Báo cáo khoa học: "điều khiển quá trình cháy trong động cơ phun xăng điện tử" ppt

điều khiển quá trình cháy
trong động cơ phun xăng điện tử



TS. Nguyễn Duy tiến
Bộ môn Động cơ đốt trong - ĐH GTVT
Tóm tắt: Bi báo trình by cơ sở lý thuyết để nghiên cứu sử dụng v điều chỉnh động cơ
ô tô đạt hiệu quả cao nhất, lựa chọn nhiên liệu thích hợp cho động cơ ô tô sử dụng ở Việt Nam
v giới thiệu kết quả nghiên cứu cải tiến động cơ phun xăng điện tử thế hệ mới của Nhật Bản.
Summary: The electronic fuel injection (EFI), multiple point injection MPI, gasoline direct
injection (GDI) engine has been developed by employging stratified charge, ultra lean
combustion technology based on unique engine techniques in the field of cylinder motion and
combustion control.
Not only extreme improvement of fuel economy was achieved by ultra lean combustion,
but also high power was attained by preparing homogeneous mixture of high load operation.

1. Đặt vấn đề
Các chỉ tiêu công suất và kinh tế của
động cơ đốt trong thay đổi theo áp suất, nhiệt
độ và độ ẩm của không khí môi trờng xunh
quanh. Động cơ đốt trong làm việc ở điều kiện
môi trờng Việt Nam có độ ẩm cao thì công
suất giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng và
tăng thành phần khí xả độc hại. Đối với động
cơ xăng nguyên nhân chủ yếu làm giảm lợng
nạp hỗn hợp là nhiệt độ cao. Ngoài ra còn phụ
thuộc vào hệ thống cấp dẫn nhiên liệu (các-
bua-ra-tơ, hệ thống phun xăng điện tử)
Mặt khác nhiệt độ và độ ẩm cao của
không khí nạp cũng gây ảnh hởng rất nhiều

tới chất lợng nạp hỗn hợp và quá trình đốt
cháy chúng.
Tác giả đã khảo sát các ảnh hởng kể
trên thông qua kết quả nghiên cứu về tạo hỗn
hợp và nhiệt động lực học của quá trình cháy
trong động cơ ôtô mẫu hút không khí nạp từ
buồng ẩm nhân tạo có xét tới ảnh hởng của
khí hậu cho phép rút ra những kết luận có tính
nguyên tắc cho việc tiến hành, nghiên cứu
khảo sát các động cơ đời mới đợc lắp ráp
trên các loại ôtô nhập vào Việt Nam. Đồng
thời đa ra đợc các giải pháp kỹ thuật nhằm
khai thác và bảo dỡng chúng một cách hợp
lý.
Các loại ôtô đời mới khai thác ở Việt
Nam, với nhiệt độ và độ ẩm cao sẽ làm thay
đổi động lực học của quá trình cháy, quy luật
toả nhiệt xảy ra trong động cơ. Kéo theo hàng
loạt chỉ tiêu tối u khác thay đổi nh: Hệ số d
không khí , góc đánh lửa sớm , chỉ tiêu
cháy Vê-be.
Vì vậy các động cơ ôtô đời mới sử dụng ở
Việt Nam cần thoả mãn các yêu cầu sau:
1. Giảm mức tiêu hao nhiên liệu
2. Đảm bảo công suất thiết kế
3. Giảm ô nhiễm môi trờng do khí thải
gây ra

4. Kéo dài thời gian sử dụng, hạn chế
hao mòn chi tiết.

Các chuyên gia ngành động cơ nói riêng
và ngành ôtô nói chung trớc mắt cần tập
trung nghiên cứu giải quyết hai hớng chính
sau:
1. Nghiên cứu sử dụng và điều chỉnh máy
đạt hiệu quả cao nhất.
2. Lựa chọn nhiên liệu thích hợp (sử dụng
xăng không chì, xăng có pha mêtanol,
autogas).
Dới đây trình bày cơ sở lý thuyết để giải
quyết hai hớng nghiên cứu kể trên nhằm sử
dụng động cơ đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật
cao nhất.
II. Điều khiển quá trình cháy khi sử
dụng phun xăng điện tử (Elec-
tronic fuel injection EFI)
Sự cháy trong động cơ là một hiện tợng
hết sức phức tạp xảy ra trong khoảnh khắc với
không gian nhỏ bị xáo trộn dữ dội và thay đổi
liên tục với hỗn hợp có thành phần hoá học,
áp suất, nhiệt độ khác nhau.
Các nhân tố trên không ngừng tác động
tới quá trình cháy. Cụ thể là làm tăng tốc độ
phân nhánh, bẻ gãy các phản ứng dây chuyền,
các hợp chất cac-bua-hyđrô của nhiên liệu với
ôxy trong không khí. Đồng thời hiện tợng phân
ly và tái hợp sản phẩm cháy luôn xảy ra.
Nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ
hết sức khó khăn, đến nay chủ yếu vẫn là
nghiên cứu thực nghiệm.

Nh các nghiên cứu đã chỉ rõ quá trình
cháy xảy ra trong động cơ phải thoả mãn biểu
thức sau:

mindtCVV
t
0
1k
1k
1
0
=



(1)
Dựa vào lý thuyết phản ứng dây truyền
và kết quả nghiên cứu của giáo s Vi-be đã
tìm ra một phơng trình gần đúng biểu thị
lợng nhiên liệu đợc đốt cháy trong xy-lanh
theo góc quay trục khuỷu.
X = 1 -
1m
z
.908,6
e
+

(2)
Chỉ tiêu m đặc trng cho sự phát triển
của quá trình cháy theo thời gian t hoặc theo
góc quay trục khuỷu . Trị số m =1,5 ứng với
quá trình cháy trong động cơ một cách có lợi
nhất. Điều này có thể đạt đợc khi phối hợp
khéo léo các nhân tố cấu trúc nh góc đánh
lửa sớm , thành phần hỗn hợp , loại nhiên
liệu và đặc tính của nhiên liệu.
Thực nghiệm chứng tỏ rằng quá trình
cháy xảy ra có lợi nhất khi pha cháy cơ bản
(giai đoạn 2 của quá trình cháy trong động cơ
xăng) phân bố đối xứng qua điểm chết trên
(ĐCT). Kết luận này cho phép điều khiển quá
trình cháy trở nên đơn giản hơn bằng cách
điều chỉnh các-bua-ra-tơ hoặc đặt lại chơng
trình phun cho hệ thống phun xăng điện tử.
Dựa vào đồ thị khai triển (nhờ máy dao
động ký đặc biệt trong phòng thí nghiệm động
cơ).
Khi pha cơ bản của quá trình cháy phân
bố đối xứng qua ĐCT các yếu tố lý hoá, khả

năng toả nhiệt và truyền nhiệt trong buồng
cháy đảm bảo cho các phản ứng dây truyền
đạt trị số tốc độ thích hợp.
Để điều chỉnh thành phần hỗn hợp khí-
nhiên liệu theo điều kiện khí hậu môi trờng
Việt nam, cần xác định cụ thể hệ số tối u
cho mỗi loại động cơ, trong những trờng hợp
đặc biệt có thể bố trí thêm bộ phận tự động
làm thay đổi lợng nhiên liệu qua Rich-lơ
chính của các-bua-ra-tơ, hoặc bộ phận cấp
không khí của hệ thống EFI. Để bù đắp lợng
không khí nạp vào xy-lanh bị giảm sút khi áp
suất môi trờng thấp và nhiệt độ tăng. Hiệu
quả của quá trình cháy trên đợc mô tả qua
đồ thị:

0
20
40
2000 4000
n
e (v/p)
g
e
ne (ml)
80
60
n
e
0

2
4
t
6
CO %
a) b)
Hình 1. Hiệu quả của bộ điều chỉnh tự động theo nhiệt độ môi trờng:
a) Đặc tính ngoi của động cơ khi có v không có bộ phận tự động điều chỉnh theo nhiệt độ khí hậu;
b) Thnh phần CO trong khí xả của động cơ khi có
v không có bộ phận tự động điều chỉnh theo nhiệt độ khí hậu.
Độ ẩm của không khí nạp vào mùa xuân
làm kéo dài thời kỳ cháy trễ
1
,i và thời gian
cháy nói chung. Cùng với sự tăng độ ẩm thì
đồ thị chỉ thị của động cơ bị dịch chuyển và
biến đổi, pha cơ bản
2
bị lệch khỏi vị trí đối
xứng qua ĐCT, trị số áp suất cao nhất P
zmax

và nhiệt độ T
zmax
của chu trình giảm, đồng thời
vị trí của chúng càng rời xa ĐCT. Quá trình
cháy kéo dài trên đờng dãn nở, nồng độ CO
và C
n
H

m
trong khí xả tăng nhanh. Những thay
đổi nh thế làm quá trình cháy rời khỏi vị trí tối
u tức là công thức (1) bị sai lệch không đúng
nữa, trị số m lớn, lúc này cần tăng góc đánh
lửa sớm .
0
-20 -10 10020
1
2
Thực nghiệm của tác giả đã chứng minh
rằng: Khi tăng 10% độ ẩm, tăng 1
o
góc quay
trục khuỷu. Đồ thị P - trên hình 2 chứng
minh điều đó.
- Khi = 100%, t = 40
0
C động cơ làm
việc toàn tải với số vòng quay n
e
= 2000 v/p.
- Khi số vòng quay động cơ thấp, độ ẩm
làm giảm tốc độ lan tràn màng lửa.
P

Hình 2. Tác động của góc

tới quá trình cháy.
U
ch
= U
x
V
VV
2

















1
T

T
1
2
(3)
U
x
=
1
T
T
V
VV
U
1k
1
1
2z
th
+

(4)
U
ch
- tốc độ di chuyển màng lửa về phía
trớc;

U
x
- tốc độ xoáy lốc của màng lửa;
U
th
= U
ch
+ U
x
- tốc độ lan tràn của màng
lửa có thể thấy đợc;
(Các phơng án trên xác định bằng
phơng pháp chụp ảnh quá trình cháy hoặc
bằng phơng pháp Ion hoá).

V
z
- thể tích tức thời buồng cháy;
V - thể tích phần đã cháy;
T
1
- nhiệt độ phần trớc màng lửa;
T
2
- nhiệt độ trung bình của vùng cháy.
- hệ số kể đến sự truyền nhiệt trong
buồng cháy ( <1).
Để giảm ảnh hởng của độ ẩm tới tốc độ
cháy cần chú ý dạng buồng cháy lý tởng,
tăng cờng xoáy lốc một cách thích hợp, nâng
cao tốc độ chuyển động trung bình của pittông
cũng nh chọn vị trí đặt nến điện hợp lý trong
buồng cháy. Cần rút ngắn khoảng cách từ bu-
gi tới điểm xa nhất của buồng cháy để giảm
bớt hiện tợng tắt sớm của ngọn lửa trong
vùng có nhiệt độ thấp hơn gần thành xy-lanh.
Mặt khác, độ ẩm tăng làm giảm xu hớng
cháy kích nổ nên cho phép dùng xăng có trị
số ôc-tan thấp. Điều này rất có ý nghĩa vì
nhiên liệu rẻ hơn, không phải pha thêm chất
phụ gia chống kích nổ, giảm ô nhiễm môi
trờng do khói xả của động cơ ôtô.
Vì vậy trong điều kiện Việt nam cũng cần
phải xem xét và xác định các loại xăng có trị
số ốc-tan thích hợp theo môi trờng sử dụng

(nhiệt độ và độ ẩm).
III. Sử dụng loại xăng phù hợp
Hiện nay nớc ta đã thay thế xăng không
chì. Nhng khi sử dụng ta cũng cần xem xét
một số yếu tố sau:
- Cần phải chống ẩm cho các loại nhiên
liệu vì lợng nớc có thể hoà tan vào trong
xăng tỷ lệ thuận với độ ẩm tơng đối của
không khí môi trờng: C = C
max
%.
- Nếu nhiệt độ của nhiên liệu và không
khí không khác nhau mấy thì lợng nớc có
trong xăng bằng lợng nớc có trong không
khí.
- Trong điều kiện độ ẩm cao có thể dùng
nhiên liệu có chứa oxy nh hỗn hợp xăng với
êtanol, mêtanol sẽ có tác dụng tăng công suất
động cơ.
Gần đây, ở Mỹ đã dùng thiết bị phân tích
hyđrô từ nớc để trộn thêm vào không khí.
Nhiên liệu cháy tốt làm tăng công suất, giảm
CO và C
n
H
m
. Phơng pháp Ion hoá khí bằng
trộn , rồi đa thêm vào ống nạp cũng mang
lại kết quả tốt.
IV. Giải quyết theo hớng cải tiến

kết cấu của động cơ
Vào những năm cuối của thế kỷ XX, hãng
ôtô Mitsubishi (Nhật Bản) đã đa vào sản xuất
động cơ phun xăng điện tử trực tiếp (GDI
Gasoline Direct injection) lắp trên các thế hệ
xe con của hãng vào những năm 1998-2000.
Đặc điểm của động cơ này là tính kinh tế rất
cao, hỗn hợp có thể đợc đốt cháy với tỷ lệ
không khí - nhiên liệu rất nhạt (A/F = 30 - 40,
trong khi đối với các động cơ cac-bua-ra-tơ
thông thờng A/F = 15 - 16).
Đặc điểm về cải tiến kết cấu của động cơ
phun xăng trực tiếp của hãng Mitsubishi là:
- Đờng ống nạp đợc bố trí thẳng đứng
để tối u hoá dòng khí vận động trong xilanh
động cơ.
- Tạo dạng lõm trên đỉnh pittông để tối u
hoá quá trình chuyển động lớt của chùm
nhiên liệu khi phun vào cuối kỳ nén (trong các
động cơ xăng khác đỉnh pittông thờng là đỉnh
bằng).

10 15 20 325 35 40
0
0
35%

15
15
4000

0
2000
e

(kg.m)
2
6000
8000 v/p
m
- Sử dụng bơm xăng có áp suất cao để
cung cấp xăng qua vòi phun vào buồng cháy.
- Sử dụng vòi phun có kim phun hình chốt
kiểu xoáy và phun với áp suất cao.
10%
1
N e (ml)
2 mpi
1 gdi
10%
Vì vậy dòng không khí vào xi-lanh sẽ
chuyển động thẳng đứng từ xupáp nạp đến
phần lõm trên đỉnh pittông, kéo chùm trả
nhiên liệu vận động xoáy lốc khi ra khỏi vòi
phun chuyển động khắp trong buồng máy của
động cơ. Mặt khác động cơ phun xăng trực
tiếp GDI còn có thể điều khiển đợc thời điểm
phun nhiên liệu ở hai chế độ mô men và công
suất.
ở chế độ mô men (có tính kinh tế cao)
nhiên liệu đợc phun ở cuối kì nén với = 40

0

trớc ĐCT với một lợng ít nhiên liệu có tỷ lệ
A/F = 14,7.
Kết quả đạt đợc
1. Về tính kinh tế nhiên liệu:
Do phun nhiên liệu đợc điều khiển vào
cuối kì nén nên tính kinh tế rất cao so với các
động cơ cùng loại sử dụng phun xăng điện tử
(MPI) thì lợng nhiên liệu giảm 35%.
g
e
, g/mlgiờ







Hình 3. So sánh tính kinh tế nhiên liệu
của động cơ GDI v MPI
2. Về đặc tính công suất v mô men
ở mọi chế độ tốc độ, giá trị công suất và
mô men của động cơ GDI với = 12 lớn hơn
10% so với công suất và mô men của động cơ
MPI với =10,5.

Hình 4. So sánh công suất v mô men giữa
động cơ MPI v GDI
3. Về ô nhiễm môi trờng
Do kết hợp hai yếu tố là nâng cao hiệu
quả cháy ở những chế độ hỗn hợp nhạt với tỷ
số A/F cao và động cơ đợc trang bị thêm bộ
lọc 3 lớp để hấp thụ NO
x
thải ra môi trờng
giảm đáng kể khoảng 9,7%.
V. Kết luận
Động cơ phun xăng điện tử EFI gồm MPI
và GDI sử dụng rất nhiều các thành tựu kỹ
thuật điện tử, vi điện tử và điều khiển điện tử
là xu hớng tất yếu của nghành chế tạo ôtô
thế giới vì chúng có thể điều khiển đợc tối u
hoá các quá trình cháy phù hợp với các chế
độ làm việc của động cơ do đó đáp ứng đợc
tính kinh tế cao và không gây ô nhiễm môi
trờng.
Tài liệu tham khảo
[1]. Internal Combustion Engine Khovak 1990
[2]. Contruction and Dising of Motor Vehicle
Engines.
[3]. Mixture Formation in spark Ignition Engines.

Development of Gasoline Infictine (GDI)
Engine. Okazaki Aichi Tokyo 1998 Ă