Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại

ĐỀ TÀI

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

Giáo viên hướng dẫn

:

Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Văn Hùng & Cao Xuân Triệu

1


MỤC LỤC
MỤC LỤC......................................................................................................................... 2
v. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................................8
vi. Các nội dung chính trong đồ án ................................................................................8
Chương I: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH
HỖN HỢP TRÊN ĐỘNG CƠ.........................................................................................9
1.1. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY........................9
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY........................................9

Chương II: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY
TRÊN ĐỘNG CƠ...........................................................................................................21
2.1. SỰ HÌNH THÀNH HỖN HỢP (HÒA KHÍ) TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG....................................21
2.2. HÌNH THÀNH HÒA KHÍ TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG.....................................................................22
2.3. HÌNH THÀNH HỖN HỢP TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL..................................................................26

Chương III: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY
TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG HIỆN ĐẠI...........................................................................31
3.1. HỆ THỐNG PHUN XĂNG........................................................................................................31
3.2. HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ GIÁN TIẾP EFI.....................................................................31
3.3. HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI.................................................................................43

Chương IV: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY
TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL...........................................................................................59
4.1. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DIESEL- HỆ THỐNG CDI.......................................................................59

Chương V: HÌNH THÀNH HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT VÀ CHÁY DO NÉN (HCCI)
......................................................................................................................................... 84
5.1. GIỚI THIỆU............................................................................................................................ 84
5.2. PHÁT THẢI ĐỘC HẠI TỪ CHẾ HCCI..........................................................................................85
5.3. NHỮNG TRỞ NGẠI CƠ BẢN ĐỐI VỚI HCCI..............................................................................87
5.4. CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG VÀ THÔNG SỐ ĐIỀU KHIỂN CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY HCCI............89
5.5. ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHUYỂN TIẾP...................................................................................91
5.6. ỨNG DỤNG CỦA CHẾ ĐỘ HCCI TRÊN ĐỘNG ...........................................................................93

2


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
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 không khí / nhiên liệu (Air / Fuel ratio)

EDU

Bộ điều khiển (Electronic Driver Unit)

ε
ECM
φs

Tỷ số nén
Bộ điều khiển động cơ (Electronic control module)
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)

ge

Suất tiêu thụ nhiên liệu

TCA

Hệ thống phân tích quá trình cháy

LIF

Laser cảm ứng huỳnh quang (Laser Induced Fluorescence)

λ
VVT

Tỷ lệ hỗn hợp không khí/nhiên liệu

Van biến thiên (Variable Van Timing)

HC

Hydrocacbon

FSI

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

3


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Số hiệu
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8

Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 1.11
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11
Hình 3.12
Hình 3.13

Tên hình vẽ, đồ thị
Sơ đồ thí nghiệm chụp ảnh quá trình phun nhiên liệu và quá trình
cháy trong động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp
Quan sát quá trình phun nhiên liệu và cháy từ phía trên nắp xi lanh

Quan sát chụp ảnh quá trình cháy theo phương ngang quá buồng
cháy
Sơ đồ hệ thống chụp ảnh buồng cháy dùng thiết bị nội soi
Sơ đồ một cáp quang
Sơ đồ lắp đặt đầu quang học dùng cáp quang
Sơ đồ một bugi lắp 8 đầu quang học dùng cáp quang
Sơ đồ hệ thống phân tích quá trình cháy kiểu chụp ảnh phân lớp
Bộ phận quang học để hạn chế góc nhìn của đầu quang học
Nguyên lý phương pháp đo LIF
Kết quả đo của tia nhiên liệu với tracer-LIF (trái) và sự lan tràn
màng lửa với OH-LIF (phải)
Hệ thống phun xăng đơn điểm
Bố trí vòi phun trong hệ thống phun xăng đa điểm, gián tiếp
Hệ thống phun xăng đa điểm
Cấu trúc cơ bản của hệ thống phun xăng trực tiếp
Động cơ phun xăng trực tiếp của hãng Mitsubishi
Các đường đặc tính phun nhiên liệu
Cấu tạo của tia nhiên liệu
Ảnh hưởng của áp suất đến chiều dài tia phun
Sự thay đổi các thông số của tia nhiên liệu theo thời gian phun
Sơ đồ khối thể hiện kết cấu cơ bản của EFI
Sơ đồ cơ bản của EFI
Phân loại hệ thống EFI
Sơ đồ khối cấp xăng
Sơ đồ khối bộ điều khiển trung tâm
Sơ đồ mạch điện hệ thống điều khiển
Sơ đồ điều chỉnh phun nhiên liệu ở các chế độ
Sơ đồ làm đậm khi hâm nóng
Chức năng hiệu chỉnh hỗn hợp
Sơ đồ hiệu chỉnh hỗn hợp

Sơ đồ điều khiển bằng cam biến hỗn hợp
Mô hình hiệu chỉnh khí xả CO đối vơi các xe không có cảm biến
oxy hoặc cảm biến A/F
Hệ thống phun xăng trực tiếp

Trang
14
15
15
16
17
17
18
19
20
20
22
26
27
27
28
28
30
31
32
32
35
36
36
37

38
39
41
42
43
44
45
45
46
4


Hình 3.14
Hình 3.15
Hình 3.16
Hình 3.17
Hình 3.18
Hình 3.19

Động cơ phun xăng trực tiếp GDI
Buồng đốt đồng nhất và phun phân lớp
Đồ thị thể hiện giảm tổn thất nhiên liệu, cháy phân lớp
Cung cấp nhiên liệu của động cơ GDI
Kết cấu buồng cháy hãng FORD
Sơ đồ các dạng buồng đốt tạo hỗn hợp phân lớp của động cơ GDI

47
48
48
48

49
51

Hình 3.20
Hình 3.21
Hình 3.22
Hình 3.23
Hình 3.24
Hình 3.25
Hình 3.26
Hình 3.27
Hình 3.28
Hình 3.29
Hình 3.30
Hình 3.31
Hình 4.1

Sơ đồ chuyển động dòng khí nạp vào của buồng cháy Spray Guide
Vị trí của kim phun và bugi trong kiểu buồng đốt Spray Guide
Sơ đồ bố trí buồng cháy động cơ GDI
Hệ thống buồng đốt kiểu Spray – Guide của Renault
Kết cấu buồng đốt Wall – Guide
Sơ đồ bố trí kim phun và bugi của buồng đốt Wall Guide
Kết cấu buồng đốt kiểu Air – Guide
Biểu đồ chế độ hoạt động của động cơ GDI
Mô hình mô tả phun phân lớp với dạng 3 buồng đốt
Các dạng buồng đốt tạo chuyển động dòng khí
Buồng đốt kỹ thuật kiểu wall - guild
Khoảng cách tia lửa trong quá trình
Đặc tính phun dầu thường

52
52
53
53
54
54
54
55
57
58
58
60
63

Hình 4.2
Hình 4.3
Hình 4.4
Hình 4.5
Hình 4.6
Hình 4.7
Hình 4.8
Hình 4.9
Hình 4.10
Hình 4.11
Hình 4.12
Hình 4.13

Đặc tính của hệ thống phun common rail
Sơ đồ tổng quan hệ thống EFI- DIesel

Sơ đồ lắp ECU trong hệ thống
Hệ thống EFI- Diesel thông thường
Bơm piston kiểu hướng trục
Bơm piston kiểu hướng kính
Sơ đồ tổng quan van SPV (van điều khiển)
Sơ đồ cấu tạo van SPV thông thường
sơ đồ nguyên lý của van SPV thông thường
Sơ đồ cấu tạo loại van SPV hoạt động trực tiếp
Sơ đồ nguyên lý của van SPV hoạt động trực tiếp
Cấu tạo của TCV (van điều khiển thời điểm phun)

63
65
66
66
67
67
67
68
68
69
69
70

Hình 4.14
Hình 4.15
Hình 4.16
Hình 4.17
Hình 4.18
Hình 4.19

Hình 4.20
Hình 4.21
Hình 4.22
Hình 4.23
Hình 4.24
Hình 4.25
Hình 4.26

Sơ đồ cấu tạo hệ thống nhiên liệu Diesel điện tử với ống phân phối
Bơm cấp nhiên liệu kiểu bánh răng ăn khớp ngoài
Bơm cao áp loại 2 piston
Cấu tạo bơm cao áp loại ba piston
Sơ đồ nguyên lý bơm cao áp loại 3 piston
Bơm cao áp loại 4 piston
Cấu tạo ống phân phối
Bộ hạn chế áp suất
Van xả áp
Cấu tạo vòi phun
Quá trình thực hiện phun
Sơ đồ hệ thống nhiên liệu EUI
Sơ đồ hệ thống dẫn động phun của EUI

71
72
72
73
74
74
75
75

76
76
78
78
80
5


Hình 4.27
Hình 4.28
Hình 4.29
Hình 4.30
Hình 4.31
Hình 5.1
Hình 5.2
Hình 5.3
Hình 5.4
Hình 5.5
Hình 5.6
Hình 5.7
Hình 5.8
Hình 5.9

Cấu tạo vòi phun
Các giai đoạn hoạt động của vòi phun
Sơ đồ hệ thống nhiên liệu HEUI
Cấu tạo vòi phun HEUI
Quá trình phun của vòi phun HEUI
Sơ đồ vùng cháy của động cơ HCCI
So sánh phát thải NOx của các loại động cơ

Phân Loại quá trình hình thành hỗn hợp của HCCI
So sánh thời điểm phun và quy luật phun của HCCI với DI
Sự hình thành hỗn hợp trong đơn xi lanh động cơ HCCI
Ảnh hưởng của tỷ số nén tới quá trình cháy
Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp tới quá trình cháy HCCI
So sánh quá trình cháy của các loại nhiên liệu diesel
So sánh quá trình cháy của nhiên liệu xăng và diesel

87
81
82
83
83
87
89
90
91
91
92
93
94
94

6


MỞ ĐẦU
i. Lý do lựa chọn đề tài
*) Tính cấp thiết của đề tài.
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 công 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 công nghiệp ôtô là một trong những ngành tiềm năng. Do sự tiến bộ về khoa học
công nghệ nên quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hoá phát triển một cách ồ ạt, tỉ lệ ô
nhiễm nguồn nước và không 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 toán khó cho ngành động cơ đốt trong nói chung và ôtô nói riêng, đó
là phải đảm bảo chất lượng khí thải và tiết kiệm nhiên liệu.
Vì thế, đề tài: “Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô
hiện đại” được thực hiện nhằm phần nào bổ sung thêm nguồn tài liệu tham khảo, giúp
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.
*) Ý nghĩa của đề tài.
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.
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
cho các bạn học sinh, sinh viên các khoá sau có thêm nguồn tài liệu để nghiên cứu, học
tập.
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 quá trình hình thành
hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại có những kiến thức cơ bản để áp dụng vào
thực tế phát huy những ưu điểm mà động cơ ôtô mang lại.

ii. Mục tiêu của đề tài
Với yêu cầu nội dung của đề tài, mục tiêu cần đạt được sau khi hoàn thành đề tài
7


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.
iii. Đối tượng và khách thể nghiên cứu
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:
- Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại.
iv. Nhiệm vụ nghiên cứu
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”.
v. Phương pháp nghiên cứu
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 chuyên nghành ôtô 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.
vi. Các nội dung chính trong đồ án
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

8


Chương I: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH
HÌNH THÀNH HỖN HỢP TRÊN ĐỘNG CƠ
1.1. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP
VÀ CHÁY
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 hoá quá trình hình thành hỗn
hợp và cháy để nâng cao hiệu suất và công suất động cơ cũng như giảm thiểu ô 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 công 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
ngoài 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 quá 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.
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY
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.
9


1.2.1. Phương pháp chụp ảnh
Để nghiên cứu quá trình cháy một cách trọn vẹn, ngoài 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 quá trình phun nhiên liệu này không phát
sáng nên cần phải có một nguồn sáng để chiếu sáng trong khi quan sát hoặc ghi lại hình
ảnh. Hình 1.1 giới thiệu một sơ đồ thiết bị thí nghiệm điển hình được sử dụng để quan sát
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.

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
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 tròn 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
trong một giây).
Nhìn chung các máy ảnh tốc độ cao đều trang bị các nguồn sáng phát xung ngắn
10


(vài micro giây) nên có thể chụp được các bức ảnh tức thời và tăng được độ nét của ảnh.
Với mục đích nghiên cứu quá trình cháy, người ta thường dùng nguồn sáng laser
vì nó có năng lượng cao và độ dài xung rất ngắn.
Tuỳ theo yêu cầu quan sát chụp ảnh các hiện tượng trong buồng cháy mà người ta
có cách bố trí hệ thống thiết bị chụp ảnh khác nhau.
Phương pháp bố trí thiết bị như trên hình 1.2 dùng để quan sát chụp ảnh quá trình
phun nhiên liệu và quá trình cháy phát triển theo phương hướng kính của xi lanh từ tâm
vòi phun. Cách bố trí như trên có thể quan sát được cả hiện tượng chuyển động xoáy của
môi chất trong quá trình phun nhiên liệu và cháy. Để thực hiện được yêu cầu chụp ảnh
này, piston phải có kết cấu kéo dài đặc biệt và đỉnh piston phải bằng vật liệu trong suốt
và đặt các gương phản chiếu cố định phía dưới như trên hình 1.2. Nhược điểm của
phương pháp bố trí như trên là vật liệu trong suốt trên đỉnh piston rất nhanh bị đục do

muội than bám dính vào. Hơn nữa, dùng hai gương như trên dễ làm cho hình ảnh bị rung
và do đó độ nét của ảnh bị ảnh hưởng.

Hình 1.2. Quan sát quá trình phun nhiên liệu và cháy từ phía trên nắp xi lanh
Để quan sát chụp ảnh các phần cơ bản nào đó của buồng cháy thì có thể bố trí sơ
đồ thiết bị như trên hình 1.2 với cửa sổ quan sát bằng vật liệu trong suốt đặt trên nắp
máy. Kết cấu bố trí như trên đơn giản hơn phương pháp chụp ảnh từ dưới lên như trên
hình 1.1 và độ cứng vững của hệ thống gương cũng cao hơn nên độ nét của hình ảnh tốt
hơn. Tuy nhiên cách bố trí này chỉ bố trí được cửa sổ nhỏ nên không quan sát được toàn
bộ buồng cháy.
Sơ đồ bố trí trên hình 1.3 không cần gương phản chiếu nên độ cứng vững của hệ
thống cao hơn và do đó chất lượng ảnh cũng rõ hơn hai trường hợp trên. Sơ đồ này còn
cho phép quan sát được cả diễn biến quá trình cháy theo phương dọc xi lanh. Tuy nhiên
sơ đồ này không cho phép quan sát được đặc điểm quá trình phun và cháy trên toàn bộ
11


tiết diện ngang buồng cháy. Chính vì vậy phương pháp này thường áp dụng cho việc
quan sát chụp ảnh quá trình phun nhiên liệu và cháy đối với động cơ có buồng cháy
thống nhất dùng vòi phun có các lỗ phun đối xứng và phun chính tâm xi lanh.

Hình 1.3. Quan sát chụp ảnh quá trình cháy theo phương ngang quá buồng cháy
Các phương pháp bố trí và lắp đặt thiết bị quan sát và chụp ảnh buồng cháy như
mô tả ở trên có ưu điểm là cửa sổ quan sát rộng nhưng yêu cầu phải thay đổi nhiều về kết
cấu xi lanh, piston hoặc nắp xi lanh. Do vậy, để khắc phục các khó khăn này, ngày nay
người ta dùng thiết bị nội soi thay thế cho các ống kính lớn trước kia. Thiết bị này chỉ cần
khoan một cửa sổ rất nhỏ vào buồng cháy để đưa được một đèn nội soi vào. Đèn nội soi
là bộ phận chính của thiết bị, đường kính chỉ đến 5(mm), tức là bằng đường kính của các
cảm biến đo áp suất khí thể trong xi lanh. Đèn nội soi thường được làm lám bằng nước
đối lưu cưỡng bức để có thể làm việc lâu dài trong môi trường nhiệt độ cao trong buồng

cháy. Hình ảnh thu được từ đầu nội soi được truyền đến một máy ảnh tốc độ cao để ghi
lại. Hình 1.4 giới thiệu sơ đồ khối của hệ thống thiết bị đo và sơ đồ lắp đặt đầu nội soi
trong động cơ. Đầu quan sát có góc nhìn 80 o và phương nhìn tuỳ theo kết cấu (ở đây là
30o so với trục của nó).

12


Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống chụp ảnh buồng cháy dùng thiết bị nội soi
Tín hiệu hình ảnh thu được bởi máy ảnh CID sẽ được số hoá và được lưu giữ trên
máy vi tính PC và từ đó có thể xử lý tiếp.
1.2.2. Phương pháp nghiên cứu quá trình cháy bằng kỹ thuật sợi
1.2.2.1. Khái niệm về công nghệ sợi quang
Nguyên lý truyền sáng tin bằng sợi quang đã được sử dụng khá phổ biến trong
ngành sáng tin. Trong nghiên cứu động cơ đốt trong hiện nay người ta cũng đã sử dụng
kỹ thuật này trong kỹ thuật đo và truyền dữ liệu ra ngoài, ví dụ như áp dụng trong đo áp
với cảm biến áp suất quang học như đã giới thiệu trong chương trước. Trong phần này
giới thiệu phương pháp nghiên cứu hình ảnh quá trình cháy bằng kỹ thuật sợi quang.
Hình 1.5 giới thiệu sơ đồ và nguyên lý truyền dẫn ánh sáng của một cáp quang.
Cáp quang gồm có lõi bằng sợi quang và lớp vỏ bọc. Trên bề mặt phân cách giữa lớp vỏ
bọc và mặt lõi có tráng một lớp bảo vệ phản xạ ánh sáng. Ánh sáng đi vào cáp quang từ
phía đầu dưới một góc côn và bị phản xạ bên trong cáp như được chỉ ra trên hình vẽ và
do vậy ánh sáng được truyền dẫn bởi cáp quang với hiệu quả rất cao và có thể đi xa.

13


Hình 1.5. Sơ đồ một cáp quang
Độ lớn góc côn nhận ánh sáng của cáp quang phụ thuộc vào kết cấu và vật liệu của
nó, ví dụ đối với cáp quang silica thì góc côn nhận ánh sáng bằng khoảng 25o.

1.2.2.2. Lắp đặt đầu đo cáp quang
Để quan sát được các hiện tượng xảy ra trong buồng cháy, các đầu quang học
được lắp trên thành buồng cháy như chỉ ra trên sơ đồ trên hình 1.6. Để bảo vệ cho các cáp
quang khỏi bị ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ cao trong xi lanh, người ta lắp một
thanh saphire vào đầu quang học và tiếp xúc trực tiếp với khí cháy thay cho đầu cáp
quang. Thanh saphire này không tiếp xúc trực tiếp với đầu cáp quang mà cách một
khoảng nhỏ để tránh ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ khí thể đến đầu cáp quang như đã
nói. Với cách bố trí lắp đặt như trên, góc nhìn của đầu đo bị không chế ở khoảng 2 đến
12o.

Hình 1.6. Sơ đồ lắp đặt đầu quang học dùng cáp quang
Dùng đầu đo cáp quang để nghiên cứu quá trình cháy có ưu điểm là không cần
phải thay đổi kết cấu động cơ nhiều như các phương pháp chụp ảnh qua các cửa sổ quang
học vì các đầu đo cáp quang có đường kính rất nhỏ, chỉ khoảng vài milimét nên chỉ cần
khoan và lắp đặt lên thành buồng cháy tương tự như lắp đặt các cảm biến áp suất khí thể
đã giới thiều ở chương trước. Hơn nữa vì các đầu đo nhỏ và dễ dàng lắp đặt nên có thể
đặt nhiều đầu đo ở các vị trí khác nhau trên thành buồng cháy để nghiên cứu sự hình
14


thành các tâm cháy và lan tràn màng lửa trong buồng cháy. Thậm chí các đầu đo quang
học có thể được lắp đặt trên bugi hay trên xu páp của động cơ.

Hình 1.7. Sơ đồ một bugi lắp 8 đầu quang học dùng cáp quang
Hình 1.7 giới thiệu sơ đồ các bugi có lắp các đầu quang học dùng cáp quang. Mỗi
bu gi lắp 8 đầu quang học để quan sát nghiên cứu sự hình thành các tâm cháy và sự phát
triển của màng lửa.
Sơ đồ hình 1.7 (a) là một bugi tiêu chuẩn, xung quang cực giữa người ta khoan 8
lỗ để lắp 8 đầu quang học. Việc khoan 8 lỗ này đòi hỏi công nghệ khoan phải chính xác
vì nếu có một sai sót nhỏ có thể gây hiện tượng lọt điện từ cực giữa sang mát làm hỏng

bugi. Để khắc phục khó khăn này và cải thiện chất lượng lắp đặt các đầu quang học,
người ta có thể chế tạo một bugi đặc biệt để lắp các đầu quang học xung quanh một cách
dễ dàng như sơ đồ hình 1.7 (b). Bugi này có phần thân phải khoan lỗ đặt đầu quang học
ngắn hơn bugi tiêu chuẩn, cực giữa được làm rời và được lắp vào thân bugi bằng ren. Các
cáp quang trong đầu quang học được bảo vệ khỏi ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ cao
của khí thể bằng các đầu saphire. Đầu kia của các cáp quang được nối với một ống nhân
quang. Một khi tín hiệu ra của ống nhân quang vượt quá một giá trị nhất định thì thời
15


gian ngọn lửa đến đầu đo được ghi lại một cách tự động. Các thông tin này được biến đổi
và xử lý trên máy vi tính để đánh giá sự hình thành các trung tâm cháy và sự lan tràn
màng lửa.
1.2.3. Phương pháp phân tích quá trình cháy bằng phép chụp ảnh theo lớp (TCA)
Hệ thống cáp quang nhiều đầu đo như giới thiệu ở trên cung cấp cho ta thông tin
về cường độ bức xạ của ngọn lửa nhờ một số lượng lớn các đầu quang học, mỗi đầu quan
sát một góc nhỏ của không gian buồng cháy. Tuy nhiên trong trường hợp này cần phải
lắp đặt các đầu quang học xung quanh buồng cháy, kể cả trên nắp xi lanh, trên thành xi
lanh và trên piston. Nếu dùng bugi đặt nhiều đầu quang học thì tránh được việc thay đổi
về động cơ nhưng thông tin nhận được bị hạn chế chỉ ở vài điểm mà các đầu quang học
nhìn tới được. Để khắc phục các nhược điểm của các phương pháp nói trên, người ta có
thể dùng hệ thống phân tích quá trình cháy bằng phép chụp theo lớp. Phương pháp này
quan sát sự lan tràn màng lửa nhờ các đầu quang học dùng cáp quang đặt trong đệm làm
kín của nắp xi lanh.

Hình 1.8. Sơ đồ hệ thống phân tích quá trình cháy kiểu chụp ảnh phân lớp
Nguyên lý chụp ảnh của hệ thống phân tích quá trình cháy bằng phương pháp
chụp ảnh theo lớp khác với các kỹ thuật chụp ảnh khác đã nói ở trên. Các đầu quang học
trong hệ thống quan sát được đặt hoặc hướng tâm dọc theo thành xi lanh, hoặc song song
với nhau. Chúng đo thời gian đến của màng lửa theo góc nhìn của mỗi một đầu quang

học, từ đó có thể tính được đường bao của màng lửa. Hệ thống TCA vẫn dựa trên việc
phát hiện bức xạ ngọn lửa dọc theo góc nhìn của mỗi một đầu quang học, nhưng các đầu
quang học được bố trí theo cách mà phương nhìn của các đầu quang học khác nhau cắt
nhau. Hình ảnh ngọn lửa được tính toán từ tín hiệu đo của tất cả các đầu quang học nhờ
kỹ thuật dựng lại theo phương pháp chụp ảnh phân lớp. Số lượng các điểm cắt nhau của
phương nhìn của các đầu quang học quyết định độ phân giải của hệ thống.
Sơ đồ bố trí hệ thống TCA được giới thiệu trên hình 1.8. Nó bao gồm một đệm
nắp máy có gắn các đầu đo dùng cáp quang. Một hệ thống TCA tiêu chuẩn bao gồm 100
đầu quang học được chia thành các nhóm, mỗi nhóm có đến 5 đầu quang học và dùng
16


chung một thấu kính hội tụ để giảm góc nhìn từ 30 o xuống 4o như giới thiệu trên sơ đồ
hình 1.9. Khi một hệ thống như trên được sử dụng cho một buồng cháy có đường kính xi
lanh 80(mm) thì độ phân giải cục bộ vào khoảng 8(mm) chiều rộng và 4(mm) chiều dày.
Người ta sử dụng các cáp quang truyền tín hiệu cực ngắn U(V) và các diot quang học
cảm nhận tín hiệu cực ngắn U(V) để có thể làm việc được với toàn bộ quang phổ bức xạ
trong quá trình cháy. Các tín hiệu ra từ các bộ khuyếch đại được ghi lại trên máy ghi dữ
liệu đa năng đa kênh.

Hình 1.9. Bộ phận quang học để hạn chế góc nhìn của đầu quang học
1.2.4. Kỹ thuật đo LIF
1.2.4.1. Nguyên lý đo LIF
LIF hay huỳnh quang cảm ứng laser (LIF-Laser Induced Fluorescence) là một
phương pháp đo quang học dựa trên sự phát sáng tức thời của các phân tử hoặc nguyên tử
sau khi hấp thụ ánh sáng laser có bước sóng thích hợp. Hình 1.10 minh họa nguyên lý đo
LIF.

Hình 1.10. Nguyên lý phương pháp đo LIF
Để tạo ra hiện tượng phát sáng cảm ứng laser người ta gây ra một chớp sáng rất

ngắn (kéo dài khoảng 15 ns) làm kích thích các phần tử thay đổi trạng thái gốc. Những
điện tử được kích thích sẽ trở lại trạng thái gốc sau một khoảng thời gian nhất định phụ
17


thuộc vào loại phân tử. Sự thay đổi trạng thái gốc của mỗi loại phân tử phụ thuộc vào
chiều dài của bước sóng kích thích. Vì vậy qua sự thay đổi chiều dài bước sóng, có thể
lựa chọn và phân loại phân tử. Cường độ ánh sáng phát ra là thước đo trực tiếp cho nồng
độ của loại khí. Thời gian mà ánh sáng phát ra được đo là rất ngắn, chỉ khoảng 200(ns)
nên ánh sáng của sự cháy không gây ảnh hưởng đến việc đo.
1.2.4.2. Ứng dụng của phương pháp đo LIF
Phương pháp LIF được ứng dụng phổ biến để nghiên cứu sự lan tràn màng lửa
nhờ xác định mật độ của gốc OH.
Dưới đây là một ví dụ về ứng dụng phương pháp đo LIF để chẩn đoán quá trình
cháy trong động cơ đánh lửa sử dụng nhiên liệu khí (gas-IC-engines)
Để thực hiện nhiệm vụ đo này, một động cơ nghiên cứu 1 xi lanh với sự tiếp cận
quang được lắp đặt ở viện động cơ đốt trong thuộc trường Đại học Công nghệ Graz Áo.
Động cơ này có đặc điểm bố trí tương đương với động cơ xe hiện đại với vòi phun trực
tiếp trong khi cung cấp sự tiếp cận quang rộng rãi thông qua một tấm thủy tinh thạch anh
và một cửa sổ trên piston. Để đạt được một sự so sánh tốt với một động cơ tiêu chuẩn thì
phải vận hành động cơ theo quá trình cháy ở mức áp suất đỉnh lên tới 60 (bar).
+ Ứng dụng LIF để đo hình thành hỗn hợp:
Thật khó tưởng tượng khi có sự kích thích trực tiếp phân tử hydro bằng các
phương pháp chiếu sáng laser, do đó thật cần thiết phải thêm vào một chất chỉ thị với
nhiên liệu cái mà cung cấp mật độ huỳnh quang cao trong khi không làm thay đổi đặc
tính của nhiên liệu. Sự lựa chọn đúng chất chỉ thị sẽ là rất quan trọng cho sự thành công
của phương pháp này.
Do đó, Triethylamine (TEA) được chọn là một chất chỉ thị được pha trộn với
hydro ở 200 (ppm), cho phép nó được sử dụng đến một áp suất tối đa là 200 (bar)
trong khi vẫn còn cung cấp một tín hiệu mạnh. Ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ

lên tín hiệu là khá thấp đối với chất chỉ thị này, do đó tạo điều kiện thuận lợi cho các
phép đo dưới điều kiện động cơ. Đối với nghiên cứu này, thật cần thiết để cung cấp
một hỗn hợp đồng nhất trong xi lanh với tỷ lệ không khí/nhiên liệu đã biết, cái mà
có thể đạt được bằng việc phun một lượng xác định của hỗn hợp hydro/chất chỉ thị
vào cổ hút. Thực hiện đối với mỗi góc quay trục khuỷu tương ứng cho phép hiệu
chuẩn những hình ảnh phun trực tiếp, trong khi đồng thời bù trừ cho ảnh hưởng
như không đồng nhất của tia laser, sự biến màu của tiếp cận quang và sự ảnh hưởng
của áp suất và nhiệt độ. Kết quả là những hình ảnh thu nhỏ về tỉ lệ không khí/nhiên
liệu cái mà có thể được sử dụng cho một sự tối ưu hóa trực tiếp quá trình hình
thành hỗn hợp và sự xác nhận mô hình CFD.
+ Ứng dụng LIF để phân tích quá trình cháy.
Ứng dụng LIF cho việc phân tích quá trình cháy là cần thiết. Một mặt có thể
hình dung ngọn lửa bằng sử dụng chất chỉ thị trong nhiên liệu, sau đó nó được đốt
cháy cùng với nhiên liệu và do đó đánh dấu vùng đốt cháy bằng sự biến mất của tín
18


hiệu huỳnh quang. Tuy nhiên, phương pháp này được giới hạn đo với một sự phân
bố hỗn hợp đồng nhất của chất chỉ thị và nhiên liệu trong buồng cháy.
Trong trường hợp này, một sự hiển thị trực tiếp ngọn lửa có thể đạt được bằng
việc kích thích những phân tử hình thành trong quá trình cháy, từ đó dẫn đến áp
dụng phương pháp OH-LIF. Phương pháp này tăng một cách đáng kể nhu cầu về
thiết bị đo, cả hai phương pháp được sử dụng song song trong những nhiệm vụ đo
cụ thể.

Hình 1.11. Kết quả đo của tia nhiên liệu với tracer-LIF (trái) và sự lan tràn màng lửa với
OH-LIF (phải)
Phương pháp đo LIF được áp dụng một cách thành công cho các nhu cầu của việc
đánh giá quá trình cháy mới trong một động cơ sử dụng nhiên liệu thể khí. Các phương
pháp mô tả ở trên đã được thử nghiệm trong việc sử dụng với vòi phun trực tiếp của

hydro nhưng cũng thích ứng với tất cả nhiên liệu thể khí. Những kết quả này không
những được sử dụng cho việc phát triển hơn nữa quá trình cháy của H 2 mà còn hình thành
một cơ sở thiết yếu cho sự phát triển và sự xác minh mô hình mô phỏng CFD
Tóm lại, quan sát hình ảnh quá trình cháy và ngọn lửa trong động cơ đốt trong
thường được thực hiện để hiểu rõ hơn bản chất của quá trình lan tràn màng lửa, cơ chế
của sự cháy kích nổ trong động cơ xăng, và đặc điểm quá trình phun nhiên liệu và cháy
khuyếch tán trong động cơ diesel. Kỹ thuật quan sát hình ảnh sử dụng động cơ chuyên
dùng trong nghiên cứu đã được áp dụng rộng rãi trong nghiên cứu quá trình cháy của
động cơ vì nó đơn giản và dễ thực hiện. Các kỹ thuật tiên tiến hơn như hệ thống nội soi,
hệ thống đầu quang học dùng cáp quang, kỹ thuật đo LIF áp dụng cho động cơ đánh lửa
sử dụng nhiên liệu thể khí là một ví dụ điển hình trong phương pháp đo laser quang học.
Thông qua ví dụ minh họa này, có thể nắm bắt được một cách thức đo đạc quá trình hình
thành hỗn hợp và cháy diễn ra trong động cơ và kết quả đạt được từ đo đạc là cơ sở để
xác minh kết quả mô phỏng CFD. . . cho phép đo và phân tích hình ảnh quá trình cháy
một cách dễ dàng với sự thay đổi tối thiểu về kết cấu động cơ. Hiện nay với sự phát triển
của công nghệ thông tin và các kỹ thuật xử lý tiên tiến, việc quan sát, chụp ảnh và phân
tích hình ảnh quá trình cháy được thực hiện rất dễ dàng ngay trên các động cơ thương
19


mại bình thường. Trong số các thiết bị này, hệ thống thiết bị chụp ảnh 513D của hãng
AVL của cộng hoà Áo, được sử dụng rộng rãi.

20


Chương II: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ
CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ
2.1. SỰ HÌNH THÀNH HỖN HỢP (HÒA KHÍ) TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.1.1. Khái niệm sự hình thành hòa khí

Hình thành hòa khí là quá trình tạo ra hỗn hợp giữa nhiên liệu và không khí có
thành phần thích hợp với từng chế độ làm việc của động cơ. Hỗn hợp đó gọi là hòa khí.
Hình thành hòa khí có ảnh hưởng quyết định đến quá trình cháy, qua đó đến tính kinh tế,
tính hiệu quả, độ êm dịu và chất lượng khí thải của động cơ.
Tỷ lệ không khí với nhiên liệu được gọi là thành phần hoà khí. Thành phần hoà
khí được đánh giá theo một trong 2 chỉ tiêu sau đây:
* Hệ số dư lượng không khí:

λ=

Gkk
Gnl .L0

Trong đó:
Gkk- lưu lượng không khí thực tế cấp cho động cơ ở một chế độ cụ thể, kg/s.
Gnl - lưu lượng nhiên liệu cấp cho động cơ ở một chế độ cụ thể kg/s
L0- lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoà toàn 1kg nhiên liệu, kg/kg
* Tỷ lệ không khí và nhiên liệu ( Air/ Fuel ratio – viết tắt là A/F):
A/ F =

Gkk
1kg nl

Trong quá trình làm việc động cơ đòi hỏi thành phần hoà khí ở mỗi chế độ làm
việc khác nhau.
* Tỷ lệ hòa khí của động cơ:
- Ở chế độ làm việc khởi động ở chế độ làm việc thấp (0 0C) thì tỷ lệ không khí và
nhiên liệu (A/FR) là 1:1.
- Ở chế độ làm việc khởi động ở chế độ nhiệt độ thường (20 0C) thì tỷ lệ không khí
và nhiên liệu là 5:1.

- Ở chế độ làm việc không tải thì tỷ lệ không khí và nhiên liệu là 11:1.
- Ở chế độ làm việc chạy chậm thì tỷ lệ không khí và nhiên liệu là 12- 13:1.
- Ở chế độ làm việc tăng tốc thì tỷ lệ không khí và nhiên liệu là 8:1.
- Ở chế độ làm việc với công suất cực đại thì tỷ lệ không khí và nhiên liệu là 1213:1.
21


- Ở chế độ làm việc với tốc độ trung bình thì tỷ lệ không khí và nhiên liệu là 1618:1.
Sự hình thành hòa khí có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng quá trình cháy, do
đó ảnh hưởng đến tính kinh tế, tính hiệu quả, độ êm dịu và mức độ độc hại của khí thải
của động cơ.
Quá trình hình thành hòa khí bao gồm các quá trình lý hóa phức tạp, đan xen hoặc
kế tiếp nhau tùy theo loại động cơ.
2.1.2. Phân loại kiểu hình thành hòa khí

- Theo loại nhiên liệu:
Hình thành hòa khí trong động cơ xăng.
Hình thành hòa khí trong động cơ diesel.

- Theo vị trí hình thành hòa khí:
Hình thành hòa khí bên trong xi lanh.
Hình thành hòa khí bên ngoài xi lanh.

- Theo tính chất của hòa khí:
Hình thành hòa khí đồng nhất.
Hình thành hòa khí không đồng nhất.
2.2. HÌNH THÀNH HÒA KHÍ TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG
2.2.1. Yêu cầu thành phần khí hỗn hợp động cơ xăng
Muốn cho hoà khí có chất lượng để đảm bảo cho động cơ làm việc tốt thì quá trình
tạo hỗn hợp trong động cơ xăng phải thoả mãn những yêu cầu sau:

Tỷ lệ giữa không khí và xăng thể hiện qua hệ số dư lượng không khí λ hoặc A/F
phải thích hợp nhất đối với từng chế độ làm việc của động cơ. Trong phạm vi thay đổi
rộng về tốc độ và phụ tải, giới hạn thay đổi của thành phần hoà khí trong động cơ xăng
dùng Bộ chế hòa khí (BCHK) nằm trong phạm vi từ λmin = 0,3 đến λma x = 1,2 hoặc tính
theo A/F là 1:1 đến 22:1
Xăng chứa trong hỗn hợp phải giúp cho quá trình cháy phát triển tốt nhất, nghĩa là
xăng phải ở trạng thái hơi. Phần xăng còn lại ở thể lỏng chưa kịp bốc hơi phải là những
hạt xăng có đường kính nhỏ.
Hỗn hợp trong toàn bộ thể tích buồng cháy của mỗi xi lanh phải có thành phần
như nhau. Với yêu cầu đó, trên một số động cơ nhiều xi lanh người ta dùng các bộ chế
hoà khí 2 họng.
Số lượng và thành phần hoà khí trong các xi lanhcủa động cơ nhiều xi lanh phải
như nhau.
22


2.2.2. Hình thành hòa khí trong động cơ phun xăng
Trong hệ thống phun xăng, xăng được phun vào động cơ với áp suất khoảng 3 ÷ 4
bar đối với loại phun vào đường ống nạp và 40 bar với loại phun trực tiếp vào xy lanh.
Do được phun ra với áp suất cao và định lượng chính xác bằng điều khiển điện tử, nên
xăng được xé nhỏ, bay hơi và hòa trộn rất tốt với không khí tạo thành hòa khí. Có hai loại
là phun gián tiếp và phun xăng trực tiếp vào xy lanh.
Loại phun xăng gián tiếp được sử dụng rất rộng rãi và được chia làm loại phun xăng
đơn điểm và phun xăng đa điểm.
2.2.2.1. Hệ thống phun xăng đơn điểm

Hình 2.1. Hệ thống phun xăng đơn điểm
1. Bơm; 2. Lọc; 3. Bộ ổn áp; 4. Vòi phun điện từ;5. Cảm biến khí nạp( Cảm biến gió);
6. Van khí nạp không tải;7. Cảm biến bướm ga; 8. Bộ điều khiển điện tử; 9. Bướm
ga;10. Tín hiệu tốc độ vòng quay động cơ; 11. Tín hiệu nhiệt độ động cơ;12. Cảm

biến thành phần hỗn hợp λ
Theo phương án này, xăng được phun vào ống nạp chung để cung cấp hỗn hợp
cho các xy lanh. Toàn bộ động cơ chỉ có một vòi phun ở đường ống nạp chung cho tất cả
các xy lanh. Về mặt nguyên tắc có thể sử dụng các phương pháp phun liên tục hay phun
gián đoạn. Vòi phun được bố trí ngay trên bướm ga, tại đây vận tốc dòng không khí lớn
nhất tạo điều kiện tốt cho quá trình xé tơi xăng và hoà trộn với không khí.
Bộ điều khiển điện tử (ECU) 8 nhận tín hiệu từ các cảm biến khác nhau trên động
cơ, trong đó thông số điều khiển chính là lưu lượng không khí nạp qua cảm biến khí nạp
( cảm biến gió). Tín hiệu dòng điện tỷ lệ với lưu lượng không khí nạp sẽ phản ánh đến bộ
điều khiển, qua đó điều khiển lượng nhiên liệu phun ở vòi phun 4. Ngoài ra, bộ điều
khiển còn nhận các tín hiệu khác như trình bày trên hình vẽ để thực hiện các chức năng
như làm đậm khi hâm nóng máy, khi tăng tốc, không tải. . .
23


Hệ thống phun xăng đơn điểm là trạng thái trung gian giữa hệ thống nhiên liệu dùng
bộ chế hòa khí và hệ thống nhiên liệu sử dụng phun xăng đa điểm (Multi Point Injection)
2.2.2.2. Hệ thống phun xăng đa điểm

Hình 2.2. Bố trí vòi phun trong hệ thống phun xăng đa điểm, gián tiếp
Trong hệ thống phun đa điểm, mỗi xi lanhmột vòi phun bố trí ngay trước xuppáp
nạp.
Hệ thống phun nhiều điểm so với hệ thống phun trung tâm có ưu điểm là xăng
được phun vào xuppáp là nơi có nhiệt độ cao nên điều kiện bay hơi tốt hơn và tránh được
hiện tượng đọng bám xăng trên thành ống nạp. Tuỳ theo tính chất phun người ta còn
phân biệt hệ thống phun xăng liên tục hay gián đoạn. Ngoài ra, theo thiết bị điều khiển có
thể phân biệt hệ thống phun xăng điều khiển cơ khí, điện tử hay cơ khí- điện tử.

Hình 2.3. Hệ thống phun xăng đa điểm
1. Không khí nạp; 2. Cảm biến khí nạp( Cảm biến gió; 3. Bướm hỗn hợp; 4. Xupap nạp;

5. Vòi phun; 6. Tín hiệu điều khiển phun; 7. Bộ điều khiển phun xăng;8. Các tín hiệu cảm
biến vào bộ xử lý; 9. Xăng từ bơm chuyển
Trong các động cơ phun xăng điện tử phun gián tiếp, hoà khí được hình thành ở cổ
hút, trước xuppap hút. Thành phần hoà khí được quyết định bởi lượng nhiên liệu phun ra
khỏi các vòi phun xăng (tuỳ theo phương pháp phun) căn cứ vào các tín hiệu gửi về bộ
điều khiển điện tử trung tâm (còn gọi là ECU, ECM, hay máy tính của ôtô), trong đó 2 tín
hiệu quan trọng nhất là: mức tải của động cơ và tốc độ động cơ. Lượng nhiên liệu phun ra
khỏi vòi phun xăng được quyết định bởi thời gian mở vòi phun theo xung điều khiển
phun từ ECU gửi ra, áp suất xăng thường trực ở vòi phun và lưu lượng của vỏi phun. Để
24


xác định lượng khí nạp (gió) làm cơ sở cho viêc điều khiển phun xăng có thể sử dụng các
cảm biến khí nạp khác nhau.
2.2.2.3. Hệ thống phun xăng trực tiếp
Ở động cơ phun xăng trực tiếp quá trình hình thành hòa khí được thực hiện bên
trong xi lanhXăng được phun trực tiếp vào xi lanhvới áp xuất cao 40 bar nên rất tơi. Tiếp
đó lại được sấy nóng bởi các chi tiết trong buồng cháy và khí sót nên nhanh chóng bay
hơi và hòa trộn tạo thành hòa khí.

Hình 2.4. Cấu trúc cơ bản của hệ thống phun xăng trực tiếp
Để đốt được hòa khí nghèo nhằm mục đích giảm tiêu thụ nhiên liệu và khí độc hại
trong khí thải người ta sử dụng phương pháp hình thành hòa khí phân lớp (Strafied
Mixture Formation). Bản chất của phương pháp này là tổ chức hình thành hòa khí sao
cho tạo sự phân bố không đồng nhất (phân bố lớp) của hòa khí, bugi đánh lửa được bố trí
tại vị trí sao cho khi bật tia lửa điện thì hòa khí tại đây có λ = 0,85 - 0,95 để dễ bén lửa tốt
nhất, phần hòa khí này sau khi bốc cháy sẽ làm mồi để đốt phần hòa khí còn lại có λ lớn
hơn (hòa khí siêu nghèo).

Hình 2.5. Động cơ phun xăng trực tiếp của hãng Mitsubishi

1. Đường ống nạp;2,4. Các xuppáp;3. Bugi; 5. Vòi phun; 6. Buồng cháy

25