Nghiên cứu quá trình cháy và khí thải của động cơ phun xăng xe máy sử dụng hỗn hợp giàu hydro

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình
nào khác.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2015

Học viên

Lê Anh Chiến

1


LỜI CẢM ƠN

Với tư cách là tác giả của bản luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc
đến TS. Trần Anh Trung, người thầy đã hướng dẫn tận tình, chu đáo và khoa học
trong suốt thời gian tôi thực hiện luận văn.
Chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Động cơ đốt trong, Phòng thí
nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, Viện Đào tạo Sau đại học,
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện về thời gian, vật chất lẫn tinh
thần để tôi có thể hoàn thành luận văn đúng tiến độ và chất lượng.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những
người đã động viên và chia sẻ với tôi trong suốt thời gian tôi tham gia học tập và
làm luận văn.

Học viên

Lê Anh Chiến

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ 2
MỤC LỤC .................................................................................................................. 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. 6
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................... 8
LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................... 10
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .......................................................... 12
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................... 12
2. Lịch sử nghiên cứu ................................................................................................ 13
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ......................................... 14
4. Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới trong luận văn ........................................ 15
5. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................... 16
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ KHÍ THẢI CỦA
ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG XE MÁY ..................................................................... 17
1.1. Tổng quan về quá trình cháy của động cơ xăng................................................. 17
1.1.1. Quá trình cháy của động cơ châm cháy cưỡng bức ................................. 17
1.1.2. Diễn biến bình thường của quá trình cháy trong động cơ châm cháy
cưỡng bức. ......................................................................................................... 17
1.2. Thành phần phát thải của động cơ xăng............................................................. 22
1.3. Một số giải pháp giảm thiểu phát thải độc hại cho động cơ xăng...................... 23
1.3.1. Nhóm phương pháp tối ưu hóa kết cấu động cơ ...................................... 23

1.3.2. Nhóm phương pháp xử lý khí thải ........................................................... 25
1.3.3. Nhóm sử dụng nhiên liệu thay thế ........................................................... 26
1.4. Giảm phát thải của động cơ bằng cách sử dụng nhiên liệu hydro ..................... 28
Kết luận chương 1 ..................................................................................................... 29

3


CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU GIÀU HYDRO
CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ............................................................................ 30
2.1. Tổng quan về nhiên liệu hydro .......................................................................... 30
2.1.1. Đặc điểm, tính chất của nhiên liệu hydro ................................................ 30
2.1.2. Các phương pháp tạo ra nhiên liệu hydro ................................................ 34
2.2. Các phương pháp cung cấp nhiên liệu hydro cho động cơ xăng ....................... 38
2.2.1. Động cơ sử dụng nhiên liệu hydro........................................................... 38
2.2.2. Động cơ sử dụng nhiên liệu giàu hydro .................................................. 41
Kết luận chương 2 ..................................................................................................... 45
CHƢƠNG 3. TRANG THIẾT BỊ VÀ THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ PHUN
XĂNG XE MÁY SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU GIÀU HYDRO .............................. 46
3.1. Xây dựng hệ thống cung cấp hỗn hợp giàu hydro cho động cơ phun xăng xe
máy ............................................................................................................................ 46
3.1.1. Bộ điều áp khí giàu hydro ........................................................................ 47
3.1.2. Cảm biến đo lưu lượng hỗn hợp giàu hydro ............................................ 48
3.1.3. Bình ổn áp khí giàu hydro ....................................................................... 49
3.1.4. Van chống cháy ngược ............................................................................ 49
3.1.5. Vòi khun khí giàu hydro. ......................................................................... 50
3.2. Trang thiết bị thử nghiệm ................................................................................... 50
3.2.1. Động cơ thử nghiệm ................................................................................ 50
3.2.2. Thiết bị đo lượng nhiên liệu tiêu thụ ....................................................... 51
3.2.3. Tủ phân tích khí thải AVL CEB II .......................................................... 53

3.2.4. Hệ thống đo AVL 620 Indiset ................................................................. 57
3.2.5. Mô đun điều khiển động cơ (MotoHawk Control Solutions) .................. 59
3.2.6. Băng thử động cơ DW-16 ........................................................................ 60
3.3. Chế độ thử nghiệm ............................................................................................. 61
CHƢƠNG 4: XỬ LÝ SỐ LIỆU, KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ........................... 62
4.1. Xử lý số liệu áp suất, xác định các thông số quá trình cháy .............................. 62
4.1.1 Xác định các thông số của quá trình cháy ................................................ 62

4


4.1.2. Trường hợp nhiệt dung riêng không đổi .................................................. 63
4.1.3. Trường hợp nhiệt dung riêng biến thiên .................................................. 66
4.2. Đánh giá chất lượng quá trình cháy của động cơ phun xăng xe máy sử dụng
nhiên liệu giàu hydro ................................................................................................. 71
4.3. Đánh giá phát thải của động cơ phun xăng xe máy sử dụng nhiên liệu giàu
hydro.......................................................................................................................... 74
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................. 78
KẾT LUẬN CHUNG .............................................................................................. 78
HƢỚNG PHÁT TRIỂN.......................................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 79

5


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
CO

:Khí mô-nô-xít các-bon

CO2

:Khí các-bo-níc

CH4

:Khí mê-tan

HC

:Hydro-các-bon

NOX

:Các loại ô-xít ni-tơ

H2

:Khí hydro

N2

:Khí Ni-tơ

O2

:Khí ô-xy

CH

:Gốc nhiên liệu hoá thạch hydro-các-bua

CNG

:Nhiên liệu khí thiên nhiên nén

LNG

:Khí thiên nhiên hoá lỏng

LPG

:Khí dầu mỏ hoá lỏng

EGR

:Bộ luân hồi khí thải

IMEP

:Áp suất chỉ thị trung bình có ích

BTE

:Hiệu suất nhiệt có ích

BSFC

:Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

ppm

:Một phần triệu

λ

:Lambda - Hệ số dư lượng không khí

SFC

:Suất tiêu hao nhiên liệu

BMEP

:Áp suất có ích trung bình

BXT

:Bộ xúc tác

ĐCĐT

:Động cơ đốt trong

ESA

:Hệ thống đánh lửa điều khiển bằng máy tính

BTDC

:Trước điểm chết trên

ABDC

:Sau điểm chết dưới

BBDC

:Trước điểm chết dưới

ATDC

:Sau điểm chết trên

ERG

:Van luân hồi

SCU

:Khối lấy mẫu

AFR

:Tỷ số không khí và nhiên liệu
6


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Tính chất vật lý của hydro, mê tan, xăng............................................. 30

Bảng 2.2. Tính chất cháy của của hydro, mê tan, xăng ...................................... 31
Bảng 2.3. So sánh tính chất của hydro và xăng ................................................... 41
Bảng 3.1. Những thông số cơ bản của động cơ M738M 3V i.e .......................... 51

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Quá trình cháy của động cơ xăng châm cháy cưỡng bức .................... 18
Hình 1.2. Sơ đồ lan tràn màng lửa ....................................................................... 20
Hình 1.3. Sơ đồ phân bố màng và tốc độ màng lửa ............................................. 21
Hình 1.4. Đặc tính phát thải của động cơ xăng . .................................................. 22
Hình 1.5. Ảnh hưởng của EGR tới sự phát thải của động cơ xăng . .................... 24
Hình 1.6. Đặc điểm phát thải trên động cơ xăng trang bị bộ xúc tác................... 25
Hình 1.7. Phát thải NOX động GDI hãng Mitsubishi ........................................... 26
Hình 2.1. Phạm vi cháy của hydro và một số loại nhiên liệu ............................. 31
Hình 2.2. Nhiệt độ tự cháy của hydro và một số loại nhiên liệu ......................... 32
Hình 2.3. Tốc độ ngọn lửa của một số hỗn hợp khí ............................................. 32
Hình 2.4. Năng lượng đánh lửa của hydro và một số loại nhiên liệu .................. 33
Hình 2.5. Một số nguyên liệu tạo ra hydro .......................................................... 35
Hình 2.6. Các phương án cung cấp hydro cho ĐCĐT. ........................................ 39
Hình 2.7. So sánh hiệu suất nhiệt, mô men, công suất và suất tiêu hao nhiên liệu
giữa động cơ xăng và động cơ hydro cùng kích thước ....................................... 40
Hình 2.8. Sơ đồ của hệ thống thí nghiệm của GS. Changwei Ji ......................... 42
Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống cung cấp hỗn hợp giàu hydro cho động cơ ................. 46
Hình 3.2. Vị trí vào ra bộ giảm áp........................................................................ 47
Hình 3.3. Cảm biến đo lưu lượng......................................................................... 48
Hình 3.4. Bình ổn áp hỗn hợp khí giàu hydro ...................................................... 49
Hình 3.5. Van chống cháy ngược ......................................................................... 49
Hình 3.6. Sơ đồ kết cấu vòi phun khí giàu hydro ................................................ 50

Hình 3.7. Động cơ Piaggio Liberty dùng trong thí nghiệm ................................. 51
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của AVL Fuel Balance 733S ..... 52
Hình 3.9. Giao diện trên máy tính hệ thống cân nhiên liệu AVL 733S ............... 53
Hình 3.10. Sơ đồ của tủ AVL CEB II. ................................................................. 54
Hình 3.11. Sơ đồ cấu tạo của bộ đo CO ............................................................... 54
Hình 3.12. Sơ đồ cấu tạo bộ phân tích NO và NOX ............................................. 55
8


Hình 3.13. Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo HC ........................................................... 56
Hình 3.14. Hệ thống đo AVL 620 Indiset ............................................................ 57
Hình 3.15. Cấu tạo cảm biến đo áp suất QC33C ................................................. 59
Hình 3.16. ECU MotoHawk ECM-0565-128-0704 ............................................. 60
Hình 3.17. Băng thử động cơ DW-16 .................................................................. 60
Hình 4.1. Các thông số quá trình cháy được xác định từ áp suất xylanh ............. 63
Hình 4.2. Hệ thống kín sử dụng trong mô hình nhiệt động học đảo .................... 64
Hình 4.3. Biến thiên tỷ nhiệt
khí

= cp / cv theo nhiệt độ cháy (K), thành phần hòa

và phần trăm hỗn hợp đã cháy xb ............................................................... 66

Hình 4.4. So sánh tỷ lệ với trường hợp tỷ nhiệt không đổi và tỷ nhiệt biến thiên 67
Hình 4.4. Tốc độ tỏa nhiệt tại hai trường hợp không phun (W/O) và phun (W)
hydro tại tốc độ 5000 vg/ph ................................................................................. 71
Hình 4.5. Góc cháy trễ tương ứng 10% hòa khí đã cháy theo lambda tại hai
trường hợp phun (W) và không phun hydro (W/O) ............................................. 72
Hình 4.6. Góc cháy chính tương ứng 90% hòa khí đã cháy theo lambda tại hai
trường hợp phun (W) và không phun hydro (W/O) ............................................. 73

Hình 4.7. Suất tiêu thụ năng lượng (MJ/kW.h) tại hai trường hợp phun (W) và
không phun hydro (W/O) ..................................................................................... 74
Hình 4.8. So sánh hàm lượng phát thải HC theo lambda ..................................... 75
Hình 4.9. So sánh hàm lượng phát thải NOX theo lambda................................... 76
Hình 4.10. So sánh hàm lượng phát thải CO theo lambda ................................... 77

9


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp và phương tiện giao
thông vận tải đã khiến cho nhu cầu năng lượng tăng cao. Bầu không khí càng
ngày bị ô nhiễm một cách trầm trọng do khói bụi, chất độc và phóng xạ thải ra từ
việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, Trong khi đó nguồn nhiên liệu hoá thạch bao
gồm xăng, dầu diesel, than đá, khí thiên nhiên... đang ngày càng cạn kiệt. Nhiều
phương án giảm thành phần độc hại trong khí thải của động cơ đã được nghiên
cứu và áp dụ
–

quan tâm.
Đối với động cơ xăng tốc độ cháy kém, đồng thời phụ thuộc nhiều vào
tình trạng xoáy lốc sẽ làm tăng thành phần HC (hydrocarbon), CO (monoxit
carbon) trong khí thải và giảm tính kinh tế nhiên liệu. Để giải quyết vấn đề kể
trên, trong thực tế có rất nhiều phương án thực hiện như tăng xoáy lốc làm tăng
khả năng hòa trộn giữa không khí và nhiên liệu, sử dụng phụ gia nhiên liệu để cải
thiện chất lượng quá trình cháy, hoặc sử dụng nhiên liệu hydro.
Hydro có nhiều ưu điểm như khi phản ứng với ôxy tạo ra sản phẩm sạch,
cháy nhanh, trị số ốc tan cao, chống kích nổ tốt, cho phép động cơ có thể làm
việc ở tốc độ cao, tỷ số nén lớn, nhờ đó mà dễ dàng tăng công suất động cơ. Tuy
nhiên vấn đề sản xuất, vận chuyển, tích trữ và bảo quản nhiên liệu hydro khó

khăn và tốn kém do hydro có tỷ trọng rất thấp. Các nghiên cứu cho thấy có thể sử
dụng hydro như một thành phần phụ gia cho nhiên liệu truyền thống để nâng cao
hiệu suất và khí thải của động cơ và hiện đang được nhiều khoa học quan tâm.
Tuy nhiên các nghiên cứu mới chỉ thực hiện trên động cơ nhiều xy lanh và chưa

10


có nghiên cứu nào dành cho động cơ xăng xe máy cỡ nhỏ 1 xy lanh, là loại động
cơ rất phổ biến tại các nước đang phát triển.
Từ những lý do trên việc nghiên cứu sử dụng hỗn hợp giàu hydro cho
động cơ xe máy là một việc làm quan trọng nhằm giảm thiểu khí thải ô nhiễm và
tiêu hao nhiên liệu cho dòng động cơ này ở Việt Nam. Đề tài “Nghiên cứu quá
trình cháy và khí thải của động cơ phun xăng xe máy sử dụng hỗn hợp giàu
hydro” sẽ nhằm đánh giá chất lượng quá trình cháy và khí thải tại các chế độ làm
việc của động cơ đồng thời là cơ sở để thiết lập kế hoạch thực nghiệm trong các
bước tiếp theo.

11


TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1. Lý do chọn đề tài
Khí thải của các phương tiện giao thông có ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con
người và làm tăng nhiệt độ trái đất, do đó vấn đề nâng cao hiệu suất và giảm phát
thải của động cơ đốt trong vẫn đang được các nhà khoa học hết sức quan tâm đặc
biệt là động cơ sử dụng nhiên liệu xăng, đây là động cơ có được nhiều ưu điểm
như khả năng tăng tốc và khí thải tốt, tuy nhiên nhược điểm của động cơ xăng là
có hiệu suất thấp, nhất là ở vùng tải nhỏ và tải trung bình do tổn thất công hút
qua bướm ga. Có nhiều biện pháp có thể nâng cao hiệu suất động cơ xăng ở vùng

này như động cơ phun xăng trực tiếp GDI, động cơ nạp đồng nhất cháy do nén
HCCI. Điểm chung của các biện pháp này là nâng cao khả năng cháy nghèo ở
vùng tải thấp và trung bình, nhờ đó bướm ga có thể mở lớn hơn giúp làm giảm
công hút nâng cao hiệu suất của động cơ, tuy nhiên các biện pháp trên khá phức
tạp, nâng cao giá thành động cơ. Một biện pháp khác là sử dụng nhiên liệu thay
thế hoặc ở dạng phụ gia giúp nâng cao giới hạn cháy nghèo của động cơ, đây là
hướng mà hiện nay đang được các nhà khoa học quan tâm.
Hydro là nhiên liệu có giới hạn cháy nghèo cao, có thể sử dụng như là một
dạng phụ gia cho nhiên liệu truyền thống để nâng cao giới hạn cháy nghèo, hơn
nữa hydro có thể dễ dàng tạo ra nhờ biện pháp sử dụng chất xúc tác tạo thành
hỗn hợp giàu hydro từ nhiên liệu gốc với giá thành phù hợp. Các kết quả nghiên
cứu cho thấy động cơ bằng biện pháp sử dụng hỗn hợp giàu hydro giới hạn cháy
nghèo có thể lên tới lambda = 1.8 trong khi động cơ nguyên bản giá trị lambda
chỉ nằm trong khoảng 1,3-1,4, hiệu suất động cơ tăng lên từ 3-5% đồng thời
lượng khí xả HC và CO giảm mạnh. Khi so sánh về quá trình cháy cho thấy nhờ
ưu điểm cháy nhanh của hydro đã làm giảm thời gian cháy trễ và thời gian cháy
chính giúp nâng cao hiệu suất của động cơ.
Từ các nghiên cứu trên cho thấy sử dụng hỗn hợp giàu hydro cho động cơ
xăng giúp nâng cao chất lượng quá trình cháy từ đó giảm tiêu thụ nhiên liệu và

12


các chất độc hại trong khí thải, tuy nhiên các nghiên cứu này mới chỉ thực hiện
trên động cơ nhiều xy lanh và chưa có nghiên cứu nào dành cho động cơ xăng xe
máy cỡ nhỏ 1 xy lanh, là loại động cơ rất phổ biến tại các nước đang phát triển có
mức tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm khí thải lớn.
Từ những phân tích trên, em đã chọn đề tài “Nghiên cứu quá trình cháy và
khí thải của động cơ phun xăng xe máy sử dụng hỗn hợp giàu hydro”. Đề tài
nghiên cứu là thực nghiệm quá trình cháy trên động cơ xe máy 1 xy lanh. Kết

quả thực nghiệm sẽ cho ra kết quả ảnh hưởng của nhiên liệu khí giàu hyđro đến
đặc tính làm việc và đặc tính phát thải của động cơ góp phần xác định vùng làm
việc tối ưu khi động cơ chạy với nhiên liệu giàu hyđro.

2. Lịch sử nghiên cứu
Trong những năm gần đây, sử dụng khí hydro như là một phụ gia nhiên liệu
cho động cơ xăng đang là một hướng nghiên cứu nhận được rất nhiều sự chú ý.
Đã có rất nhiều đề tài, công trình nghiên cứu được thực hiện và xuất bản, nổi bật
trong số đó là các công trình nghiên cứu của GS. Changwei Ji – trường Đại học
Công nghệ Bắc Kinh, Trung Quốc.
Một số đơn vị khác cũng tiến hành nghiên cứu bổ sung khí hydro trên động
cơ xăng như tập thể các nhà khoa học tại trường đại học Windsor, Canada; Viện
công nghệ liên bang Thuỵ Sĩ tại Zurich (ETHZ); đại học Atatürk, đại học
Kocaeli, Thổ Nhĩ Kỳ.
Theo kết quả của TS. Enrico Conte và GS. Konstantinos Boulouchos tại
trường ETH Zurich, khi bổ sung 1 lượng nhỏ hydro vào đường nạp sẽ giúp hỗn
hợp trở nên đồng nhất hơn cho động cơ phun xăng trực tiếp (GDI) hình thành
hỗn hợp kiểu phân lớp. Động cơ thí nghiệm là động cơ một xylanh nhãn hiệu
Mercedes Benz M111, có đường kính xy lanh 86,6 mm và hành trình piston 89,9
mm, tỷ số nén 10:1. Xăng được phun vào xy lanh với áp suất cao (khoảng 80 bar)
thông qua hệ thống nhiên liệu kiểu tích áp, vòi phun hydro trên đường nạp có thể
phun 17 và 27% hydro (tỷ lệ cân bằng năng lượng). Khi tỷ lệ hydro càng lớn,

13


phát thải NOX tăng và HC giảm ở mọi thời điểm đánh lửa do nhiệt độ cháy và tốc
độ cháy lớn hơn khi phun hydro vào đường nạp.
Theo kết quả nghiên cứu trên động cơ Ford 4 xy lanh của F. Yüksel và M.A.
Ceviz tại khoa kỹ thuật cơ khí, trường ĐH Atatürk cho thấy: Khi sử dụng hydro

như một nhiên liệu bổ sung, hiệu suất nhiệt của động cơ được cải thiện. Cụ thể,
khi sử dụng xăng, hiệu suất là 38,1%; hiệu suất tăng lên 41,9; 44 và 43,8% khi
lưu lượng khí hydro là 0,129; 0,168 và 0,208 (kg/h). Suất tiêu hao nhiên liệu của
động cơ giảm, từ 215,78 (g/kW.h) khi sử dụng xăng xuống 200,11; 190,58 và
194,58 (g/kW.h) ứng với ba giá trị của lưu lượng khí hydro. Tính kinh tế của
động cơ được cải thiện rõ rệt, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ giảm khoảng
11,5%.
Tập thể các nhà khoa học của trường ĐH Kocaeli và công ty ứng dụng hydro
ở Thổ Nhĩ Kỳ đã sử dụng khí hydro được sản xuất trực tiếp trên phương tiện
thông qua quá trình điện phân cung cấp thẳng vào đường nạp động cơ. Kết quả
thử nghiệm trên 4 mẫu xe Volvo 940 (đời 1993), Mercedes 280 (đời 1996); Fiat
Kartal (đời 1992) và Fiat Dogan (đời 1992) trong điều kiện giao thông ở thành
phố cho thấy, lượng xăng tiêu thụ trong quãng đường 100 km giảm. Cụ thể, để đi
hết 100 km, lượng xăng của Volvo 940 giảm xuống còn 6 lít so với nguyên bản
là 10,5 lít, tức giảm 43%; Mercedes 280 giảm từ 11 lít xuống 7 lít (giảm 36%);
Fiat Kartal giảm đi 2,5 lít từ 9,5 lít khi có hydro bổ sung (giảm 26%) và Fiat
Dogan giảm từ 9 lít xuống 6 lít, tương ứng 33%. Cùng với đó ba thành phần phát
thải CO, CO2 và HC giảm khoảng từ 40-50% tuỳ thuộc vào loại động cơ.

3. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu thực nghiệm động cơ xe máy 1 xy lanh 3 xu páp sử dụng nhiên
liệu xăng và hỗn hợp giàu hydro nhằm đánh giá chất lượng quá trình cháy và khí
thải tại các chế độ làm việc của động cơ.

14


 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là động cơ xăng 3 xu páp, phun xăng trên đường ống

nạp, 4 kỳ, 1 xy lanh lắp trên xe máy Liberty 150cc của hãng Piaggio. Động cơ
được đặt trên băng thử động cơ DW-16 và được điều khiển thông qua MotoHawk
ECM-0565-128-0704 của hãng Woodward, đây là bộ điều khiển chuyên dụng có
khả năng giao tiếp trực tiếp với máy tính trong quá trình thí nghiệm.
Phạm vi nghiên cứu đề tài là thực nghiệm trên động cơ hoạt động ở chế độ
chế độ cháy nghèo tại các vùng tải nhỏ và trung bình tương ứng với tốc độ 4500
và 5300 v/p.

4. Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới trong luận văn
Có thể thấy, vấn đề tiết kiệm nhiên liệu đã được các nhà nghiên cứu và chế
tạo động cơ luôn quan tâm và hiện nay công nghệ chế tạo động cơ đã có những
bước tiến mới về công nghệ như động cơ GDI. Do đó, khả năng còn lại để nâng
cao hiệu suất và giảm tiêu hao nhiên liệu của động cơ với chi phí thấp chỉ có thể
tập trung vào nghiên cứu cải tiến công nghệ sử dụng nhiên liệu truyền thống
trong khi các nguồn nhiên liệu mới hiệu quả hơn chưa đủ điều kiện để phát triển
ở qui mô lớn thay thế nhiên liệu hiện hành.
Như đã biết, tốc độ động cơ đốt trong ngày càng được nâng lên để tăng công
suất động cơ nên thời gian của quá trình cháy của nhiên liệu trong xi lanh động
cơ rất ngắn, do đó nhiên liệu hóa thạch thường cháy không hoàn toàn. Bằng biện
pháp cải thiện quá trình cháy để nhiên liệu cháy đúng thời điểm, cháy kiệt hơn sẽ
giúp tăng hiệu suất của động cơ, giảm phát thải các chất độc hại và khí nhà kính
CO2 của động cơ.
Một trong các công nghệ hiệu quả theo cơ chế nói trên đã được các nhà
nghiên cứu trong và ngoài nước thừa nhận đó là bổ sung nhiên liệu hydro vào
làm giàu hỗn hợp cháy. Đặc tính khuếch tán đều, hòa trộn tốt, dễ bắt lửa và cháy
nhanh của hydro sẽ giúp đốt cháy kiệt hỗn hợp nhiên liệu truyền thống.

15

Việc nghiên cứu sử dụng hỗn hợp giàu hydro cho động cơ xăng sẽ tạo ra một
cách nhìn toàn diện, với công nghệ này sẽ góp phần tiết kiệm nguồn nhiên liệu
hóa thạch ít ỏi còn lại đồng thời giảm phát thải độc hại và tăng hiệu suất của
động cơ.

5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Để thực hiện các nội dung trên, đề tài đã sử dụng phương pháp nghiên cứu
sau:
Nghiên cứu các kết quả thử nghiệm với động cơ xăng. Từ đó đưa ra phương
pháp thực nghiệm trên động cơ xăng xe máy. Từ các kết quả thực nghiệm đưa ra
nhận xét đánh giá chất lượng quá trình cháy và khí thải tại chế độ làm việc của
động cơ được thử nghiệm.

16


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ KHÍ THẢI CỦA
ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG XE MÁY

1.1. Tổng quan về quá trình cháy của động cơ xăng
1.1.1. Quá trình cháy của động cơ châm cháy cƣỡng bức
Trong động cơ châm cháy cưỡng bức, quá trình cháy được bắt đầu từ
nguồn lửa xuất hiện ở bugi trong môi trường hòa khí đều được trộn trước, sau đó
xuất hiện màng lửa lan truyền theo mọi hướng tới khắp không gian buồng cháy.
Trong quá trình cháy hóa năng của nhiên liệu được truyền thành nhiệt năng làm
tăng áp suất và nhiệt độ môi chất. Nếu nhiên liệu được cháy càng kiệt, kịp thời
thì năng lượng nhiệt nhả ra chuyển thành công càng tốt, làm tăng năng suất và
hiệu suất động cơ.
1.1.2. Diễn biến bình thƣờng của quá trình cháy trong động cơ châm cháy
cƣỡng bức.

Diễn biến bình thường của quá trình cháy động cơ châm cháy cưỡng bức
đều bắt đầu từ cực bugi, tạo nên màng lửa rồi lan truyền với tốc độ tăng dần theo
mọi hướng tới khi đốt hết hòa khí.
Có nhiều phương pháp nghiên cứu quá trình cháy trong buồng cháy động
cơ, thường dùng nhất là vẽ đồ thị công P – φ, tức là đồ thị thể hiện biến thiên của
áp suất P trong xilanh theo góc quay φ của trục khuỷu. Trên nắp xy lanh có lắp
một bộ cảm biến áp suất, cảm biến góc quay trục khuỷu đặt trên trục khuỷu, dao
động ký ghi lại sự biến thiên của áp suất trong xilanh P theo góc quay trục khuỷu
φ. Dựa vào biến thiên của P = f(φ) có thể biết diễn biến của quá trình cháy.
Phương pháp này tuy không cho biết rõ cơ lý của quá trình cháy cũng như tình
hình lan truyền màng lửa, nhưng cho biết rõ hiệu quả thực tế của quá trinh. Về
mặt kỹ thuật thì đây là một phương pháp hữu hiệu đơn giản.
Ngoài phương pháp xác định đồ thị công P = f(φ), người ta còn dùng
phương pháp chụp ảnh nhanh quá trình cháy: dựa vào một dãy các bức ảnh liên
tiếp chụp được sẽ biết diễn biến của quá trình cháy trong xy lanh.

17


Hình 1.1. Quá trình cháy của động cơ xăng châm cháy cưỡng bức[41]
I-Cháy trễ, II-Cháy nhanh,III-Cháy rớt
1-Đánh lửa sớm, 2-Hình thành màng lửa, 3-Áp suất cực đại
Đồ thị P – φ điển hình của quá trình cháy bình thường thể hiện trên hình
1.1; điểm 1 – bắt đầu đánh lửa, cách ĐCT một góc θ được gọi là góc đánh lửa
sớm; điểm 2 – là thời điểm đường áp suất tách khỏi đường nén; điểm 3 – là thời
điểm đạt áp suất cực đại. Điểm áp suất cực đại và điểm nhiệt độ cực đại không
trùng nhau. Điểm nhiệt độ cực đại thường xuất hiện muộn hơn so với áp suất cực
đại. Dựa vào đặc trưng biến thiên áp suất trên đồ thị P – φ, người ta chia quá
trình cháy của động cơ châm cháy cưỡng bức thành ba thời kỳ.
1.1.2.1, Thời kỳ cháy trễ I (từ điểm 1 đến điểm 2)

Tính từ lúc đánh lửa đến khi áp suất p tăng đột ngột. Trong quá trình này, áp
suất trong xilanh thay đổi tương tự như trường hợp không đánh lửa, phân tích các

18


bức ảnh chụp được cho thấy thời kỳ này được tính từ lúc bắt đầu đánh lửa, qua
một thời gian ngắn đến lúc xuất hiện nguồn lửa được gọi là màng lửa trung tâm.
Thời điểm xuất hiện màng lửa trung tâm không nhất thiết xuất hiện trước một
chút so với thời điểm tăng đột ngột của P. Nhưng nhiều khi để đơn giản người ta
không cần phân biệt rõ hai thời điểm này.
Phân tích thời kỳ cháy trễ thấy rằng, sau khi bugi đã bật tia lửa điện, hòa khí
trong xilanh không cháy ngay mà phải thực hiện một loạt phản ứng sơ bộ tạo nên
sản vật trung gian v.v… Trong thời kỳ này nhiệt lượng nhả ra của các phản ứng
rất nhỏ, vì vậy không thấy rõ sự khác biệt của nhiệt độ và áp suất so với trường
hợp không đánh lửa.
1.1.2.2. Thời kỳ cháy nhanh II
Được tính từ điểm 2 đến điểm 3 (điểm có áp suất cực đại). Thời kỳ này cũng
tương ứng với thời kỳ lan truyền của màng lửa tính từ lúc xuất hiện màng lửa
trung tâm tới khi màng lửa lan truyền khắp buồng cháy. Màng lửa của động cơ
châm cháy cưỡng bức hầu hết là màng lửa chảy rối. Trong quá trình lan truyền,
màng lửa có dạng hình cầu nhấp nhô lồi lõm. Trong thời kỳ này màng lửa được
được lan truyền với tốc độ tăng dần, hòa khí trong xilanh có phản ứng ôxy hóa
ngày một mãnh liệt và nhả ra một số lượng nhiệt lớn, trong khi dung tích xilanh
thay đổi ít làm cho áp suất và nhiệt độ môi chất tăng nhanh. Thời kỳ cháy nhanh
là giai đoạn chính trong quá trình cháy hòa khí của động cơ xăng, phần lớn nhiệt
lượng được nhả ra trong giai đoạn này; quy luật nhả nhiệt sẽ quyết định việc tăng
áp suất, tức là quyết định khả năng đẩy pittông sinh công, vì vậy thời kỳ này có
ảnh hưởng quyết định tới tính năng của động cơ xăng.
Nhìn từ khía cạnh nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình, thì thời gian cháy

càng nhanh càng tốt. Muốn rút ngắn thời gian cháy phải nâng cao tốc độ cháy,
làm cho áp suất cực đại và nhiệt độ cực đại xuất hiện tại vị trí gần sát ĐCT, khiến
số nhiệt lượng nhả ra được lợi dụng đầy đủ, làm tăng công suất và hiệu suất động
cơ.

19


Khi phân tích quá trình cháy cần phân biệt rõ hai khái niệm: tốc độ lan truyền
màng lửa Sr (m/s) và tốc độ cháy U (kg/m2s)Sr thể hiện tốc độ chuyển dịch của
màng lửa theo theo hướng pháp tuyến, còn U thể hiện khối lượng hòa khí được
một đơn vị diện tích màng lửa đốt cháy trong một đơn vị thời gian. Mối quan hệ
giữa Sr và U như sau:
r

Trong đó:

– Khối lượng riêng của hòa khí (kg/m3).
Số nhiệt lượng Q nhả ra trong một đơn vị thời gian:
Q = U.FT.Hm = .Sr.FT.Hm (kJ/s);

Trong đó: FT – diện tích màng lửa (m2);
Hm – nhiệt trị của hòa khí (kJ/kg).nguyễn
Từ đó thấy rằng quy luật nhả nhiệt của thời kỳ cháy nhanh, tức quy luật
biến thiên của Q phụ thuộc tốc độ lan truyền màng lửa Sr, diện tích màng lửa FT
và mật độ môi chất . Màng lửa lan càng rộng,

càng lớn vì lúc ấy số hòa khí

chưa cháy phải chịu sự chèn ép của phần đã cháy gây ra. Số hòa khí cháy cuối

cùng bị chèn ép tới 7÷ 8 lần.

Hình 1.2. Sơ đồ lan tràn màng lửa[41]
Trường hợp cháy bình thường, tốc độ lan màng lửa vào khoảng 10 ÷ 30
m/s; diện tích màng lửa thay đổi theo quy luật phân bố dung tích của buồng cháy;
đặc điểm lưu động của môi chất, vị trí đặt bugi v.v…

20


Hình 1.3. Sơ đồ phân bố màng và tốc độ màng lửa[41]
a) Chuyển động dòng khí rất yếu

b) Chuyển động xoáy mạnh của dòng khí

Hình 1.3 giới thiệu sơ đồ phân bố này và tốc độ lan màng lửa. Sơ đồ a với Sr ≤ 16
m/s, sơ đồ b với Sr tới 45 m/s.
Tốc độ lan truyền và sẽ làm cho tốc độ cháy, tốc độ nhả nhiệt, áp suất và
nhiệt độ môi chất trong xilanh tăng lên càng nhiều làm cho công suất và hiệu suất
động cơ đều được cải thiện tốt hơn. Tốc độ tăng áp suất trung bình của thời kỳ
cháy nhanh được thể hiện qua (
thường phải hạn chế

=

), còn giá trị tức thời là

. Thông

trong giới hạn (1,75 ÷ 2,5) x 105Pa/độ góc quay trục

khuỷu, mặt khác phải điều khiển để áp suất cực đại (điểm 3, hình 1.1) được xuất
hiện sau ĐCT khoảng 100 ÷ 150 góc quay trục khuỷu, lúc ấy động cơ sẽ chạy
êm, nhẹ nhàng và có tính năng động lực tốt.
1.1.2.3. Thời kỳ cháy rớt III
Được tính từ điểm 3 (điểm áp suất cực đại) trở đi. Mặc dù cuối thời kỳ II
màng lửa đã lan khắp buồng cháy, nhưng do hòa khí phân bố không thật đều,
điều kiện áp suất và nhiệt độ ở mọi khu vực trong buồng cháy không hoàn toàn
giống nhau, nên ta có những khu vực nhiên liệu chưa cháy hết. Trong quá trình
21


cháy giãn nở, do điều kiện hòa trộn thay đổi sẽ làm cho số nhiên liệu chưa cháy
được hòa trộn và bốc cháy tiếp tạo nên thời kì cháy rớt. Trong thời kì này, nhiệt
lượng nhả ra tương đối ít, dung tích động cơ lại tăng nhanh nên áp suất trong
xilanh sẽ giảm dần theo góc quay trục khuỷu. Thời kì cháy rớt dài hay ngắn là
tùy thuộc vào số hòa khí cháy rớt, nhìn chung đều mong muốn rút ngắn thời kì
cháy rớt. Nhưng cũng có trường hợp cháy rớt còn kéo dài sang cả quá trình thải,
thậm chí đến khi bắt đầu cháy hòa khí tại đây, đó là hiện tường hồi hỏa của động
cơ xăng (nổ trên đường nạp). Nói chung thời kỳ cháy rớt của động cơ xăng
thường ngắn.

1.2. Thành phần phát thải của động cơ xăng
Các thành phần độc hại trong khí thải trên động cơ xăng không trang bị hệ
thống kiểm soát khí thải gồm có NOX, CO và HC được phát sinh từ ba nguồn
phát thải với tỉ lệ phần trăm là [2]:
- 100% NOX, CO và 60% HC được phát ra ở khí thải động cơ.
- Khoảng 20% HC được phát sinh bởi hiện tượng lọt khí trong hộp trục khuỷu.
- Khoảng 20% HC còn lại được phát sinh do bốc hơi từ thùng chứa xăng, hệ
thống nhiên liệu, chế hòa khí…

Hình 1.4. Đặc tính phát thải của động cơ xăng [2].
22


Nếu không trang bị bộ xử lý khí thải thì các thành phần độc hại lần lượt có tỉ lệ
như sau:
-

CO: 0,2 đến 5% thể tích nhiên liệu tiêu thụ,

-

HC: 300 đến 6000 ppmc1 (một phần triệu theo phương pháp ion hóa FIA
hoặc FID)

-

NOX: từ 50 đến 2000 ppm

Phát thải CO cao ở chế độ không tải và toàn tải, khi động cơ làm việc với hòa khí
giàu, HC phát thải cao ở chế độ không tải, trong quá trình hâm nóng động cơ, tải
nhỏ, khi tăng tốc và giảm tốc, NOX phát thải lớn nhất khi động cơ chạy đầy tải
[2].

1.3. Một số giải pháp giảm thiểu phát thải độc hại cho động cơ xăng
Nhìn chung các biện pháp giảm phát thải độc hại được chia thành ba nhóm:
- Nhóm thứ nhất bao gồm các biện pháp giảm tối thiểu nồng độ độc hại bằng
cách tối ưu hoá chất lượng đốt cháy thông qua việc tối ưu hoá kết cấu động cơ.
- Nhóm thứ hai bao gồm các biện pháp xử lý khí thải để chuyển đổi khí thải

thành khí trơ trước khi thải ra ngoài môi trường bằng cách sử dụng các phương
pháp xử lý xúc tác.
- Nhóm thứ ba bao gồm các biện pháp liên quan đến cách thức sử dụng
nhiên liệu truyền thống và sử dụng nhiên liệu thay thế [3].
1.3.1. Nhóm phƣơng pháp tối ƣu hóa kết cấu động cơ
1.3.1.1. Điều chỉnh chính xác tỉ lệ không khí nhiên liệu (λ)
Sự tiêu thụ nhiên liệu đồng nghĩa với sự phát thải, lượng tiêu thụ nhiên
liệu càng nhiều thì sự phát thải càng lớn. Để giảm phát thải thì trên động cơ ôtô
hiện đại có lắp thêm cảm biến lambda kết hợp với bộ xúc tác ba thành phần để
nhận biết nồng độ khí thải và giúp cho máy tính điều chỉnh lượng phun hợp lý
nhằm đảm bảo sao cho tỉ lệ hòa khí gần với lý tưởng nhất [2].

23


1.3.1.2. Thiết kế hệ thống đánh lửa thích hợp
Để đảm bảo cho động cơ giảm phát thải thì nhiên liệu phải được đốt cháy
hoàn toàn, muốn vậy thì thời điểm đánh lửa phải luôn thay đổi theo tốc độ của
động cơ và năng lượng đánh lửa tại đầu bugi phải lớn. Vì vậy hầu hết các động
cơ ngày nay đều trang bị hệ thống đánh lửa theo chương trình ESA nhằm kiểm
soát góc đánh lửa tối ưu cùng với sự kiểm soát dòng sơ cấp để tăng năng lượng
đánh lửa. Ngoài ra để tăng năng lượng đánh lửa thì sử dụng bugi có kết cấu mới
cũng được áp dụng [3].
1.3.1.3. Tối ưu kết cấu buồng cháy, vị trí bugi, xupáp
Thí nghiệm của Bosch trên động cơ xăng thấy rằng vị trí bugi đặt ở trung
tâm thì lượng tiêu hao nhiên liệu và phát sinh HC nhỏ hơn so với bugi đặt
không ở vị trí trung tâm. Động cơ có 4 xupáp thì lượng HC sẽ giảm mạnh so
với 2 xupáp, suất tiêu hao nhiên liệu sẽ giảm hơn khi λ

1,25 [3].

1.3.1.4. Luân hồi khí thải
Để giảm quá trình hình thành NOX trong khí thải khi nhiệt độ buồng đốt cao,
van EGR cho hồi lưu một phần khí thải với mục đích làm bẩn khí nạp để giảm
nhiệt độ quá trình cháy, ngoài ra trên động cơ cũng có thể thiết kế góc trùng
điệp lớn cũng nhằm mục đích giảm NOX gọi là luân hồi nội tại. Khi EGR mở
càng lớn thì NOX giảm nhưng đồng nghĩa với việc HC sẽ tăng lên [2].

Hình 1.5. Ảnh hưởng của EGR tới sự phát thải của động cơ xăng [2].
24


1.3.2. Nhóm phƣơng pháp xử lý khí thải
Khí thải trên động cơ xăng được xử lý bằng các phương pháp sau đây
1.3.2.1. Xử lý bằng bộ xúc tác ba thành phần
Hình 1.6 dưới thể hiện sự phát thải của động cơ xăng khi không trang bị bộ
xúc tác (nét gạch) và trang bị bộ xúc tác (nét liền), dễ dàng nhận thầy khi chạy
với λ=1 thì nồng độ của các chất phát thải từ khí thải động cơ gần bằng không
[4].

Hình 1.6. Đặc điểm phát thải trên động cơ xăng trang bị bộ xúc tác
Phương pháp này là đốt cháy tiếp khí xả CO và HC trong hệ thống thải bằng
cách nào đó để giảm trực tiếp lượng khí xả độc hại và đốt nóng nhanh bộ xử lý
xúc tác nhờ nhiệt phát sinh trong quá trình ô xy hoá HC và CO để bộ xúc tác
nhanh đạt tới nhiệt độ làm việc hiệu quả [3].
Ngoài ra, giữ nhiệt trên đường thải sẽ giảm sự mất mát nhiệt của khí thải
trước khi đưa vào bộ xử lý xúc tác giúp cải thiện quá trình hâm nóng bộ xúc tác
để nó nhanh đạt đến nhiệt độ làm việc hiệu quả [3].

25