Tìm hiểu các phương pháp hình thành hỗn hợp trong động cơ điezen và các giải pháp nâng cao hiệu suất nhiệt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

TRẦN THỊ HÀ

TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG PHÁP HÌNH THÀNH
HỖN HỢP CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐIEZEN VÀ CÁC GIẢI PHÁP NÂNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HÀ NỘI, 2013


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

TRẦN THỊ HÀ

TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG PHÁP HÌNH THÀNH HỖN
HỢP CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐIEZEN VÀ CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU

Chuyên ngành: Sư Phạm Kĩ Thuật

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học
KS. Trần Văn Giảng

HÀ NỘI, 2013

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại Học Sư Phạm
Hà Nội 2. Đến nay, em đã hoàn thành chương trình và được làm khóa luận tốt
nghiệp với đề tài: “Tìm hiểu các phương pháp hình thành hỗn hợp cháy
trong động cơ Điezen và các giải pháp nâng cao hiệu suất nhiệt”, dưới sự
hướng dẫn của thầy giáo - KS. Trần Văn Giảng. Khóa luận của em đã hoàn
thành. Vậy:
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất đến thầy giáo - KS.
Trần Văn Giảng, là người đã hướng dẫn em hết sức tận tình và chu đáo về cả
mặt chuyên môn và tài liệu để em hoàn thành được khóa luận này.
Đồng thời em cũng xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô và các bạn
sinh viên trong Khoa Vật Lý, đặc biệt là các thầy giáo cô giáo trong tổ Kĩ
thuật đã giúp đỡ tạo và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em hoàn tốt khóa luận
này.
Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình và người thân luôn cổ
vũ, động viên, giúp đỡ em hoàn thành khóa luận.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, tháng 05 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Trần Thị Hà


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản khóa luận tốt nghiệp với đề tài: “Tìm hiểu các
phương pháp hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ Điezen và các giải
pháp nâng cao hiệu suất nhiệt” là kết quả nghiên cứu thực sự của tôi, được
thực hiện dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết kết hợp với kiến thức chuyên
ngành và dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy giáo - KS. Trần Văn Giảng.
Tôi xin cam đoan các số liệu, bảng biểu, hình ảnh và kết quả nghiên
cứu trong khóa luận này là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác;

các nhận xét, giải pháp đưa ra xuất phát từ thực tiễn và kinh nghiệm hiện có
của bản thân.
Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam đoan trên.
Hà Nội, tháng 05 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Trần Thị Hà


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và chỉ số xetan..............................8
Bảng 1.2: Các thành phần cơ bản và đặc tính của nhiên liệu động cơ..............11
Bảng 2.1: Các thông số đặc trưng của quá trình công tác động cơ Điezen
với những buồng cháy khác nhau....................................................................41


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ động cơ nén - nổ Điezen..........................................................5
Hình 1.2: Phạm vi biến đổi của hệ số dư không khí  phụ thuộc vào chế độ
tải.....................................................................................................12
Hình 1.3: Sự thay đổi của lượng nhiệt qhhn theo thành phần hỗn hợp (biểu
thị bằng  ).......................................................................................12
Hình 1.4. Sơ đồ thí nghiệm chụp ảnh quá trình phun nhiên liệu và quá
trình cháy trong động cơ Điezen phun nhiên liệu trực tiếp..............15
Hình 1.5. Quan sát quá trình phun nhiên liệu và cháy từ phía trên nắp
xi lanh..............................................................................................16
Hình 1.6: Quan sát chụp ảnh quá trình cháy theo phương ngang quá
buồng cháy.......................................................................................17
Hình 1.7. Sơ đồ hệ thống chụp ảnh buồng cháy dùng thiết bị nội soi.............18
Hình 2.1: Buồng cháy không phân cách cho hình thành hỗn hợp theo
thể tích.............................................................................................21

Hình 2.2: Buồng cháy không phân cách cho hình thành hỗn hợp theo màng 22
Hình 2.3: Các buồng cháy xoáy lốc.................................................................25
Hình 2.4: Các dạng buồng cháy cháy trước.....................................................26
Hình 2.5: Hình ảnh phun xé nhỏ dòng nhiên liệu chảy từ vòi phun với tốc
độ bé.................................................................................................27
Hình 2.6: Hình ảnh chụp những giọt (hạt) nhiên liệu được phun xé nhỏ
dưới tác dụng của phản lực khí động học.........................................28
Hình 2.7: 1. Đường đặc tính tổng hợp phun nhiên liệu; 2. Đường cong
tần suất.............................................................................................29
Hình 2.8: Các đặc tính phun tổng hợp với tần suất môi trường phun ở
những thời điểm phun khác nhau....................................................31


Hình 2.9: Sự biến đổi của đường kính trung bình thể tích d V và đường
i

kính trung bình của hạt nhiên liệu theo Dauteru dDi trong quá
trình phun đối với hệ thống cấp dẫn nhiên liệu Điezen IAMZ.........32
Hình 2.10: Sơ đồ chùm tia nhiên liệu I............................................................34
Hình 2.11: Hình ảnh chụp chùm tia nhiên liệu ở những pha phun khác nhau 35
Hình 2.12: Sự biến đổi các thông số chùm tia theo thời gian...........................35
2

Hình 2.13: Các đường cong độ xa của chùm tia và đặc tính phun MN/m ......36
Hình 2.14: Sự biến đổi của wtr và Lch theo các chế độ công tác khác nhau
của bộ cấp dẫn nhiên liệu điezen IAM 236.......................................38
Hình 2.16: Hình ảnh chụp sự phát triển của chùm tia nhiên liệu khi phun. . . 39
Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý động cơ 6 kì........................................................43

MỤC LỤC
Trang phụ bìa ...................................................................................................
Lời cảm ơn .......................................................................................................
Lời cam đoan ...................................................................................................
Danh mục các bảng ..........................................................................................
Danh mục các hình vẽ ......................................................................................
MỞ ĐẦU.......................................................................................................... 1
NỘI DUNG....................................................................................................... 4
CHƯƠNG 1: NHIÊN LIỆU, HỖN HỢP CHÁY VÀ CÁC PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP
TRONG ĐỘNG CƠ ĐIEZEN........................................................................ 4
1.1. Nhiên liệu của động cơ Điezen............................................................. 4
1.1.1 Khái niệm chung.......................................................................... 4
1.1.2. Nhiên liệu Điezen và động cơ Điezen......................................... 5
1.2. Tóm tắt về cấu trúc và các thành phần cơ bản của nhiên liệu dùng
trong động cơ............................................................................................... 9
1.2.1 Cấu trúc của nhiên liệu................................................................. 9
1.2.2. Các thành phần cơ bản của nhiên liệu.........................................9
1.2.3. Nhiệt trị của nhiên liệu................................................................ 9
1.3. Hỗn hợp cháy..................................................................................... 10
1.3.1. Hệ số dư không khí ................................................................ 11
1.3.2. Các thông số đặc trưng của hỗn hợp nạp mới............................ 13
1.4. Các phương pháp nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp trong
động cơ Điezen.......................................................................................... 13
1.4.1. Cơ sơ nghiên cứu, phân tích quá trình hình thành hỗn hợp
trong động cơ Điezen.......................................................................... 13


1.4.2. Các phương pháp nghiên cứu hình thành hỗn hợp và cháy
trong động cơ Điezen.......................................................................... 14

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP HÌNH THÀNH HỖN HỢP
CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐIEZEN VÀ CÁC GIẢI PHÁP NÂNG
CAO HIỆU SUẤT NHIỆT TRONG ĐỘNG CƠ......................................... 19
2.1. Sự hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ........................................ 19
2.2. Các loại buồng cháy trong động cơ Điezen........................................20
2.2.1. Buồng cháy không phân cách....................................................20
2.2.2. Buồng cháy phân cách...............................................................24
2.3. Phun nhiên liệu và các thông số của quá trình phun...........................27
2.4. Sự phát triển của chùm tia nhiên liệu..................................................33
2.4.1. Đặc tính của chùm tia................................................................33
2.4.2. Ảnh hưởng của các nhân tố khác nhau tới sự phát triển và
cấu trúc chùm tia.................................................................................36
2.5. So sánh các phương pháp hình thành hỗn hợp khác nhau...................40
2.6. Giải pháp nâng cao hiệu suất nhiệt động cơ Điezen...........................42
2.6.1. Đặt vấn đề................................................................................. 42
2.6.2. Giải pháp nâng cao hiệu suất nhiệt động cơ Điezen..................42
KẾT LUẬN.................................................................................................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………48


1. Lý do chọn đề tài

MỞ ĐẦU

1.1. Tính cấp thiết của đề
tài.
Bước sang thế kỉ 21, sự tiến bộ về khoa học kĩ thuật của nhân loại đã
bước lên một tầm cao mới. Rất nhiều những thành tựu khoa học kĩ 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 ngành động cơ đốt trong là một trong những ngành tiềm năng.
Do sự tiến bộ về khoa học công nghệ động cơ đốt trong phát triển một cách ồ
ạt, tỉ lệ ô nhiễm nguồn nước và không khí do chất thải của động cơ đốt trong
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 đó là phải đảm bảo chất lượng khí thải, tiết kiệm
nhiên liệu và đặc biệt là nâng cao hiệu suất của động cơ. Từ những năm 1784
đến năm 1901, trải qua 115 năm đã có rất nhiều những phát minh mới về
động cơ đốt trong đặc biệt là động cơ Điezen và nâng cao hiệu suất nhiệt của
loại động cơ này do những ưu điểm vượt trội của nó so với động cơ xăng. Và
từ những năm 1901 trở lại đây chúng ta chủ yếu nghiên cứu nhằm mục đích
nâng cao hiệu suất động cơ Điezen nhưng việc nâng cao được hiệu suất nhiệt
là rất thấp.
Vì thế, đề tài: “Tìm hiểu các phương pháp hình thành hỗn hợp cháy
trong động cơ Điezen và các giải pháp nâng cao hiệu suất nhiệt” được thực
hiện nhằm phần nào bổ sung thêm nguồn tài liệu tham khảo, đóng góp một
1
0


phần nhỏ bé vào việc giải quyết vấn đề cấp bách của động cơ Điezen hiện nay
là tiết kiệm nhiên liệu và nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ.
1.2. Ý nghĩa của đề tài.
Những kết quả thu thập được sau khi hoàn thành đề tài này trước tiên là
sẽ giúp cho em - sinh viên khoa Vật Lý chuyên ngành Sư phạm Kĩ thuật có

thể hiểu sâu hơn về các phương pháp hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ
Điezen và các giải pháp nâng cao hiệu suất, có những kiến thức cơ bản để áp
dụng vào thực tế, phát huy những ưu điểm mà động cơ Điezen mang lại.
2. Mục đích đề tài.
Với yêu cầu nội dung của đề tài, mục đích cần đạt được khi hoàn thành
đề tài như sau:
Tìm hiểu, nghiên cứu các phương pháp hình thành hỗn hợp cháy trong
động cơ Điezen. Từ đó:
Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu suất động cơ Điezen.
3. Giả thuyết khoa học
Nếu nghiên cứu, tìm hiểu được các phương pháp hình thành hỗn hợp
cháy trong động cơ Điezen sẽ giúp cho việc sử dụng động cơ tốt hơn, và giúp
tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao được hiệu suất của động cơ.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Giới hạn nội dung vấn đề:
- Tìm hiểu, nghiên cứu các phương pháp hình thành hỗn hợp cháy trên
động cơ Điezen
- Các giải pháp nâng cao hiệu suất của động cơ Điezen
Phạm vi nghiên cứu: Động cơ Điezen
5. Nhiệm vụ nghiên cứu
Để thực hiện đề tài cần thực hiện các nhiệm vụ sau:
- Tìm hiểu, nghiên cứu và phân tích các phương pháp hình thành hỗn
hợp cháy của động cơ Điezen.


- Các giải pháp nâng cao hiệu suất nhiệt cho động cơ Điezen
- Tham khảo tài liệu trong và ngoài nước để hoàn thiện đề tài nghiên cứu
của mình: “ Tìm hiểu các phương pháp hình thành hỗn hợp cháy của động cơ
Điezen và các giải pháp nâng cao hiệu suất ”.
6. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu: Lí thuyết
7. Cấu trúc khóa luận
Cấu trúc khóa luận gồm 3 phần chính:
- MỞ ĐẦU
- NỘI DUNG
Nội dung khóa luận gồm 2 chương:
Chương 1: Nhiên liệu, hỗn hợp cháy và các phương pháp nghiên cứu quá
trình hình thành hỗn hợp trong động cơ Điezen.
Chương 2: Các phương pháp hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ
Điezen và các giải pháp nâng cao hiệu suất nhiệt trong động cơ.
- KẾT LUẬN


NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: NHIÊN LIỆU, HỖN HỢP CHÁY VÀ CÁC PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP
TRONG ĐỘNG CƠ ĐIEZEN
1.1. Nhiên liệu của động cơ Điezen
1.1.1 Khái niệm chung
Trong động cơ đốt trong, năng lượng nhiệt, cần thiết để biến đổi thành
công cơ học, nhận được do phản ứng hóa học (phản ứng cháy) giữa nhiên liệu
và ôxy của không khí nạp vào trong xilanh. Thời gian để tiến hành những
phản ứng này trong động cơ cao tốc hiện đại là rất ngắn, chỉ khoảng vài phần
trăm thậm chí vài nghìn giây. Thời gian của quá trình chuẩn bị hỗn hợp nhiên
liệu với không khí cho tới khi có phản ứng hóa học xảy ra mạnh phụ thuộc
vào phương pháp hình thành hỗn hợp và số kì của động cơ.
Phương pháp hình thành hỗn hợp nhiên liệu với không khí và tiến hành
phản ứng hóa học là nguyên nhân của hàng loạt yêu cầu đối với nhiên liệu sử
dụng trong động cơ đốt trong. Trong các động cơ hình thành hỗn hợp bên
trong đặc biệt là động cơ Điezen, nhiên liệu được đưa trực tiếp vào trong

xilanh. Bắt đầu phun nhiên liệu được tiến hành ở cuối quá trình nén ép và một
phần nhỏ nhiên liệu bốc cháy trước, còn phần lớn tiếp tục đi vào trong quá
trình cháy. Do vậy cần phun nhiên liệu dưới dạng sương mù để đảm bảo cho
sự hòa trộn nhiên liệu với không khí ở trong xilanh.
Thời gian thực hiện các giai đoạn của quá trình cháy nhiên liệu trong
xilanh không được kéo dài. Ngoài những yêu cầu cơ bản đã nêu trên, nhiên
liệu sử dụng còn cần phải có những yêu cầu sau:
- Bảo đảm khởi động động cơ nhanh và tin cậy, không phụ thuộc vào
nhiệt độ môi trường xung quanh.
- Cho phép thực hiện quá trình cháy không hình thành muội và kết cốc
trên bề mặt buồng cháy.


- Tạo điều kiện giảm mòn và rỉ ống lót xilanh, xecmăng và pit-tông.
- Bảo đảm điều kiện cháy hoàn toàn và đúng lúc, hạn chế số lượng các
thành phần độc hại trong sản phẩm cháy.
1.1.2. Nhiên liệu Điezen và động cơ Điezen
Những tính chất của nhiên liệu Điezen được giải thích tốt nhất sau khi
nghiên cứu các đặc trưng của động cơ nén - nổ - động cơ Điezen. Sơ đồ động
cơ nén - nổ Điezen được cho trên hình 1.1.

Hình 1.1: Sơ đồ động cơ nén - nổ Điezen
Nguyên lí cơ bản của động cơ này là dựa trên nhiệt nén làm bốc cháy
nhiên liệu. Nhiên liệu được tiêm vào buồng nén mà ở đó không khí đã được
2

nén tới 1 áp lực từ 41,5 - 45,5 kg/cm và đạt tới nhiệt độ ít nhất là 500°C.
Nhiệt độ này đủ để làm bốc cháy nhiên liệu và khí giãn nở làm tăng áp lực lên
2

tới trên 70 kg/cm . Áp lực này tác động lên pit-tông và làm động cơ chuyển
động.
Trong động cơ nén - nổ 4 kì bình thường, 1 vòng có thể chia thành 4 kì:
1. Hút không khí vào xilanh, sau đó van vào đóng lại.


2. Nén không khí trong xilanh tới một thể tích xác định (trong kì nén này
áp suất và nhiệt độ tăng lên), khi đó nhiên liệu Điezen được phun vào buồng
nén.
3. Nhiên liệu cháy. Khí cháy giãn nở trong khi tất cả các van đóng, áp
lực tác động lên đầu pit-tông làm máy chuyển động.
4. Van xả mở và khí cháy được thải ra ngoài buồng nén. Kì này hoàn
thành 1 vòng của động cơ và vòng tiếp theo được bắt đầu với việc đóng van
xả. Như vậy có 1 kì sinh công và 3 kì không tải cho hai chuyển động của tay
quay.
Trong động cơ 2 kì không khí bị nén như trên, nhưng ngay gần đầu kì
sinh công, van xả mở ra và xilanh được quét bằng không khí sạch từ một máy
bơm sao cho kì trở lại nén không khí sạch. Nén không khí sạch là cần thiết để
đạt hiệu quả của tay quay và động cơ làm việc mạnh hơn và êm hơn so với
động cơ bốn kì có cùng cỡ và tốc độ.
Những thuận lợi chủ yếu của động cơ Điezen là sự gọn gàng của động
cơ, sạch sẽ và hiệu quả nhiệt cao.
Như trên hình 1.1 đã trình bày, trong chu trình làm việc của động cơ
Điezen, nhiên liệu tự bốc cháy trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tới hạn,
không cần mồi lửa từ bugi. Vì thế tính chất quan trọng của nhiên liệu Điezen
là chất lượng cháy của nó. Chất lượng cháy của nhiên liệu Điezen phải được
đo bằng nhiệt độ cháy tức thời và bằng các phép thử động cơ được chế tạo
đặc biệt để thu được các giá trị số đối với sự trễ cháy.
Nhiệt độ cháy tức thời (SIT - Spontaneous Ignition Temperature) liên
quan rất nhiều đến hàm lượng hyđro của dầu và đồng thời nó được xem như

phép đo sự tiện lợi của việc dùng nhiên liệu Điezen.
Một giá trị nhiệt độ thấp của sự tự bốc cháy trong ôxy được xem là thuận
tiện cho việc dùng dầu đó. Phép thử này chỉ là một chỉ dẫn rất chung cho sự
tiện lợi của việc dùng nhiên liệu Điezen.


Giá trị SIT của xăng ôtô (OC 75) là khoảng 500°C, của dầu Điezen (chỉ
số xetan 50) là 260°C và của octan là 235°C.
Phương pháp tốt nhất đánh giá chất lượng nhiên liệu Điezen là thử trong
động cơ, nhưng một phương pháp thử gần đúng có thể thu được là xác định tỉ
lệ parafin trong nhiên liệu Điezen.
Trong trường hợp các nhiên liệu đi từ dầu mỏ thì hàm lượng parafin
càng cao thì chất lượng cháy càng tốt. Điều này không phải luôn đúng với các
nhiên liệu thu được từ đá dầu và các phân đoạn thu được từ than đá.
Một phép thử khác là điểm anilin. Người ta dựa trên thực tế là các
hiđrocacbon thơm trộn lẫn dễ dàng với anilin ở nhiệt độ phòng, nhưng với các
parafin cần đốt nóng tới một nhiệt độ tương đối cao chúng mới trộn lẫn hoàn
toàn với anilin. Điểm anilin được chuyển thành chỉ số Điezen theo biểu thức:
Điểm anilin (°F) × Trọng lượng (API)
Chỉ số Điezen =

(1.1)
100

Chỉ số Điezen không thật tin tưởng như chỉ số xetan nhưng nó là một chỉ
dẫn hữu ích khi không có điều kiện thử động cơ. Về giá trị số, chỉ số Điezen
thường cao hơn 3 đơn vị so với chỉ số xetan và nó có thể chuyển thành chỉ số
xetan theo công thức sau:
Chỉ số xetan (tính toán) = Chỉ số Điezen + 0,068 ×T sôi trung bình (

0

F

)

− 22

(1.2)

Khi chất lượng cháy được thử trong một động cơ Điezen chuẩn thì kết
quả được biểu thị bằng chỉ số xetan. Xetan là một parafin, C16

chất lượng

H34

cháy cao và người ta gắn cho nó có chỉ số xetan bằng 100. α - Metylnaphtalen
là một hiđrocacbon thơm mà người ta quy ước nó có chỉ số xetan bằng 0.
Chúng tạo nên thang đo chỉ số xetan. Vậy chỉ số xetan của một nhiên liệu
Điezen là phần trăm theo thể tích của xetan trong hỗn hợp hai hiđrocacbon
xetan và α-metylnaphtalen mà nó có cùng chất lượng nổ như nhiên liệu đó.


Ở Mĩ, người ta dùng một động cơ CFR (Cooperative of Fuel. Research)
đã được tiêu chuẩn hoá để tiến hành phép thử dưới những điều kiện chuẩn về
nhiệt độ không khí, tốc độ, tốc độ nhiên liệu và nhiệt độ làm lạnh. Tỉ lệ nén có
thể thay đổi được và được đo so với một thời gian trễ chuẩn. Bởi vậy ý nghĩa
chung của chất lượng cháy là nhiên liệu có thời gian trễ cháy thích hợp trong
động cơ. Một chỉ số xetan cao, vượt quá 48 là cần thiết cho động cơ tốc độ

cao nhưng một động cơ tốc độ thấp không đòi hỏi như vậy bởi vì nó đòi hỏi
nhiều thời gian cho sự cháy. Ở nhiệt độ không khí cao hơn hay sự trộn không
khí vào nhiên liệu kĩ càng hơn sẽ cần nhiên liệu với chỉ số xetan thấp hơn ở
cùng một tốc độ. Thật vậy, mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và chỉ số xetan là
gần đúng như sau:
Bảng 1.1: Mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và chỉ số xetan
Tốc độ động cơ (v/ph)

Chỉ số xetan thích hợp

> 1500

60 ÷ 50

1500 ÷ 800

55 ÷ 45

800 ÷ 400

50 ÷ 35

400 ÷ 100

40 ÷ 30

< 100

30 ÷ 15

Ảnh hưởng của việc sử dụng một nhiên liệu có chỉ số xetan quá thấp là
tập trung quá nhiều nhiên liệu trong xilanh trước khi sự cháy xảy ra, như thế
một áp lực cao sẽ được hình thành và trở nên nghe thấy “tiếng gõ Điezen”.
Những phép thử hoá học và vật lí cho nhiên liệu Điezen:
Một số phép thử cần thiết cho nhiên liệu Điezen như: phép thử độ tinh
khiết (độ sạch), hàm lượng tro (không được quá 0,01%.), chất sa lắng (chỉ cần
không vượt quá 0,25%), hàm lượng nước và hàm lượng asphalt.


1.2. Tóm tắt về cấu trúc và các thành phần cơ bản của nhiên liệu dùng
trong động cơ.
1.2.1 Cấu trúc của nhiên liệu
Động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu ở cả ba thể rắn, lỏng, khí. Động cơ
Điezen sử dụng nhiên liệu ở thể lỏng. Nguồn nhiên liệu lỏng được sử dụng
chủ yếu là dầu mỏ tự nhiên, qua chưng cất trực tiếp và chế biến đặc biệt sẽ thu
được dầu Điezen, xăng, dầu sôla, dầu mazut…
Nhiên liệu lỏng có thành phần chính là các hyđrocacbon, bao gồm các
họ: parafin (ankan) có công thức CnH2n+2; naphaten (xicloankan) có công thức
CnH2n và aromatic có công thức CnH2n-6 hoặc CnH2n-12. Các hyđrocacbon như
olefin, điolefin, axetylen chiếm hàm lượng rất nhỏ trong dầu mỏ. Thông
thường trong dầu mỏ chứa 84  85% cacbon, 12  14% hyđro, còn lại là khí
nitơ, ôxy và lưu huỳnh. Mỗi phần tử hyđrocacbon trong dầu mỏ có từ 5  30
nguyên tử cacbon (nhiên liệu Điezen có đến 30C)
1.2.2. Các thành phần cơ bản của nhiên liệu
Các thành phần cơ bản của nhiên liệu được quy định bởi tỉ lệ khối lượng
hoặc thể tích của các nguyên tố riêng trong nhiên liệu. Với nhiên liệu lỏng
thường xét trong một đơn vị khối lượng. Ví dụ trong 1kg izooctan (C8H18) có
0,842kg cacbon (gC) và 0,158kg hyđro (gH). Đối với 1kg nhiên liệu lỏng với
thành phần gồm cacbon (gC), hyđro (gH) và oxy (gOnl), trong điều kiện không
có lưu huỳnh (gS = 0) có thể viết:

gC + gH + gOnl = 1kg

(1.3)

Trong đó gC, gH, gOnl – là khối lượng C, H, O có trong 1kg nhiên liệu.
1.2.3. Nhiệt trị của nhiên liệu.
Nhiệt trị của nhiên liệu là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg
3

nhiên liệu (đối với nhiên liệu lỏng) hoặc 1m nhiên liệu (đối với nhiên liệu
khí).
Có hai loại nhiệt trị: nhiệt trị cao ho và nhiệt trị thấp hu.


Nhiệt trị cao ho ngoài nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy nhiên liệu, còn kể
cả nhiệt tỏa ra cho sự ngưng tụ của hơi nước chứa trong nhiên liệu hoặc hình
thành khí đốt cháy hyđro. Khi tính toán động cơ đốt trong nên dùng nhiệt trị
thấp hu vì nhiệt độ của khí thải trong động cơ lớn hơn nhiệt độ ngưng tụ của
hơi nước.
Khi biết nhiệt trị cao ho (J/kg), có thể tính toán nhiệt trị thấp hu theo công
thức gần đúng (đối với nhiên liệu lỏng):
3

hu = ho – rn (9gH + gH2O) = ho – 2,512.10 (9gH + gH2O), J/kg
Trong đó:

(1.4)

rn – lượng nhiệt hóa hơi gần đúng của 1kg nước,

3

rn = 2,512.10 J/kg; 9gH – lượng hơi nước hình thành khi đốt cháy gH (kg)
hyđro có trong 1kg nhiên liệu, kg; GH2O – lượng nước có trong 1kg nhiên
liệu, kg.
Nhiệt trị của nhiên liệu có thể xác định gần đúng theo công thức thực
nghiệm nếu biết thành phần các nguyên tố của nhiên liệu. Theo công thức của
Menđêlêep, nhiệt trị thấp của nhiên liệu lỏng được tính:
hu =




34, 013gC  125, 6g H 10, 9 gO  gS  2, 512 9g H  gH 2O  .
10

6

, J/kg

(1.5)

Nhiệt trị cũng có thể đo bằng thí nghiệm:
- Nhiên liệu Điezen là:

hu = 9750  10500 kcal/kg

- Xăng, dầu lửa:

hu = 10300  10550 kcal/kg

1.3. Hỗn hợp cháy
Hỗn hợp cháy bao gồm hỗn hợp nạp mới và khí sót trong xilanh. Hỗn
hợp nạp mới là hỗn hợp cơ học giữa nhiên liệu và không khí. Đối với động cơ
Điezen là hỗn hợp giữa nhiên liệu Điezen với không khí được hình thành ở
trong xilanh cuối kì nén ép.

10


Bảng 1.2: Các thành phần cơ bản và đặc tính của nhiên liệu động cơ
Các thông số

Nhiên liệu Điezen

Các thành phần

gC

0,855

chính xác định theo

gH

0,126

khối lượng, kg

gOnl

0,004

Nhiệt trị (khi cháy 1kg nhiên liệu), MJ/kg
Nhiệt trị (khi cháy 1kg nhiên liệu), Kcal/kg
Nhiệt trị (khi cháy 1kmol hỗn hợp

42,5
1000  10400
86,0

 = 1), MJ/kmol

Lượng không khí lí thuyết để đốt cháy hoàn toàn
1kg nhiên liệu l o , kmol

0,496
335

Nhiệt tự bốc cháy, oC
1.3.1. Hệ số dư không khí 

Hỗn hợp nạp mới được đặc trưng bởi hệ số dư không khí  , là tỉ số giữa
lượng không khí thực tế nạp vào trong xilanh động cơ l để đốt cháy 1kg
nhiên liệu và lượng không khí cần theo lí thuyết lo để đốt cháy 1kg nhiên liệu:


l

Gkk

l G
nl
o
.lo

(1.6)

Trong đó: l - lượng không khí nạp vào trong xilanh động cơ để đốt cháy
1kg nhiên liệu, kg/kg n l ;
lo

- lượng không khí cần theo lí thuyết để đốt cháy

1kg nhiên liệu, kg/kg n l ; Gkk – lượng không khí nạp vào trong xilanh, kg;
Gnl – lượng nhiên liệu nạp vào trong xilanh, kg n l .
Khi hỗn hợp đủ không khí l = lo , hệ số dư không khí  = 1; nếu   1
(thiếu ôxy), gọi là hỗn hợp giàu hay đậm; nếu  > 1 (thừa ôxy), gọi là hỗn
hợp nghèo hay hỗn hợp nhạt.
11


Đối với động cơ Điezen có điều chỉnh chất lượng hỗn hợp, hệ số dư
không khí  phụ thuộc vào chế độ tải biến đổi trong phạm vi rộng (từ  = 5
hay hơn thế khi non tải cho tới  = 1,4  1,25 khi toàn tải). Khi tính nhiệt
động cơ Điezen thường chọn ở chế độ toàn tải  = 1,3  1,6, nếu chọn  thấp
hơn nữa thì sẽ cháy không hết, có phần CO trong khí thải và xả khói đen.
Trên hình vẽ 1.2 đưa ra những đường cong phụ thuộc của hệ số dư
không khí  vào chế độ tải của động cơ.
Lượng nhiệt tỏa ra qhhn khi đốt cháy 1kg hỗn hợp với những  khác
nhau thì cũng khác nhau (1.3)

Hình1.2: Phạm vi biến đổi của

Hình 1.3: Sự thay đổi của lượng nhiệt

hệ số dư không khí

qhhn theo thành phần hỗn hợp (biểu thị

 phụ thuộc vào chế độ tải

bằng  )

1. Động cơ xăng;
2. Động cơ Điezen


1.3.2. Các thông số đặc trưng của hỗn hợp nạp mới
1.3.2.1.

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nạp mới C V

hhn

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nạp khí mới còn gọi là tỉ nhiệt của hỗn
hợp nạp mới:
Đối với động cơ Điezen, nhiệt dung riêng của hỗn hợp nạp mới chính là
nhiệt dung riêng của không khí:
CV

hhn

CV

hhn

hoặc

C

(1.7)

KK

= 0,165 + 0,000017.Tc, kcal/kg.độ
3

CVK = (0,165 + 0,000017.Tc).4,187.10 , J/kg.độ

(1.8)

Trong đó: Tc – nhiệt độ cuối kì nén, o K .
1.3.2.2.

Hằng số chất khí của hỗn hợp nạp mới Rhhn
Đối với động cơ Điezen, hằng số chất khí của hỗn hợp nạp mới chính là

hằng số chất khí của không khí:
Rhhn = RKK

(1.9)

Hằng số chất khí của không khí: RKK = 29,27kG.m/kg.độ hoặc
RKK = 288j/kg.độ.
1.4. Các phương pháp nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp trong
động cơ Điezen.
1.4.1. Cơ sơ nghiên cứu, phân tích quá trình hình thành hỗn hợp trong
động cơ Điezen.
Quan sát và chụp ảnh diễn biến quá trình cháy trong xilanh 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, 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 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.
1.4.2. Các phương pháp nghiên cứu hình thành hỗn hợp và cháy trong

động cơ Điezen.
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.
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 1.4 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 Điezen 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 1.4. Sơ đồ thí nghiệm chụp ảnh quá trình phun nhiên liệu và quá trình
cháy trong động cơ Điezen 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 (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 1.5 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, pit-tông phải có kết cấu kéo
dài đặc biệt và đỉnh pit-tông phải bằng vật liệu trong suốt và đặt các gương
phản chiếu cố định phía dưới như trên hình 1.5. Nhược điểm của phương
pháp bố trí như trên là vật liệu trong suốt trên đỉnh pit-tông 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 1.5. 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