học về ảnh hưởng của thời gian van biến thiên đến hiệu suất động cơ SI. Giấy kỹ thuật SAE 2001-01-0667.

8. Schechter M, Levin M (1996) Động cơ không cam. Giấy kỹ thuật SAE 960581.

9. Shelton P (2008) Đánh giá về các thiết bị điều chỉnh van biến thiên. Luận án danh dự đại học kỹ thuật cơ khí 17, Ahmad T, Theobald M (1989) Một cuộc khảo sát về công nghệ truyền động van biến thiên. Giấy kỹ thuật SAE 891674. Nouhov D (2004) Khảo sát ảnh hưởng của thời điểm van nạp đến quá trình trao đổi khí ở động cơ cao tốc. Truy cập, 09:40, ngày 10 tháng 7 năm 2017 từ Concepcion M (2013) Giải thích về thời gian và độ nâng của van biến thiên ô tô, 2 xuất bản, ngày 13 tháng 6 năm 2013. ISBN/EAN13:1490422463/ 9781490422466

13. Hệ thống quản lý động cơ xăng Article. Truy xuất, 09:38, ngày 10 tháng 7 năm 2017 từ

14. Bài báo Autozine VVT. Truy cập ngày 17 tháng 1 năm 2012 từ

class="text_page_counter">Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

15. Autospeed Điều Valvetronic. Truy cập ngày 17 tháng 1 năm 2012 từ

16. Kreuter P, Heuser P, Reinicke-Murmann J (1998) Hệ thống meta VVH—một hệ thống điều phối van biến thiên liên tục. Giấy kỹ thuật SAE 980765. Hara S, Hidaka A, Tomisawa N, Nakamura M và cộng sự (2000) Ứng dụng của một sự kiện van biến thiên và hệ thống thời gian cho động cơ ô tô. Giấy kỹ thuật SAE 2000-01-1224.

18. Fallahzadeh F, Subrahamanyam J, Sharma V, Gajendra Babu M (2005) Mô phỏng và đánh giá động cơ đánh lửa cưỡng bức xi lanh đơn điều phối van biến thiên. Giấy kỹ thuật SAE 2005-01-0765. Maas G, Neukirchner H, Dingel O, Predelli O (2004) Tiềm năng của một hệ thống van biến đổi hoàn toàn, đổi mới. Giấy kỹ thuật SAE 2004-01-1393. 20. Sugimoto C, Sakai H, Umemoto A, Shimizu Y và cộng sự (2004) Nghiên cứu hệ thống định

thời van biến thiên sử dụng cơ chế điện từ. Giấy kỹ thuật SAE 2004-01-1869.

21. Mercorelli P (2013) Luật điều khiển thích ứng dựa trên Lyapunov cho Bộ truyền động điện từ. AASRI Procedia 4:96-103. Cope D, Wright A (2006) Thiết bị truyền động van điện từ hoàn toàn linh hoạt. Giấy kỹ thuật SAE 2006-01-0044. Montanari M, Ronchi F, Rossi C, Tonielli A (2004) Điều khiển bộ truyền động cơ điện động cơ không trục cam: tái tạo vị trí và phân tích hiệu suất động. IEEE Trans Ind Electron 51(2):299– 311. Butzmann S, Melbert J, Koch A (2000) Điều khiển bộ truyền động điện từ không cảm biến cho hệ thống van biến thiên. Giấy kỹ thuật SAE 2000-01-1225. Nam K, Choi SB (2012) Phát triển hệ thống truyền động van động cơ không cam để điều khiển thời gian van động cơ mạnh mẽ. Kiểm tra mơ hình hệ thống Int J Veh 7(4):372–389, 2012.

26. Schernus C, van der Staay F, Janssen H, Neumeister J et al (2002) Mô hình hóa độ mở của van xả trong động cơ không trục cam. Giấy kỹ thuật SAE 2002-01-0376.

27. Zhang S, Zhao Z, Zhao C, Zhang F, Wang S (2016) Phát triển và xác nhận động cơ piston tự do không trục cam điện-thủy lực. Appl Therm Eng 102:1197–1205.

class="text_page_counter">Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

28. Brader JS (1995) Phát triển bộ truyền động thủy lực điều khiển áp điện cho động cơ không trục cam. Luận văn Thạc sĩ Khoa học, Đại học Boston.

29. Ma J, Schock H, Carlson U, Hoglund A et al (2006) Phân tích và lập mơ hình van thủy lực khí nén điều khiển điện tử cho động cơ ô tô. Giấy kỹ thuật SAE 2006-01-0042.

30. Bài viết Công nghệ FreeValve. Truy cập, 3:22, ngày 9 tháng 7 năm 2017 từ

31. Osborne R, Stokes J, Lake T, Carden P và cộng sự (2005) Phát triển động cơ xăng chuyển đổi hai thì/bốn thì—khái niệm 2/4SIGHT. Giấy kỹ thuật SAE 2005-01-1137.

32. Bohac S, Assanis D (2004) Ảnh hưởng của thời điểm van xả đến hiệu suất động cơ xăng và lượng khí thải hydrocarbon. Giấy kỹ thuật SAE 2004-01-3058. Żmudka Z, Postrzednik S, Przybyła G (2016) Kiểm sốt tải động cơ SI khơng cần ga bằng hệ thống truyền động van đầu vào hoàn toàn linh hoạt. Động cơ đốt trong 164(1):44–48. ISSN 2300-9896

34. Ashhab M, Stefanopoulou A, Cook J, Levin M (1998) Điều khiển động cơ không cam cho hoạt động mạnh mẽ không ga. Giấy kỹ thuật SAE 981031. Trask N, Hammoud M, Haghgooie M, Megli T et al (2003) Các kỹ thuật và kết quả tối ưu hóa cho các chế độ vận hành của động cơ không trục cam. Giấy kỹ thuật SAE 2003-01-0033.

36. Wilson N, Watkins A, Dopson C (1993) Chiến lược van bất đối xứng và ảnh hưởng của chúng đối với quá trình đốt cháy. Giấy kỹ thuật SAE 930821. Asmus T (1982) Sự kiện van và hoạt động của động cơ. Tài liệu kỹ thuật SAE 820749.

38. Siewert R (1971) Làm thế nào các sự kiện điều chỉnh thời gian van riêng lẻ ảnh hưởng đến khí thải. Giấy kỹ thuật SAE 710609. Hara S, Nakajima Y, Nagumo S (1985) Ảnh hưởng của thời điểm đóng van nạp đến quá trình cháy của động cơ đánh lửa. Giấy kỹ thuật SAE 850074. Stein R, Galietti K, Leone T (1995) VCT cân bằng kép-một chiến lược điều chỉnh thời gian trục cam biến thiên để cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu và khí thải. Giấy kỹ thuật SAE

950975. Çinar C, Akgün F (2007) Ảnh hưởng của thời gian đóng van nạp đến hiệu suất của động cơ và khí thải trong động cơ đánh lửa cưỡng bức. J Polytech 10(4):371–375

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

42. Li L, Tao J, Wang Y, Su Y và cộng sự (2001) Ảnh hưởng của thời điểm đóng van nạp đến hiệu suất và khí thải của động cơ xăng. Giấy kỹ thuật SAE 2001-01-3564.

class="text_page_counter">Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

Các đặc điểm về hiệu suất, quá trình đốt cháy và khí thải của động cơ Diesel thơng thường sử dụng hỗn hợp butanol

Mohit Raj Saxena và Rakesh Kumar Maurya

Tóm tắt Mối quan tâm về an ninh năng lượng và các quy định pháp luật về khí thải nghiêm ngặt địi

hỏi một động cơ có hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu cao và sạch. Động cơ đánh lửa do nén diesel (CI) được ưa chuộng hơn động cơ đánh lửa bằng tia lửa điện (SI) trong các ứng dụng thương mại do hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu cao hơn. Chương này tập trung vào ảnh hưởng của việc bổ sung butanol trong nhiên liệu diesel đến các đặc tính cháy và phát thải của động cơ diesel. Butanol có các đặc tính khơng thể bắt chước, khiến nó trở thành nhiên liệu ứng cử viên phù hợp hơn cho động cơ diesel so với các loại nhiên liệu cồn khác như ethanol và metanol. Các đặc tính cháy của động cơ được phân tích từ phân tích giải phóng nhiệt của dữ liệu áp suất trong xi lanh đo được ở các điều kiện vận hành động cơ khác nhau. Tính ổn định của quá trình đốt cháy cũng được thảo luận liên quan đến hoạt động của động cơ diesel với hỗn hợp butanol. Các đặc tính phát thải carbon

monoxide (CO), hydrocarbon chưa cháy (HC) và nitơ oxit (NOx) của động cơ diesel sử dụng hỗn hợp butanol được thảo luận trong chương này. Đặc biệt nhấn mạnh vào thảo luận về phát thải dạng hạt (số lượng hạt bồ hóng) trong động cơ diesel với hỗn hợp butanol.

1 Giới thiệu

Trong vài thập kỷ qua, nhiên liệu thay thế được nghiên cứu chuyên sâu cho ứng dụng động cơ đốt trong (IC) để đáp ứng nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới. Với quá trình đơ thị hóa, số lượng

M.R.Saxena. R. K. Maurya (&)

Phịng thí nghiệm Nghiên cứu Nhiên liệu và Động cơ Tiên tiến, Khoa Cơ khí, Viện Cơng nghệ Ấn Độ Ropar, Rupnagar 140001, Punjab, Ấn Độ

e-mail:

D. K. Srivastava et al. (eds.), Những tiến bộ trong nghiên cứu động cơ đốt trong, năng lượng, mơi trường và tính bền vững, class="text_page_counter">Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

động cơ cho các ứng dụng ơ tơ và địa hình (như máy kéo, xe tải, thiết bị nông nghiệp, máy phát điện) đang tăng lên nhanh chóng. Hầu hết các động cơ ứng dụng thương mại đều được trang bị động cơ đánh lửa nén (CI) do hiệu suất nhiệt phanh cao hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn. Tuy nhiên, động cơ đánh lửa nén (diesel) thông thường thường thải ra oxit nitơ (NOx) và chất dạng hạt (PM) ở nồng độ tương đối cao hơn. Bản thân việc giảm sự hình thành các khí thải này trong quá trình đốt cháy là một thách thức lớn hơn đối với ngành công nghiệp ô tô cũng như các nhà nghiên cứu động cơ. Ngoài ra, cịn có sự đánh đổi giữa PM và NOx trong động cơ diesel thông thường, khiến vấn đề trở nên khó khăn hơn. Lượng khí thải NOx cao hơn chủ yếu do nhiệt độ đốt cháy cao hơn và lượng khí thải PM cao hơn do quá trình đốt cháy hỗn hợp khơng đồng nhất trong động cơ diesel thơng thường. Ai cũng biết rằng khí thải từ q trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch ảnh hưởng đáng kể đến sức khỏe con người cũng như mơi trường [1, 2]. Để giữ lượng khí thải này ở dưới hoặc trong giới hạn bắt buộc phát thải, một số thiết bị xử lý sau (chẳng hạn như bộ lọc hạt diesel, bẫy NOx ) được lắp đặt trong đường ống xả của động cơ ô tô hiện đại. Tuy nhiên, các thiết bị xử lý sau có ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng tiết kiệm nhiên liệu của động cơ. Sử dụng nhiên liệu tái tạo hoặc nhiên liệu sinh học là một trong những cách tiềm năng để giảm lượng khí thải này từ động cơ diesel thơng thường. Dầu diesel sinh học được coi là nhiên liệu thay thế tốt cho động cơ diesel và có lượng khí thải carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), khói và PM thấp hơn. Tuy nhiên, quá trình đốt cháy dầu diesel sinh học trong động cơ CI thải ra lượng khí thải NOx cao hơn [3, 4]. Thêm vào đó, nó được coi là không thực tế hiện nay đối với các phương tiện động cơ diesel do những hạn chế của nó như lắng đọng carbon quá mức, ổn định oxy hóa và nó cũng có thể gây ra sự ăn mòn trong vật liệu của phương tiện, dẫn đến các vấn đề về độ bền của động cơ. Các loại cồn như metanol, etanol, butanol là nhiên liệu tái tạo có chỉ số cetane tương đối thấp, được coi là nhiên liệu thay thế tốt và có khả năng giảm lượng khí thải từ động cơ đốt trong [5–7]. Methanol và ethanol được coi là nhiên liệu thay thế tiềm năng cho động cơ đánh lửa. Các nghiên cứu khác nhau đã điều tra các đặc tính hiệu suất của động cơ đánh lửa sử dụng nhiên liệu metanol-/ethanol [8–11]. Ở Brazil, ethanol đã được sử dụng làm nhiên liệu thay thế hơn 35 năm qua [12]. Một nghiên cứu cho thấy ở các nước châu Âu, việc pha trộn metanol với xăng đã được sử dụng từ năm 1970 [5]. Cả hai loại rượu này đều có thể được sử dụng trong động cơ đánh lửa ở dạng tinh khiết hoặc ở dạng pha trộn với xăng. Tuy nhiên, những nhiên liệu cồn này thường không được coi là sự thay thế tốt cho nhiên liệu diesel cho động cơ CI do nhiệt độ tự bốc cháy cao hơn và chỉ số cetane thấp hơn. Trong động cơ CI, metanol/etanol có thể được sử dụng ở dạng pha trộn với dầu diesel thông thường hoặc bằng cách phun riêng vào đường ống nạp và chạy động cơ ở chế độ nhiên liệu kép. Ethanol/metanol cũng có vấn đề về khả năng trộn lẫn với nhiên liệu diesel, và do đó, các chất phụ gia/dung mơi được yêu cầu để tránh sự phân lớp nhiên liệu trong thùng nhiên liệu. Butanol là một loại nhiên liệu cồn khác, có thể được sử

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

dụng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong và nó có tính chất vật lý và hóa học tốt hơn so với metanol và etanol đối với động cơ CI. Lợi ích của butanol so với ethanol và metanol được đưa ra dưới đây [5];

 Nhiệt trị cao hơn so với metanol và etanol.

 Độ bay hơi thấp hơn, có thể làm giảm xu hướng của vấn đề nghẽn hơi và xâm thực.

 Vấn đề khởi động nguội ít hơn so với động cơ chạy bằng nhiên liệu ethanol/methanol (do nhiệt hóa hơi thấp hơn và nhiệt độ bắt lửa của butanol cũng thấp hơn so với ethanol và metanol).  Khơng có vấn đề trộn lẫn với động cơ diesel cũng như xăng.

 Butanol có nhiệt độ điểm chớp cháy cao hơn và điểm áp suất hơi thấp hơn, do đó an tồn hơn so với etanol và metanol.

 Ít ăn mịn hơn so với ethanol.

 Trị số xetan cao hơn so với metanol và etanol, do đó dễ dàng tự bốc cháy hơn trong động cơ CI. Butanol là nhiên liệu sinh học tái tạo và có thể dễ dàng sản xuất bằng quá trình lên men. Sơ đồ quy trình sản xuất butanol phổ biến được cung cấp trong Hình 1 và các đặc tính điển hình của metanol, etanol, butanol và dầu diesel được so sánh trong Bảng 1.

Trong vài năm qua, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu kỹ lưỡng butanol như một loại nhiên liệu thay thế cho động cơ CI [13–17]. Một nghiên cứu tối ưu hóa các thơng số phun nhiên liệu cho các

Hình 1 Quy trình sản xuất butanol điển hình.

Nguyên liệu như rơm lúa mì, lõi

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

Bảng 1 Tính chất tiêu biểu của metanol, etanol, butanol và dầu diesel [7]

Đặc tính Metanol Etanol n-Butanol Dầu diesel Điểm bắt cháy (°C) ở cốc đậy kín 12 9 35 65-88 Năng suất tỏa nhiệt ròng (MJ/kg) 19.9 26.8 33.1 42.5

Nhiệt ẩn (kJ/kg) ở 25°C 1109 904 582 270 Độ nhớt (mm2/s) ở 40°C 0.59 1.08 2.63 1.9-4.1 đặc tính hiệu suất và khí thải của nhiên liệu butanol-/diesel động cơ đánh lửa do nén sử dụng

phương pháp bề mặt đáp ứng [15]. Một nghiên cứu khác đã điều tra ảnh hưởng của các biến thể theo chu kỳ từ động cơ đánh lửa do nén được cung cấp nhiên liệu bằng hỗn hợp butanol/diesel đã được nghiên cứu [16]. Phát thải hạt nano từ động cơ đánh lửa nén được cung cấp nhiên liệu bằng hỗn hợp butanol/diesel cũng được nghiên cứu ở các điều kiện tải khác nhau của động cơ [17]. Chương này cung cấp thơng tin tóm tắt về đặc tính cháy và phát thải của động cơ diesel chạy bằng hỗn hợp butanol ở các điều kiện vận hành khác nhau. Trước khi thảo luận về các đặc tính đốt cháy và phát thải, một phương pháp thử nghiệm ngắn gọn để xác định các đặc tính đốt cháy được cung cấp trong phần tiếp theo.

2 Phương pháp luận

Để phân tích các đặc tính đốt cháy của động cơ, các thông số đốt cháy (chẳng hạn như tốc độ giải phóng nhiệt, thời điểm bắt đầu đốt cháy, giai đoạn đốt cháy) thường được tính toán từ dữ liệu áp suất trong xi lanh đo được. Để đo áp suất trong xi lanh, cảm biến áp suất áp điện thường được gắn ở đầu xi lanh động cơ. Để xác định vị trí trục khuỷu, bộ mã hóa góc quay thường được lắp trên trục khuỷu. Một hệ thống thu thập dữ liệu tốc độ cao được sử dụng để ghi lại tín hiệu áp suất trong xi lanh trực tuyến. Phát thải khí và hạt được đo bằng máy phân tích phát thải khí và hạt. Thiết lập thử nghiệm điển hình được sử dụng để phân tích các đặc tính hiệu suất, q trình đốt cháy và khí thải được thể hiện trong Hình 2.

Hiệu suất và các đặc tính đốt cháy được tính tốn bằng cách sử dụng các phương trình sau từ (1)

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

Hình 2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm điển hình để xác định các đặc tính cháy và khí xả

BTE (%) = BP ×3600 ×100m´

f× ´L H Vf (1)

trong đó ‘m´f’, ‘´L H Vf’ và ‘BP’ lần lượt là lưu lượng khối lượng của nhiên liệu, năng suất tỏa nhiệt ròng của nhiên liệu và lực hãm. Lực hãm được xác định bằng cách sử dụng phương trình (2)

BP (kW) = 2× π × N ×W × R60 ×1000 (2)

trong đó 'N', 'W' và 'R' lần lượt là số vòng quay trên một phút của động cơ, tải trọng của động cơ và chiều dài cánh tay của lực kế.

Mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể của phanh được xác định bởi phương trình (3)

dθ ', 'γ', 'P(θ)' và 'V (θ)' lần lượt biểu thị ROHR, tỷ lệ nhiệt dung riêng, áp suất trong xi lanh và thể tích dưới dạng hàm của vị trí tay quay.

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

trong đó 'B', 'L', 'R' và 'Vc' tương ứng đại diện cho lỗ khoan của xi lanh, chiều dài thanh truyền, bán kính trục khuỷu và thể tích buồng đốt.

Tổng nhiệt giải phóng trong chu kỳ có thể được ước tính bằng cách tích hợp đường cong tỉ số giải phóng nhiệt. Các thơng số giai đoạn đốt cháy khác nhau (chẳng hạn như bắt đầu đốt cháy (SOC), CA50 và thời gian đốt cháy) được xác định từ phân tích giải phóng nhiệt. SOC thường được định nghĩa là vị trí của góc quay nơi xảy ra 10% tổng lượng nhiệt giải phóng. Thời gian đốt cháy thường được định nghĩa là sự khác biệt của vị trí góc quay giữa 90 và 10% tổng lượng nhiệt tỏa ra.

3 Đặc điểm động cơ Diesel sử dụng hỗn hợp butanol

Phần này trình bày các đặc tính hiệu suất, q trình đốt cháy và phát thải của động cơ diesel được cung cấp nhiên liệu bằng hỗn hợp diesel và butanol nguyên chất. Phần này được chia thành hai tiểu mục. Trong tiểu mục đầu tiên, hiệu suất và các đặc tính đốt cháy được thảo luận. Trong tiểu mục thứ hai, các đặc tính phát thải (khí cũng như các hạt bồ hóng) của động cơ diesel chạy bằng hỗn hợp butanol sẽ được thảo luận.

3.1 Hiệu suất và đặc tính đốt cháy

Hiệu suất và đặc tính đốt cháy của động cơ diesel thơng thường phụ thuộc vào một số thông số như thời điểm phun (như thời điểm phun nhiên liệu, áp suất phun, số lần phun), tính chất vật lý và hóa học của nhiên liệu, điều kiện xung quanh (như nhiệt độ và độ ẩm khơng khí). Việc bổ sung bất kỳ nhiên liệu sinh học nào vào động cơ diesel đều có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính cháy của động cơ. Các đặc tính đốt cháy thường được giải thích với sự trợ giúp của đường cong tỉ số giải phóng nhiệt (ROHR) được ước tính từ dữ liệu áp suất trong xi lanh đo được. Một nghiên cứu đã điều tra ảnh hưởng của việc bổ sung butanol đối với các đặc tính giải phóng nhiệt của động cơ CI chạy bằng hỗn hợp n-butanol/diesel [26]. Hình 3 minh họa tác động của việc bổ sung butanol (nghĩa là bổ sung 16% butanol trong dầu diesel nguyên chất) đối với áp suất xi lanh và tốc độ giải phóng nhiệt tổng ở các điều kiện tải động cơ thấp (20%), trung bình (40%) và cao hơn (60%).

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

Hình 3 Ảnh hưởng của việc bổ sung butanol lên áp suất xi lanh; b tốc độ giải phóng nhiệt ở các điều kiện tải khác

nhau của động cơ [26]

Hình 3 cho thấy rằng với sự gia tăng tải của động cơ, áp suất cực đại trong xi lanh và ROHR tăng đối với cả hai loại nhiên liệu (dầu diesel nguyên chất và hỗn hợp butanol/diesel). Khi động cơ hoạt động ở mức tải cao hơn, lượng nhiên liệu được phun vào và đốt cháy trong xi lanh tương đối cao hơn, dẫn đến tăng áp suất cực đại và giải phóng nhiệt. Ngồi ra, áp suất cực đại trong xi lanh và tốc độ giải phóng nhiệt thấp hơn một chút với hỗn hợp butanol/diesel so với hoạt động của động cơ diesel gọn gàng (Hình 3). Đó là do q trình đốt cháy bị trì hỗn do hỗn hợp dầu diesel butanol có thời gian đánh lửa chậm hơn. Thời gian trễ đánh lửa lâu hơn với hỗn hợp butanol được quan sát thấy do chỉ số cetan của butanol tương đối thấp hơn [26]. Ảnh hưởng của việc thay đổi tỷ lệ butanol trong nhiên liệu diesel đến đặc tính cháy của động cơ CI thông thường cũng được nghiên cứu [17]. Kết quả cho thấy khi tăng tỷ lệ butanol trong nhiên liệu (từ 10 đến 20% butanol trong hỗn hợp), áp suất cực đại và ROHR tăng. Nó cũng được cho là do thời gian trễ đánh lửa lâu hơn cùng với sự gia tăng tỷ lệ phần trăm butanol, dẫn đến lượng hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí được đốt cháy nhiều hơn trong giai đoạn đốt cháy hỗn hợp.

Hình 4 Ảnh hưởng của EGR đến áp suất xi lanh

và tỷ lệ giải phóng nhiệt đối với nhiên liệu hỗn hợp 40% butanol-/diesel trong động cơ

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

Hình 5 Sự thay đổi về SOC và thời gian đốt cháy

(CD) với sự vận hành của động cơ đối với hỗn hợp dầu diesel và butanol/diesel nguyên chất.

Chuyển thể từ [17]

Hình 4 cho thấy ảnh hưởng của tốc độ tuần hồn khí thải (EGR) đối với áp suất trong xi lanh và ROHR đối với hỗn hợp 40% butanol/diesel. Hình mơ tả rằng đỉnh của áp suất trong xi lanh giảm khi tỷ lệ EGR tăng và ROHR cũng có xu hướng tương tự. Đỉnh của ROHR trước tiên tăng khi tỷ lệ EGR tăng (đối với 31 và 40%), và sự gia tăng hơn nữa của EGR làm giảm nhanh chóng ROHR (đối với tỷ lệ EGR 44,3%). Khi tốc độ EGR tăng lên, giai đoạn đốt cháy bị chậm lại do thời gian đánh lửa trễ lâu hơn nên nhiều phần điện tích sẽ bị đốt cháy hơn trong giai đoạn đốt cháy hỗn hợp và do đó dẫn đến ROHR đỉnh cao hơn (trong trường hợp tỷ lệ EGR là 31 và 40%). Với tốc độ EGR càng tăng, độ trễ đánh lửa càng tăng và điện tích có thể bị đốt cháy trong quá trình giãn nở, dẫn đến ROHR đỉnh thấp hơn (chủ yếu là do hiệu ứng làm mát giãn nở của việc giãn nở thể tích xi lanh) [28].

Hình 5 thể hiện ảnh hưởng của việc bổ sung butanol vào nhiên liệu diesel khi bắt đầu quá trình đốt cháy (SOC) và thời gian cháy (CD) ở các điều kiện tải khác nhau của động cơ. Hình 5 cho thấy quá trình bắt đầu đốt cháy tăng lên khi tải động cơ tăng lên. Với sự gia tăng tải của động cơ, nhiệt độ đốt cháy trung bình tăng lên, dẫn đến thời điểm đánh lửa sớm hơn. Hình cho thấy rằng với việc bổ sung 10% butanol trong nhiên liệu pha trộn, SOC sẽ tiến bộ. Tuy nhiên, trong trường hợp có 20 và 30% butanol trong nhiên liệu pha trộn, SOC bị trì hỗn quan sát thấy ở mọi điều kiện tải của động cơ. Có thể là do nhiệt hóa hơi cao hơn của nhiên liệu pha trộn 20% và 30% butanol-/diesel so với nhiên liệu pha trộn 10% butanol-/diesel. Ngoài ra, với 30% nhiên liệu hỗn hợp butanol-/diesel ở điều kiện tải động cơ lớn hơn 50%, SOC bị chậm được quan sát thấy so với hoạt động của nhiên liệu diesel gọn gàng. Có thể là do nhiệt hóa hơi cao hơn và chỉ số cetane thấp hơn của nhiên liệu hỗn hợp 30% butanol-/diesel so với dầu diesel nguyên chất.

Hình 5 cũng cho thấy ảnh hưởng của hỗn hợp butanol đến thời gian cháy ở các điều kiện tải khác nhau của động cơ. Hình vẽ chỉ ra rằng với sự gia tăng tải hoạt động của động cơ, CD tăng và nó giảm khi tỷ lệ phần trăm butanol tăng đối với tất cả các điều kiện tải của động cơ. Thời gian đốt

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

cháy ngắn hơn được quan sát thấy với sự gia tăng tỷ lệ phần trăm butanol trong nhiên liệu pha trộn, điều này cho thấy tốc độ đốt cháy cao hơn trong trường hợp nhiên liệu pha trộn so với hoạt động của động cơ diesel nguyên chất. Có thể là do hàm lượng oxy cao hơn trong nhiên liệu được pha trộn. Tốc độ trộn nhiên liệu-khơng khí chiếm ưu thế trong q trình đốt cháy trong giai đoạn cháy khuếch tán [18]. Do đó, quá trình đốt cháy hàm lượng oxy cao hơn trong nhiên liệu được pha trộn dẫn đến giảm thời gian cháy.

Tác động của EGR đối với tốc độ tăng áp suất cực đại (PPRR), độ trễ đánh lửa và thời gian cháy đối với dầu diesel nguyên chất và hỗn hợp 40% butanol/diesel được trình bày trong Hình 6. Thời gian trễ đánh lửa được định nghĩa là khoảng thời gian (về góc quay) giữa thời điểm phun nhiên liệu và góc quan sát được phần đốt cháy 5% khối lượng [27]. Thời gian đốt cháy được định nghĩa là khoảng thời gian giữa phần bị đốt cháy 90% khối lượng và phần bị đốt cháy 5% khối lượng [27]. Hình 6 mơ tả rằng PPRR tăng khi tỷ lệ EGR tăng (có thể thấy tỷ lệ EGR là 30%) đối với cả hai loại nhiên liệu (nghĩa là hỗn hợp dầu diesel và butanol nguyên chất). Trong trường hợp vận hành hỗn hợp butanol, PPRR tăng khi tỷ lệ EGR tăng lên đến 30%. Với việc tăng thêm tỷ lệ EGR dẫn đến PPRR giảm mạnh. Hình cho thấy giá trị ngưỡng của tỷ lệ EGR (sau đó PPRR bắt đầu giảm) đối với hỗn hợp butanol thấp hơn so với dầu diesel nguyên chất. Nó quy cho số cetane thấp hơn và nhiệt độ bay hơi cao hơn của hỗn hợp butanol, dẫn đến sự suy giảm quá trình đốt cháy và dẫn đến PPRR thấp hơn.

Hình 6 cũng chỉ ra rằng với sự gia tăng tỷ lệ EGR, độ trễ đánh lửa và thời gian cháy tăng lên. Tăng tỷ lệ EGR dẫn đến giảm nhiệt độ đốt cháy trung bình do tác động kết hợp của nhiệt, pha lỗng và hiệu ứng hóa học của việc bổ sung EGR. Ngoài ra, việc tăng tốc độ EGR dẫn đến thời gian trễ đánh lửa lâu hơn và do đó, nhiều phần điện tích sẽ bị đốt cháy hơn trong giai đoạn đốt cháy hỗn hợp. Do đó, nó cũng có thể làm tăng PPRR như trong Hình 6 (lên đến 30%). Tốc độ EGR tăng thêm dẫn đến thời gian trễ dài hơn (Hình 6) và một phần điện tích nhỏ hơn sẽ bị đốt cháy trong hành trình mở rộng dẫn đến PPRR thấp hơn.

Hình 6 Các biến thể của tốc độ tăng áp suất cực đại, độ trễ

đánh lửa và thời gian cháy với EGR đối với nhiên liệu

</div>Trang 36<div class="page_container" data-page="36">

Độ ổn định của quá trình cháy là một vấn đề quan trọng, cần được quan tâm khi sử dụng nhiên liệu mới. Độ ổn định của quá trình đốt cháy thường được đặc trưng bởi các biến thể giữa các chu kỳ. Để khảo sát sự biến thiên tuần hoàn trong các chu trình cháy của động cơ, người ta sử dụng các kỹ thuật thống kê (điển hình là hệ số biến thiên) [29]. Các biến thể theo chu kỳ thường được đặc trưng bằng cách đánh giá các biến thể trong áp suất hiệu quả trung bình được chỉ định (IMEP). Hình 7 cho thấy ảnh hưởng của việc bổ sung butanol trong nhiên liệu diesel đến hệ số biến thiên IMEP của 2000 chu kỳ động cơ liên tiếp. Hình mơ tả rằng ở mức tải vận hành của động cơ thấp hơn, các biến thiên theo chu kỳ là cực đại và các biến thiên theo chu kỳ giảm khi tải làm việc của động cơ tăng lên. Ở điều kiện tải thấp hơn, lượng nhiên liệu bị đốt cháy ít hơn, dẫn đến q trình đốt cháy trung bình và nhiệt độ khí cặn thấp hơn, gây ra sự thay đổi theo chu kỳ cao hơn.

Hình 7 cũng cho thấy rằng đối với tải động cơ lớn hơn 50% tải đầy đủ, các biến thể theo chu kỳ trong IMEP thấp hơn khi bổ sung butanol lên đến 25% trong nhiên liệu diesel. Việc tăng thêm butanol dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ các biến thể theo chu kỳ của IMEP. Người ta đã quan sát thấy rằng việc bổ sung butanol trong nhiên liệu diesel bị hạn chế bởi các biến đổi theo chu kỳ. Đến một giới hạn nhất định, việc bổ sung butanol làm giảm sự thay đổi của chu kỳ đốt cháy và việc tăng thêm phần butanol làm tăng sự biến đổi của chu kỳ trong quá trình đốt cháy. Như đã thảo luận, việc tăng tỷ lệ phần trăm butanol trong hỗn hợp nhiên liệu sẽ làm chậm quá trình đốt cháy. Giai đoạn đốt cháy chậm dẫn đến các biến thể theo chu kỳ cao hơn do độ nhạy cao hơn của các phản ứng với nhiệt độ đốt cháy. Độ nhạy nhiệt độ tăng ở giai đoạn đốt cháy chậm.

Hiệu suất nhiệt của phanh là một thông số quan trọng được sử dụng để đánh giá hiệu suất của động cơ ở một loại nhiên liệu cụ thể. Tác động của việc bổ sung butanol trong nhiên liệu diesel đến hiệu suất nhiệt phanh (BTE) và mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể của phanh (BSFC) ở các điều kiện tải động cơ khác nhau (tức là 1,40, 2,57 và 5,37 bar áp suất hiệu dụng trung bình) được nghiên cứu [25] . Kết quả cho thấy BTE tăng khi tải động cơ tăng. BTE tăng nhẹ khi tăng phần butanol trong

Hình 7 Ảnh hưởng của việc bổ sung butanol đến COV

trong IMEP ở các điều kiện tải khác nhau của động cơ ở

</div>Trang 37<div class="page_container" data-page="37">

nhiên liệu pha trộn. Mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể của phanh (BSFC) giảm khi tải động cơ tăng đối với tất cả các hỗn hợp nhiên liệu thử nghiệm. BSFC tương đối cao hơn đã được quan sát thấy đối với hỗn hợp butanol/diesel do nhiệt trị của butanol thấp hơn so với nhiên liệu diesel. Nhiệt trị thấp hơn của butanol so với dầu diesel dẫn đến việc đốt cháy lượng nhiên liệu tương đối cao hơn cho cùng một sản lượng điện.

Một nghiên cứu khác đã điều tra ảnh hưởng của việc bổ sung 10, 20 và 30% butanol vào nhiên liệu diesel đối với hiệu suất của động cơ diesel tĩnh tại 25, 50 và 100% tải của động cơ [30]. Kết quả cho thấy BTE giảm nhẹ với hỗn hợp butanol/diesel 10 và 20% so với vận hành bằng nhiên liệu diesel nguyên chất cho tất cả các tải của động cơ thử nghiệm (Hình 8a). Butanol có nhiệt trị thấp hơn (giá trị gia nhiệt) so với nhiên liệu diesel (Bảng 1). Do đó, cần phải bơm phần hỗn hợp butanol/ diesel cao hơn cho cùng một điều kiện tải của động cơ. Ngoài ra, động cơ thử nghiệm được kết hợp với hệ thống phun nhiên liệu cơ khí và áp suất phun nhiên liệu không đổi nên thời gian phun nhiên liệu sẽ lớn hơn để phun lượng nhiên liệu tương đối lớn hơn. Giai đoạn đốt cháy có thể khác nhau đối với nhiên liệu diesel nguyên chất và hỗn hợp butanol/diesel để có thời điểm phun nhiên liệu khơng đổi. Một yếu tố chính khác là số cetan của nhiên liệu hỗn hợp butanol-/diesel, dẫn đến các giai đoạn đốt cháy khác nhau. Giai đoạn đốt cháy ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu của động cơ. Kết quả cũng chỉ ra rằng ở mức tải động cơ 25 và 50%, BTE tăng nhẹ khi tăng tỷ lệ butanol. Nguyên nhân là do hàm lượng oxy cao hơn trong hỗn hợp butanol/diesel, giúp tăng cường q trình đốt cháy [19]. Ngồi ra, ở mức tải vận hành của động cơ là 25 và 50%, BTE cao nhất thu được với hỗn hợp 30% butanol/diesel (Hình 8a). Có thể là do độ trễ đánh lửa lâu hơn khi vận hành hỗn hợp 30% butanol/diesel, dẫn đến nhiều phần điện tích hơn có thể được đốt cháy trong giai đoạn đốt cháy hỗn hợp. Nhiều phần điện tích bị đốt cháy hơn trong giai đoạn đốt cháy hỗn hợp dẫn đến BTE cao hơn [20]. Với việc tăng tải động cơ, áp suất trong xi lanh và nhiệt độ tăng, dẫn đến thời gian trễ đánh lửa ngắn hơn, do đó BTE thấp hơn quan sát được với hỗn hợp 30% butanol/diesel ở điều kiện tải động cơ 100%. Hình 8b chỉ ra rằng khi tải động cơ tăng, BSFC giảm và BSFC cao hơn thu được đối với hỗn hợp butanol/diesel. Hiệu suất nhiệt của phanh và mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể của phanh có mối quan hệ nghịch đảo và xu hướng nghịch đảo cũng được quan sát thấy trong Hình 8.

</div>Trang 38<div class="page_container" data-page="38">

Hình 8. Ảnh hưởng của việc bổ sung butanol đến hiệu suất nhiệt của phanh a và mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể của

phanh b ở các điều kiện tải khác nhau của động cơ. Chuyển thể từ [30]

3.2 Đặc điểm phát thải khí và hạt

Phần này trình bày các đặc tính phát thải khí và muội than của động cơ diesel chạy bằng hỗn hợp butanol. Hình 9 cho thấy các đặc tính phát thải khí của động cơ diesel được cung cấp nhiên liệu bằng hỗn hợp diesel và butanol/diesel nguyên chất ở các điều kiện tải khác nhau của động cơ (nghĩa là áp suất hiệu dụng trung bình ở mức 1,40, 2,57 và 5,37 bar). Ảnh hưởng của việc bổ sung butanol trong nhiên liệu diesel đối với lượng phát thải NOx ở các mức tải hoạt động khác nhau của

</div>