Mô phỏng quá trình cháy của động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ sử dụng nhiên liệu xăng ethanol

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG

MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ
PHUN XĂNG TRÊN ĐƯỜNG NẠP ĐỘNG CƠ
SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG - ETHANOL

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN PHƯỚC TRÍ

Đà Nẵng – Năm 2018


TĨM TẮT
Tên đề tài: Mơ phỏng q trình cháy của động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ sử
dụng nhiên liệu xăng-ethanol
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí
Số thẻ SV: 103130088

Lớp: 13C4A

Đề tài này tập trung về việc tìm hiểu và thực hiện mơ phỏng q trình cháy động cơ
phun xăng trên đường nạp động cơ sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol. Đề tài được xây
dựng từ kiến thức chuyên ngành phục vụ việc tính tốn và mơ phỏng.
Chương 1: Tổng quan về đề tài.
Giới thiệu động cơ sử dụng hệ thống phun xăng trên đường nạp và nhiên liệu xăngethanol.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết động cơ đánh lửa cưỡng bức.
Trình bày các chu trình làm việc của động cơ đánh lửa cưỡng bức và cơ sở lý thuyết về
mơ phỏng q trình cháy.

Chương 3: Lập quy trình tính tốn, xây dựng mơ hình 3D buồng cháy và điều kiện biên
trong phần mềm ANSYS Fluent.
Giới thiệu phần mềm ANSYS Fluent và động cơ Daewoo. Trình bày việc lập quy trình
tính tốn để từ đó xây dựng mơ hình buồng cháy bằng phần mềm Catia và xác định các
điều kiện biên của bài tốn.
Chương 4: Kết quả mơ phỏng q trình cháy động cơ phun xăng trên đường nạp động
cơ sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol.
Trình bày kết quả về sự ảnh hưởng tỉ lệ ethanol và nhiệt độ khí nạp đến các chu trình
làm việc của động cơ.


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG

CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Nguyễn Phước Trí

Số thẻ sinh viên: 103130088

Lớp: 13C4A
Khoa: Cơ Khí Giao Thơng
Ngành: Kỹ Thuật Cơ khí
1. Tên đề tài đồ án:
Mơ phỏng q trình cháy của động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ sử dụng
nhiên liệu xăng-ethanol
2. Đề tài thuộc diện :

Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
Theo catalog động cơ Daewoo 1.6L DOHC
Theo tài liệu tham khảo
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
- Tổng quan về đề tài.
Cơ sở lý thuyết động cơ đánh lửa cưỡng bức.
Lập quy trình tính tốn, xây dựng mơ hình 3D buồng cháy và điều kiện biên mơ
phỏng q trình cháy của động cơ Daewoo 1.6L DOHC trong phần mềm ANSYS
Fluent.
- Kết quả mơ phỏng q trình cháy động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ sử
dụng nhiên liệu xăng-ethanol.
5. Các bản vẽ, đồ thị:
- Mặt cắt dọc động cơ (1/A3)
- Mơ hình hình học buồng cháy động cơ (1/A3)
- Lưu đồ quy trình tính tốn (1/A3)
- Kết quả mô phỏng (5/A3)
6. Họ tên người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Quang Trung
-

7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
8. Ngày hồn thành đồ án:

29/1/2017
25/5/2017

Trưởng Bộ Mơn: Máy Động Lực

Đà Nẵng, ngày 29 tháng 01 năm 2018
Người hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên )

PGS. TS Dương Việt Dũng

ThS. Nguyễn Quang Trung


`

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ đánh lửa cưỡng bức được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực của
cuộc sống, nhưng nó cũng có nhược điểm: khả năng phát thải khí gây ơ nhiễm lớn và sự
khan hiếm của nhiên liệu hóa thạch ảnh hưởng đến giá cả nhiên liệu. Ngày nay, trước
những yêu cầu bức thiết của nhân loại cụ thể như là vấn đề tiết kiệm nhiên liệu, hạn chế
tối thiểu việc gây ô nhiễm môi trường… Các nhà sản xuất động cơ đã sử dụng nhiên
liệu thay thế là một biện pháp phổ biến.
Nhiện liệu sinh học là một trong những loại nhiên liệu mới có thể tái sinh và ít gây
ơ nhiễm mơi trường. Các loại nhiên liệu sinh học được sử dụng rỗng rãi hiện nay như
ethanol, biogas, biodiesel… Thì đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức thường dùng hỗn
hợp nhiên liệu biogasoline (hỗn hợp ethanol và xăng) bởi vì loại nhiên liệu này có nguồn
gốc cây trồng nên có một số lợi ích: an tồn năng lượng, giá nhiên liệu thấp, giảm khí
thải CO2, tái sinh nền nông nghiệp, tạo thêm nhiều việc làm cho nông dân và bảo vệ lớp
đất bề mặt. Nhưng nhược điểm của loại nhiên liệu này là giảm cơng suất động cơ và
phát thải ra lượng khí NOx cao khi sử dụng nhiều ethanol. Chính vì vậy mơ phỏng quá
trình cháy của động cơ phun xăng trên đường nạp sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol để
từ đó đánh giá các yếu tố ảnh hưởng quá trình cháy mà ở đề tài này là thành phần hỗn
hợp nhiên liệu và nhiệt độ khí nạp. Dựa trên cơ sở đó để xác định điều kiện vận hành

cho động cơ thực nghiệm và lựa chọn tỉ lệ ethanol tối ưu nhất để sử dụng trong thực tế.
Đề tài “Mơ phỏng q trình cháy của động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ
sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol” sử dụng phần mềm ANSYS Fluent mơ phỏng các chu
trình làm việc của động cơ. Đề tài là một tài liệu khá mới đối với sinh viên cơ khí động
lực, cũng như là một hướng đi mở rộng sau này cho các đề tài nghiên cứu khác.
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của ThS. Nguyễn Quang Trung
và các thầy cơ trong khoa đã giúp đỡ em hoàn thành đề tài này. Trong thời gian thực
hiện đề tài do thời gian có hạn và kiến thức cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi những
thiếu sót nhất định. Em rất mong nhận được sự giúp đỡ, ý kiến đóng góp của quý thầy
cô cùng tất cả các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn.

i


`

CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “ Mô phỏng quá trình cháy của động cơ phun xăng trên đường
nạp động cơ sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol ” này được thực hiện dựa trên sự giúp đỡ
của giáo viên hướng dẫn cùng sự thu thập kiến thức từ các tài liệu tham khảo. Đề tài
đảm bảo tính liêm chính học thuật.

Sinh viên thực hiện

ii


`

MỤC LỤC

TÓM TẮT
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................. i
CAM ĐOAN....................................................................................................................ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ ......................................................................... vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... viii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ....................................................................... 3
1.1. Giới thiệu động cơ sử dụng hệ thống phun xăng trên đường nạp ............................ 3
1.1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống phun xăng............................................................ 3
1.1.2. Ưu nhược điểm của hệ thống phun xăng ............................................................... 3
1.1.3 Một số hệ thống phun xăng tiêu biểu ..................................................................... 4
1.1.3.1 Hệ thống phun xăng điều khiển điện tử (EFI) ..................................................... 4
1.1.3.2. Phun xăng điều khiển kiểu cơ khí K-Jectronic ................................................... 7
1.1.3.3. Hệ thống phun xăng cơ điện tử KE-Jectronic .................................................... 9
1.2 Giới thiệu về nhiên liệu xăng-ethanol ..................................................................... 10
1.2.1 Tính chất của nhiên liệu xăng ............................................................................... 10
1.2.1.1 Chỉ tiêu chất lượng của xăng đối với động cơ đốt cháy cưỡng bức ................. 10
1.2.1.2. Thành phần hóa học của xăng .......................................................................... 10
a) Hydrocacbon.............................................................................................................. 10
b) Phụ gia ....................................................................................................................... 11
1.2.2. Tính chất của nhiên liệu ethanol .......................................................................... 11
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC ............ 13
2.1. Chu trình làm việc của động cơ đánh lửa cưỡng bức ............................................. 13
2.1.1. Quá trình nạp ....................................................................................................... 13
2.1.1.1. Khái niệm chung và các thơng số cơ bản ......................................................... 13
2.1.1.2 Hệ số nạp ........................................................................................................... 16

2.1.2. Q trình nén ....................................................................................................... 16
2.1.2.1. Diễn biến và các thơng số cơ bản của của trình nén ........................................ 16
2.1.2.2. Những yếu tố gây ảnh hưởng đến n1 trung bình: ............................................. 17
2.1.3. Quá trình cháy động cơ đánh lửa cưỡng bức....................................................... 18
2.1.3.1. Diễn biến bình thường của quá trình cháy ....................................................... 18
iii


`

2.1.3.2. Các nhân tố chính ảnh hưởng tới q trình cháy động cơ đánh lửa cưỡng bức
....................................................................................................................................... 20
a) Ảnh hưởng của chất lượng hịa khí tới q trình cháy .............................................. 20
b) Ảnh hưởng của tia lửa điện đến quá trình cháy ........................................................ 21
c) Ảnh hưởng của tốc độ đến quá trình cháy ................................................................. 22
d) Ảnh hưởng của tỉ số nén ........................................................................................... 22
2.1.4. Quá trình giãn nở ................................................................................................. 23
2.1.5. Quá trình thải ....................................................................................................... 25
2.2. Lý thuyết mơ phỏng q trình cháy ........................................................................ 25
2.2.1. Chu trình nhiệt động động cơ đốt trong .............................................................. 25
2.2.2. Cơ sở xác định các thơng số hịa khí ................................................................... 27
2.2.2.1. Hệ số tương đương  ........................................................................................ 27
2.2.2.2 Quy luật truyền nhiệt ......................................................................................... 27
2.2.2.3. Quy luật trao đổi chất ....................................................................................... 27
2.2.2.4. Nhiệt động học của tia phun ............................................................................. 28
2.2.2.5. Nhiệt động mơi chất ......................................................................................... 28
2.2.3. Mơ hình tính tốn chu trình nhiệt động cơ đốt trong .......................................... 29
2.2.3.1. Sơ đồ thuật tốn tính nhiệt động học động cơ đốt trong .................................. 29
2.2.3.2 Mơ hình 3D-CFD tính tốn q trình cháy động cơ đốt trong ......................... 30
2.2.3.2. Hệ phương trình vi phân sử dụng trong mơ phỏng 3D-CFD ........................... 32

2.2.4. Nhiệt động học phản ứng .................................................................................... 35
2.2.4.1. Nhiệt động hỗn hợp .......................................................................................... 35
2.2.4.2. Nhiệt động phản ứng ....................................................................................... 36
2.2.4.3. Mơ hình cháy hai khu vực ngọn lửa rối ........................................................... 37
Chương 3: LẬP QUY TRÌNH TÍNH TỐN, XÂY DỰNG MƠ HÌNH 3D BUỒNG
CHÁY VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ
DAEWOO 1.6L DOHC................................................................................................. 39
3.1. Giới thiệu phần mềm ANSYS Fluent ..................................................................... 39
3.2. Giới thiệu động cơ Daewoo 1.6L DOHC ............................................................... 40
3.2.1 Giới thiệu động cơ ................................................................................................ 40
3.2.2. Tính lượng nhiên liệu xăng- ethanol cung cấp cho động cơ và hệ số tương đương
....................................................................................................................................... 42
3.2.2.1. Tính lượng nhiên liệu xăng-ethanol cung cấp cho động cơ ............................. 42
3.2.2.2. Tính hệ số tương đương ϕ ................................................................................ 44
3.3. Lập quy trình tính tốn, xây dựng mơ hình 3D buồng cháy và mơ hình lưới, điều
kiện biên mơ phỏng q trình cháy động cơ Daewoo 1.6L DOHC .............................. 45
iv


`

3.3.1. Lập quy trình tính tốn ........................................................................................ 45
3.3.2. Xây dựng mơ hình 3D buồng cháy và mơ hình lưới trong Ansys ...................... 46
3.3.2.1. Xây dựng mơ hình 3D buồng cháy................................................................... 46
3.3.2.2. Xây dựng mơ hình lưới trong ANSYS ............................................................. 46
3.3.3. Điều kiện biên ...................................................................................................... 48
Chương 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG
TRÊN ĐƯỜNG NẠP ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG-ETHANOL ..... 50
4.1. Kết quả 1: Ảnh hưởng của tỉ lệ ethanol đến các chu trình làm việc của động cơ ở
nhiệt độ khí nạp 315K ................................................................................................... 50

4.1.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ ethanol đến quá trình nạp và nén ........................................ 50
4.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ ethanol đến quá trình cháy giãn nở ..................................... 57
4.2 Kết quả 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp đến các chu trình làm việc của động cơ
ở E30 .............................................................................................................................. 63
4.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp đến quá trình nạp và nén .................................. 63
4.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp đến q trình cháy ............................................ 65
4.3 Kết quả 3: Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp ở E20 ................................... 70
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 73
PHỤ LỤC

v


`

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 3.1: Thơng số kỹ thuật của động cơ Daewoo 1.6L DOHC ..................................41
Bảng 3.2: Dữ liệu phun ethanol, xăng trong nhiên liệu theo khối lượng tính từ tỉ lệ thể
tích .................................................................................................................................43
Bảng 3.3: Tỉ lệ đậm, nhạt của hỗn hợp nhiên liệu theo ϕ và λ ......................................44
Bảng 3.4: Dữ liệu tính tốn động cơ Daewoo 1.6L DOHC ..........................................49
Bảng 4.1: Nhiệt độ, áp suất cuối quá trình nạp (ở 180o) ...............................................51
Bảng 4.2: Hệ số dư lượng không khí α và hệ số tương đương ϕ theo thành phần hỗn hợp
nhiên liệu ở 330 (CA) ....................................................................................................52
Bảng 4.3: Phân bố nồng độ hơi nhiên liệu xăng trong xilanh cuối quá trình nén .........54
Bảng 4.4: Phân bố nồng độ hơi nhiên liệu ethanol trong xilanh cuối quá trình nén .....56
Bảng 4.5: Nhiệt độ áp suất cực đại trong quá trình cháy ..............................................58
Bảng 4.6: Diễn biến tốc độ lan truyền màng lửa khi thay đổi tỉ lệ ethanol ...................59

Bảng 4.7: Nồng độ NO, CO2 sản sinh trong quá trình cháy giãn nở theo tỉ lệ ethanol .63
Bảng 4.8: Nhiệt độ, áp suất cuối quá trình nạp (ở 180o) ...............................................64
Bảng 4.9: Diễn biến hệ số tương đương ở 330o ............................................................65
Bảng 4.10: Nhiệt độ và áp suất cực đại trong quá trình cháy .......................................66
Bảng 4.11: Diễn biến tốc độ lan truyền màng lửa khi thay đổi nhiệt độ khí nạp .........68
Bảng 4.12: Mối quan hệ của nhiệt độ khí nạp đến áp suất cực đại trong quá trình cháy
.......................................................................................................................................70
Bảng 4.13: Hệ số tương đương ở 330 độ .....................................................................70
Bảng 4.14: Áp suất, nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy ...........................................70
Bảng 4.15: Nồng độ NO, CO2 sản sinh ra trong quá trình cháy ...................................70
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun xăng điện tử Bosch Motronic .................5
Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo hệ thống phun xăng điện tử nhiều điểm Bosch Motronic .........7
Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun xăng cơ khí Bosch K-Jectronic ...............8
Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo hệ thống phun xăng cơ khí nhiều điểm Bosch K-Jectronic .......9
Hình 2.1 Phần đồ thị cơng của q trình thay đổi khí trong động cơ bốn kỳ................14
Hình 2.2 Đồ thị p-V phân tích các đường cong đặc trưng trạng thái của quá trình nén17
Hình 2.3 Quá trình cháy của động cơ xăng cháy cưỡng bức. .......................................19
Hình 2.4 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến sự thay đổi áp suất trong xilanh ........21

vi


`

Hình 2.5 Diễn biến thực tế của áp suất p và chỉ số giãn nở n’2 trong quá trình giãn nở
.......................................................................................................................................24
Hình 2.6 Diễn biến quá trình thải trong động cơ bốn kỳ ...............................................25
Hình 2.7 Mơ hình hệ nhiệt động học mở động cơ đốt trong .........................................26
Hình 2.8 Sơ đồ tính chu trình nhiệt động cơ đốt trong ..................................................29
Hình 2.9 Mơ hình bán chiều ..........................................................................................30

Hình 2.10 Sơ đồ truyền lửa ngọn lửa rối .......................................................................31
Hình 2.11 Mơ hình lưới 3D-CFD một xi-lanh của một động cơ đánh lửa cưỡng bức ..32
Hình 3.1 Máy bay được mơ hình hóa bằng ANSYS Fluent. .........................................39
Hình 3.2 Động cơ đốt trong được mơ hình hóa bằng ANSYS Fluent. .........................40
Hình 3.3 Mặt cắt dọc động cơ Daewoo Nubira 1.6L DOHC. .......................................42
Hình 3.4 Lưu đồ quy trình tính tốn ..............................................................................46
Hình 3.5 Mơ hình hình học buồng cháy động cơ ..........................................................46
Hình 3.6 Mơ hình chia lưới buồng cháy trong ANSYS ................................................47
Hình 3.7 Thơng số chọn chia lưới tự động trong mơi trường ANSYS .........................48
Hình 4.1 Diễn biến áp suất trong quá trình nạp và đầu quá trình nén ...........................50
Hình 4.2 Diễn biến nhiệt độ trong quá trình nạp và đầu quá trình nén .........................51
Hình 4.3 Diễn biến khối lượng riêng trong quá trình nạp và đầu quá trình nén ...........52
Hình 4.4 Diễn biến tốc độ bốc hơi của nhiên liệu trong quá trình phun .......................52
Hình 4.5 Hệ số tương đương theo tỉ lệ ethanol ở 330o ..................................................53
Hình 4.6 Diễn biến áp suất trong quá trình cháy giãn nở ..............................................57
Hình 4.7 Diễn biến nhiệt độ trong quá trình cháy giãn nở ............................................58
Hình 4.8 Diễn biến nồng độ ethanol trong quá trình cháy giãn nở ...............................61
Hình 4.9 Diễn biến nồng độ xăng trong quá trình cháy giãn nở ...................................61
Hình 4.10 Diễn biến nồng độ khí oxy trong q trình cháy giãn nở .............................62
Hình 4.11 Diễn biến q trình sản sinh khí thải CO2 trong quá trình cháy giãn nở ......62
Hình 4.12 Diễn biến q trình sản sinh khí thải NO trong quá trình cháy giãn nở .......63
Hình 4.13 Diễn biến áp suất trong quá trình nạp và đầu quá trình nén .........................63
Hình 4.14 Diễn biến nhiệt độ trong quá trình nạp và đầu quá trình nén .......................64
Hình 4.15 Diễn biến khối lượng riêng trong quá trình nạp ...........................................64
Hình 4.16 Tốc độ bốc hơi của nhiên liệu trong quá trình phun.....................................65
Hình 4.17 Diễn biến áp suất trong quá trình cháy giãn nở ............................................66
Hình 4.18 Diễn biến nhiệt độ trong quá trình cháy giãn nở ..........................................66
Hình 4.19 Diễn biến quá trình sản sinh khí thải CO2 trong q trình cháy giãn nở ......69
Hình 4.20 Diễn biến q trình sản sinh khí thải NO trong quá trình cháy giãn nở .......69

vii


`

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU:
Vc: thể tích buồng cháy
Va: thể tích tồn phần
D: đường kính piston

W- tốc độ dịng khí qua xupap

0 - hệ số cản của đường nạp quy dẫn về
tốc độ W
θs: góc đánh lửa sớm

S: hành trình piston
pa: áp suất mơi chất cuối quá trình nạp

pz: áp suất cực đại trong quá trình cháy
Tz: nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy

Ta: nhiệt độ mơi chất cuối q trình nạp
Tk: nhiệt mơi chất ở trước xupap nạp

n2: chỉ số giãn nở đa biến trung bình
k2: chỉ số đoạn nhiệt của sản vật cháy
 : tỉ số nén

pk: áp suất môi chất ở trước xupap nạp
pr: áp suất khí sót
pth: áp suất sản vật cháy trên đường thải
Tr: nhiệt độ khí sót
γr: hệ số khí sót
ηv: hệ số nạp

α: hệ số dư lượng khơng khí
ϕ: hệ số tương đương
gct: lượng nhiên liệu cung cấp cho động
cơ trong một chu trình

ΔT: gia số nhiệt độ sấy nóng mơi chất

n: tốc độ động cơ

n1: chỉ số nén đa biến trung bình
k1: chỉ số đoạn nhiệt
Wk- tốc độ dịng khí tại cửa nạp vào của
đường nạp

tp: thời gian phun
φ: góc quay trục khuỷu

CHỮ VIẾT TẮT:
ECU: Bộ xử lý và điều khiển trung tâm (Electronic Control Unit)
EFI: Hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử (Electronic Fuel Injection)
ĐCT: Điểm chết trên
ĐCD: Điểm chết dưới

DOHC: Hệ thống phân phối khí 2 trục cam
CA: Góc quay trục khuỷu (Crank Angle)
CFD: Tính tốn động lực học dịng chảy (Computional Fluid Dynamics)

viii


Mơ phỏng q trình cháy động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết đề tài
Trước nguy cơ của sự phát triển dân số, lệ thuộc nguồn năng lượng hóa thạch và sự
biến đổi khí hậu tồn cầu, tại Mỹ và nhiều nơi khác đang có nhiều chương trình, dự án
phát triển công nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học, chủ yếu là ethanol. Nhu cầu sử dụng
năng lượng nói chung và nhiên liệu nói riêng của con người tăng theo sự phát triển của
xã hội, ô nhiễm môi trường đang là mối quan tâm hàng đầu của nhân loại, những nguồn
nhiên liệu hố thạch (xăng, dầu, khí đốt...) sẽ cạn kiệt. Với tình hình đó thì vấn đề sử
dụng nhiên liệu sạch cho các loại đông cơ đốt trong đang là mối quan tâm của nhiều nhà
khoa học. Hiện nay, động cơ phun xăng trên đường nạp được sử dụng phổ biến trên toàn
thế giới. Vấn đề đặt ra là xăng sinh học hiện nay vẫn chưa được sử dụng rộng rãi ở Việt
Nam. Vì vậy, đề tài nghiên cứu sử dụng hỗn hợp xăng - ethanol cho động cơ phun nhiên
liệu trên đường nạp là cần thiết và là hướng đi mà các nhà khoa học ở nước ta đang quan
tâm.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Đánh giá quá trình cháy của nhiên liệu xăng-ethanol thông qua mô phỏng nhằm
nâng cao tỉ lệ sử dụng ethanol.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Động cơ Daewoo là động cơ xăng bốn kỳ 1.6L DOHC, được sử dụng làm nguồn

động lực trên xe ơ tơ Nubirra, có cơng suất 79 kw tại tốc độ 6000 vịng/phút và mơ men
xoắn cực đại là 150 Nm tại tốc độ 4000 vòng/phút.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung mô phỏng các chu trình làm việc của động cơ đánh lửa cưỡng bức
phun nhiên liệu trên đường nạp (quá trình nạp, nén và cháy giãn nở) thông qua tỉ lệ
ethanol và nhiệt độ khí nạp.
4. Phương pháp nghiên cứu
Ứng dụng phần mềm ANSYS Fluent để mơ phỏng q trình cháy trên động cơ
Daewoo 1.6L DOHC.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Hiệu quả kinh tế xã hội: Nghiên cứu một loại nhiên liệu sinh học mới có nhiều
ưu điểm, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, có thể pha trộn với xăng theo tỷ lệ lớn, giảm
chi phí nhiên liệu xăng và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí

Hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Trung

1


Mơ phỏng q trình cháy động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol

-

Hiệu quả khoa học: Việc nghiên cứu và sử dụng xăng sinh học có tầm quan trọng

lớn đối với khoa học, là nguồn nhiên liệu mới thay thế xăng thường phẩm. Với nhiều ưu
điểm vượt trội, nó khơng chỉ là biện pháp tình thế nhằm làm tăng chỉ số octane của xăng,
thay thế cho những phụ gia gây ô nhiễm môi trường sinh thái, mà cịn đảm bảo an tồn

năng lượng cho mỗi quốc gia vì đây là nguồn năng lượng có thể tái tạo được. Việc dùng
ethanol làm nhiên liệu có tác dụng ngăn chặn hiệu ứng nhà kính. Vì vậy nó được gọi là
“xăng xanh” .Theo các tính tốn cho thấy nếu thay thế việc đốt một lít xăng bằng một
lít cồn sẽ giảm 40% lượng phát sinh khí CO2 vào khí quyển giúp mơi trường được xanh
sạch hơn.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí

Hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Trung

2


Mơ phỏng q trình cháy động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1. Giới thiệu động cơ sử dụng hệ thống phun xăng trên đường nạp
1.1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống phun xăng
Năm 1887, người Mỹ đã có đóng góp to lớn trong việc triển khai hệ thống phun
xăng vào sản xuất, áp dụng trên động cơ tĩnh tại. Đầu thế kỷ 20, người Đức áp dụng hệ
thống phun xăng trên động cơ 4 thì tĩnh tại (nhiên liệu trên động cơ này là dầu hỏa nên
hạy bị kích nổ và hiệu suất thấp). Từ đó trở đi, hệ thống phun xăng được áp dụng trên
các ô tô ở Đức và nó đã thay dần động cơ sử dụng bộ chế hịa khí.
Việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống phun xăng bị gián đoạn trong một khoảng thời
gian dài do chiến tranh thế giới thứ II, đến năm 1962 người Pháp phát triển nó trên ơ tô
Peugeot 404. Họ điều khiển sự phân phối nhiên liệu bằng cơ khí nên hiệu quả khơng cao
và cơng nghệ vẫn chưa đáp ứng tốt. Đến năm 1966, hãng Bosch đã thành công trong
việc chế tạo hệ thống phun xăng cơ khí. Trong hệ thống này, nhiên liệu được phun liên
tục vào trước xupap nạp nên nó có tên là K-Jectronic. K-Jectronic được đưa vào sản

xuất và ứng dụng trên các hãng xe của hãng Mercedes và một số hãng xe khác, là nền
tảng cho việc phát triển hệ thống phun xăng sau này.
Vào năm 1981 hệ thống K-Jetronic được cải tiến thành KE-Jetronic và nó
được sản xuất hàng loạt vào năm 1984 và được trang bị trên các xe của hãng
Mercedes. Hệ thống này được hoàn thiện trên cơ sở của hệ thống K-Jectronic, nhờ một
số chức năng điều khiển điện tử.
Dù đã có thành cơng lớn trong việc ứng dụng hệ thống K-Jectronic và KE-Jectronic
trên ô tô, nhưng các kiểu này có khuyết điểm là bảo dưởng sửa chữa khó và giá thành
chế tạo rất cao. Vì vậy các kỹ sư đã không ngừng nghiên cứu và đưa ra các loại khác
như Mono-Jectronic, L-Jectronic, D-Jectronic.
Đến năm 1984, người Nhật đã mua bản quyền của hãng Bosch và ứng dụng hệ thống
phun xăng L-Jectronic, D-Jectronic trên các dòng xe của Toyota gọi là EFI (Electronic
Fuel Injection)
1.1.2. Ưu nhược điểm của hệ thống phun xăng [1]
So với hệ thống dung bộ chế hịa khí, hệ thống phun xăng có những ưu điểm sau:
- Số lượng và thành phần hịa khí vào các xilanh đều hơn nhờ đó trong điều kiện
sử dụng có thể dung hịa khí nhạt hơn, đặc biệt là các hệ thống phun xăng nhiều điểm.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí

Hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Trung

3


Mơ phỏng q trình cháy động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol

-

Hệ số nạp của động cơ lớn hơn vì: Khơng có họng trong đường ống nạp, giảm

mức độ sấy nóng trên đường nạp.
-

Tỷ số nén  lớn hơn vì giảm sấy nóng ống nạp khiến phần lớn xăng bay hơi

trong xilanh. Tỷ số nén lơn hơn khoảng 1 đơn vị.
- Tính hưởng ứng của động cơ được cải thiện vì khơng thấy rõ tính chậm chạm
lạc hậu của dịng xăng trong các chế độ chuyển tiếp.
- Định lượng xăng phun vào xilanh động cơ lúc khởi động chính xác hơn làm
cho động cơ khởi động lạnh dễ dàng hơn.
- Công suất động cơ cao hơn.
-

Dùng hệ thống phun xăng vào xilanh động cơ lúc khởi động chính xác hơn

làm cho động cơ ở chế độ ít tải bằng cách ngừng cấp hịa khí cho một xilanh.
-

Q trình cháy được thực hiện tối ưu nhờ điều khiển đánh lửa hợp lý.

- Ô nhiễm mơi trường do khí thải tạo ra là nhỏ, đặc biệt trong hệ thống có cảm
biến Lambda.
- Động cơ hoạt động tốt ở mọi điều kiện thời tiết, địa hình, tư thế xe.
Những ưu điểm trên làm cho công suất động cơ tăng khoảng 10%, tiêu hao nhiên
liệu giảm từ 10 ÷ 16% và giảm nhiều độc hại của khí xả.
Tuy nhiên, hệ thống phun xăng còn những tồn tại sau:
- Cấu tạo phức tạp, có độ nhạy cảm cao và yêu cầu cao đối với chất lượng xăng
và không khí (phải lọc sạch, dùng xăng khơng phai chì…), khó bảo dưỡng sửa chữa, đòi
hỏi người bảo dưỡng sửa chữa có trình độ chun mơn và tay nghề cao.
- Giá thành cao.

Ngày nay hệ thống xăng phun xăng trên đường nạp được dùng rộng rãi trên các loại
xe du lịch cao cấp. Song song với sự phát triển của kỹ thuật phun xăng, sự giảm liên tục
giá thành, các linh kiện của các thiết bị điện tử, nhất là những quy định ngặt nghèo về
mức phát thải của khí xả ô tô, các thệ thống phun xăng trên đường nạp sẽ được sử dụng
ngày càng rộng rãi trên các xe du lịch.
1.1.3 Một số hệ thống phun xăng tiêu biểu
1.1.3.1 Hệ thống phun xăng điều khiển điện tử (EFI)
Sơ đồ nguyên lý hoạt động và cấu tạo của hệ thống được thể hiện trên hình 1.1 và
hình 1.2, đó là loại điều khiển điển tử hiện đại hiện nay, nó điều khiển cả hai quá trình
phun xăng và đánh lửa của động cơ, gồm ba khối thiết bị chính như sau: các cảm biến,
bộ vi xử lý và bộ chấp hành [1].

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí

Hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Trung

4


Mơ phỏng q trình cháy động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun xăng điện tử Bosch Motronic
Các thông số do cảm biến cấp: Qa- lưu lượng khí nạp; N- Vịng quay động cơ; n
(pc)- vị trí bướm ga; Tm- nhiệt độ động cơ; Ta- nhiệt độ khí nạp; Ub- điện áp ắc quy; Sđtín hiệu khởi động động cơ.
❖ Các cảm biến ghi nhận các thống số hoạt động của động cơ gồm:
- Lưu lượng khí nạp Qa đo qua lưu lượng kế khơng khí 16.
- Tốc độ động cơ N đo qua cảm biến tốc độ 24.
- Vị trí bướm ga n (pc) đo qua cảm biến 15.
- Nhiệt độ công cơ Tm đo qua nhiệt kế 20.
- Nhiệt độ khí nạp Ta đo qua nhiệt kế 17.

- Điện áp ắc-quy đo qua điện thế kế.
- Tín hiệu khởi động động cơ đo qua công tắc khởi động 26.
- Nồng độ oxy trong khí xả đo qua cảm biến Lambda 18.
Các tín hiệu của các cảm biến được chuyển thành tín hiệu điện.
❖ Bộ xử lý và điều khiển trung tâm (ECU) tiếp nhận các tín hiệu dưới dạng tín hiệu
điện do các cảm biến truyền tới, chuyển thành tín hiệu số sau đó được xử lý theo một
chường trình đã vạch sẵn. Những số liệu khác cần cho việc tính tốn đã được ghi trong
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí

Hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Trung

5


Mơ phỏng q trình cháy động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol

bộ nhớ của máy tính dưới dạng đồ thị (cartographie) hoặc dạng số. Bộ ECU bao gồm
các bộ phận chính sau:
- Bộ xử lý CPU (Central Processor Unit)
- Bộ nhớ cứng ROM (Read Only Memory) và bộ nhớ ảo RAM (Random Access
Memory) để lưu trữ các số liệu và chương trình tính.
- Mạch “ Vào/Ra” (I/O- Input/Output), để lọc chuẩn hóa các tín hiệu vào và
khuếch đại tín hiệu ra.
- Bộ chuyển đổi tín hiệu từ dạng tương tự (anologique): cơ, điện, từ, quang sang
dạng số (numerique).
- Tầng khuếch đại công suất cho mạch phun xăng- do dịng điện kích thích vịi
phun xăng có giá trị khá lớn (7A) nên phải đặt một tầng khuếch đại riêng đảm bảo cho
vòi phun hoạt động tin cậy.
- Tầng công suất đánh lửa.
- Bộ nguồn ni đồng hồ điện.

❖ Bộ chấp hành: Các tín hiệu ra của ECU được khuếch đại và đưa vào bộ chấp hành
để phát xung điện chỉ huy việc phun xăng, đánh lửa và điều hành một số cơ cấu và thiết
bị khác (luân hồi khí xả, điều khiển các mạch xăng và mạch khí khác…) đảm bảo cho
động cơ hoạt động tối ưu ở mọi chế độ.
Đặc điểm hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử được thể hiện qua các phần như
sau:
-

Mạch cung cấp xăng
Định lượng hịa khí
Các chế độ hoạt động đặc biệt của hệ thống

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí

Hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Trung

6


Mơ phỏng q trình cháy động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo hệ thống phun xăng điện tử nhiều điểm Bosch Motronic
1- Bình chứa xăng; 2- Bơm xăng điện; 3- Bộ lọc xăng; 4- Dàn phân phối xăng; 5- Bộ
điều chỉnh áp suất xăng; 6- Bộ giảm dao động áp suất; 7- ECU; 8- Boobin đánh lửa; 9Bộ phân phối đánh lửa; 10 Bugi; 11- Vịi phun chính; 12- Vịi phun khởi động; 13- Vít
điều chỉnh khơng tải; 14- Bướm ga; 15- Cảm biến vị trí bướm ga; 16- Lưu lượng kế
khơng khí; 17 – Cảm biến nhiệt độ khí nạp; 18- Cảm biến Lambda; 19- Cơng tắc nhiệt
khởi động; 20- Cảm biến nhiệt độ động cơ; 21- Thiết bị bổ sung khơng khí khi chạy
ấm máy; 22- Vít điều chỉnh hỗn hợp khi chạy khơng tải; 23- Cảm biến vị trí trục
khuỷu; 24- Cảm biến tốc độ động cơ; 25- Ắc-quy; 26- Công tắc khởi động; 27- Rơle
chính; 28- Rơle bơm xăng.

1.1.3.2. Phun xăng điều khiển kiểu cơ khí K-Jectronic
Sơ đồ nguyên lý hoạt động và cấu tạo của hệ thống thể hiện trên các hình 1.3 và 1.4
gồm các nhóm sau [1, 2]:
- Mạch cấp xăng có bình chưa, bơm xăng và bộ lọc
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí

Hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Trung

7


Mơ phỏng q trình cháy động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol

-

Mạch cấp khí có đường nạp và bộ lọc khí

-

Bộ điều khiển hịa khí gồm thiết bị đo lưu lượng (lưu lượng kế) và định lượng

xăng

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun xăng cơ khí Bosch K-Jectronic
Dựa vào lượng khơng khí nạp thực tế, lưu lượng kế chỉ huy định lượng xăng. Qua
vòi phun, xăng được phun vào đường ống nạp ngay trước xupap nạp, hịa với khơng khí
đi qua bướm ga tạo thành hịa khí để nạp vào xilanh. Bình dự trữ xăng nhằm giảm dao
động áp suất của xăng và giữ xăng trong mạch một thời gian với một áp suất cần thiết
khi động cơ đã dừng, nhằm để dể khởi động trở lại.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí

Hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Trung

8


Mơ phỏng q trình cháy động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol

Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo hệ thống phun xăng cơ khí nhiều điểm Bosch K-Jectronic
1- Bình chứa xăng; 2- Bơm xăng điện; 3- Bộ tích tụ xăng; 4- Bộ lọc xăng; 5- Thiết bị
điều chỉnh chạy ấm máy; 6- Vòi phun xăng chính; 7- Đường ống nạp; 8- Vịi phun
khởi động; 9- Thiết bị điều chỉnh chênh áp; 10- Lưu lượng kế khơng khí; 11- Van
điện; 12- Cảm biến Lambda; 13- Nhiệt kế nhiệt độ nước làm mát và công tắc nhiệt;
14- Bộ đánh lửa; 15- Thiết bị bổ sung không khí khi chạy ấm máy; 16- Cảm biến vị trí
bướm ga; 17- Rơle điều khiển bơm xăng; 18- Bộ ECU; 19- Công tắc khởi động; 20Ắcquy.
1.1.3.3. Hệ thống phun xăng cơ điện tử KE-Jectronic
Trên cơ sở hệ thống K-Jetronic, hệ thống phun xăng KE-Jetronic còn lắp thêm các
thiết bị điều khiển và hiệu chỉnh điện tử sau [1]:
-

Hoàn thiện tốt hơn việc làm đậm hồ khí khi khởi động, chạy ấm máy, gia tốc

và toàn tải nhờ bộ điều khiển điện tử trung tâm.
- Cắt xăng khi giảm tốc đột ngột.
- Giới hạn tốc độ cực đại.
- Hiệu chỉnh hoạt động của động cơ theo độ cao.
- Điều chỉnh Lamda kết hợp với bộ xúc tác khí xả.
Dựa trên các thơng tin truyền tới từ cảm biến vị trí bướm ga, tốc độ động cơ, công
tắc khởi động, nhiệt kế, áp kế và cảm biến Lambda thông qua bộ chấp hành kiểu điện -

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí

Hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Trung

9


Mơ phỏng q trình cháy động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol

thủy lực làm thay đổi chênh áp ở khu xẻ rãnh trên xilanh định lượng qua đó hiệu chỉnh
xăng phun ra.
1.2 Giới thiệu về nhiên liệu xăng-ethanol
1.2.1 Tính chất của nhiên liệu xăng [3]
1.2.1.1 Chỉ tiêu chất lượng của xăng đối với động cơ đốt cháy cưỡng bức
❖ Tính chống kích nổ: là chỉ tiêu quan trọng nhất đối với xăng. Khả năng kích nổ
được đo bằng chỉ số octane. Xăng có trị số octane càng cao thì tính chống kích nổ càng
cao. Nếu sử dụng xăng có trị số octane thấp cho xe có tỉ số nén cao sẽ gây hiện tượng
cháy kích nổ. Nếu sử dụng xăng có trị số octane cao cho xe có tỉ số nén thấp thì xăng sẽ
cháy khó cháy, cháy khơng hết tạo cặn than làm bẩn máy, hao xăng.
❖ Tính bay hơi thích hợp: Xăng muốn cháy được trong động cơ thì cần phải bay
hơi, trộn với một lượng oxy vừa đủ để đạt được hiệu suất đốt cao nhất. Nếu xăng bay
hơi không thích hợp thì động cơ sẽ khơng phát huy được hết công suất, hao xăng nhiều
và gặp phải những sự cố kỹ thuật sau:
- Hiện tượng nghẹt xăng hay nút hơi.
Hiện tượng ngộp xăng (sặc xăng).
❖ Tính ổn định hóa học cao: Khả năng giữ vững bản chất hóa học chống lại ảnh
hưởng của môi trường xung quanh gọi là tính ổn định hóa học của xăng. Tính ổn định
-

hóa học của xăng bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố: nhiệt độ, diện tích tiếp xúc với
khơng khí, độ sạch và khô của vật chứa, mức độ và thời gian tồn chứa.
❖ .Khơng có sự ăn mịn, tạp chất cơ học và nước: Xăng có tính ăn mịn kim loại do
sự có mặt của các hợp chất lưu huỳnh, nitơ và hợp chất của kim loại chưa tinh chế hết
trong q trình chế biến.
❖ Tạp chất cơ học có trong xăng gồm những chất từ bên ngoài rơi vào trong q
trình bơm rót, vận chuyển như cát, bụi, các chất được pha thêm trong quá trình sản xuất,
chế biến như nhiên liệu cháy, chất ổn định, …
❖ Nước từ bên ngồi rơi vào xăng trong q trình xuất, nhập, tồn chứa....
1.2.1.2. Thành phần hóa học của xăng
a) Hydrocacbon
Với khoảng nhiệt độ sôi dưới 1800C, phân đoạn xăng thu được từ quá trình chưng
cất bao gồm các hydrocacbon từ C5 ÷ C10, C11. Tuy nhiên thành phần và số lượng của
các hydrocacbon rất khác nhau, phụ thuộc vào nguồn gốc dầu thơ ban đầu. Các
hydrocacbon thơm thường có rất ít trong xăng.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí

Hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Trung

10


Mơ phỏng q trình cháy động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol

❖ Ankan: Cần có nhiều iso-ankan để chống kích nổ vì loại hydrocacbon này
có tác dụng chống kích nổ rất cao. Iso-ankan là chất đồng phân của ankan, có cấu tạo
mạch nhánh, rất khó bị gãy mạch, tức rất khó tự cháy. Người ta dùng 2,2,4 isooctan làm
một trong hai thành phần của nhiên liệu chuẩn để đo tính chống kích nổ của các loại
xăng. Cần có nhiều iso-ankan để chống kích nổ vì loại hydrocacbon này

có tác dụng chống kích nổ rất cao. Iso-ankan là chất đồng phân của ankan, có cấu
tạo mạch nhánh, rất khó bị gãy mạch, tức rất khó tự cháy. Người ta dùng 2,2,4 isooctan
làm một trong hai thành phần của nhiên liệu chuẩn để đo tính chống kích nổ
của các loại xăng.
❖ Xyclo-ankan: là loại Hydrocacbon no, thường có 5, 6 nguyên tử C trong
phân tử, chúng được liên kết với nhau bằng các mạch thẳng đơn tạo nên một vịng kín.
❖ Hydrocacbon thơm (aren): là loại hydrocacbon không no, các nguyên tử
nối với nhau thành một vịng kín bằng những liên kết đơi và những liên kết đơn xen
kẻ nhau, cấu tạo điển hình là chất benzen và metylbenzen. Kết cấu trên giúp cho
hydrocacbon thơm có tính ổn định cao, khó tự cháy và là thành phần lý tưởng của
xăng dùng trong động cơ đốt cháy cưỡng bức.
b) Phụ gia
Để nâng cao chất lượng và tạo thêm một số tính năng mới cho xăng thì sau
quá trình chưng cất và chế biến sâu từ dầu mỏ, xăng được pha vào các loại phụ gia.
Hai loại phụ gia điển hình là nước chì và hợp chất chứa oxi. Nhưng hiện nay, hàm lượng
chì trong xăng gần như bị loại bỏ hồn tồn vì chúng rất độc và ô nhiễm.
Các hợp chất chứa oxy như: các loại ancol (methanol, ethanol…), ete (metyl ter.
Butyl ete, metyl ter. Amyl ete…). Những hợp chất này cũng tham gia vào cơ chế ngăn
cản sự tích tụ peroxit, nên hạn chế hiện tượng cháy kích nổ trong động cơ xăng, chúng
khơng q độc như tetraetyl chì. Tuy vậy việc sử dụng các hợp chất trên cũng có hạn
chế vì nhiệt lượng cháy của chúng thấp, áp suất hơi bảo hoà quá cao, một số chất dễ gây
tách lớp trong xăng khi bị lẫn nước. Do đó chỉ được pha một lượng có giới hạn vào trong
xăng.
Ngồi ra trong nhiên liệu xăng ln tồn tại các tạp chất như các hợp chất của
lưu huỳnh, nitơ và hợp chất của các kim loại là những chất có có mặt trong dầu mỏ
mà khơng thể loại bỏ hồn tồn trong q trình chế biến xăng.
1.2.2. Tính chất của nhiên liệu ethanol [3]
Ethanol có trị số octane cao, loại bỏ hồn tồn các phụ gia có chứa chì trong
xăng, nhiệt lượng xấp xỉ với xăng dầu nhưng cũng có nhược điểm là phát thải nhiều khí
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí

Hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Trung

11


Mơ phỏng q trình cháy động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol

NOx và tác dụng ăn mòn kim loại, ăn mòn các loại nhựa lớn hơn xăng thơng thường.
Về mặt kỹ thuật:
• Tăng thêm 10% ethanol vào xăng có nghĩa chỉ số octane tăng
thêm 3 điểm, hiệu suất nhiên liệu tăng và khi hàm lượng oxygen tăng trong ethanol đảm
bảo xăng được đốt sạch hơn, giảm khí thải CO, CO2 qua ống thải, góp phần bảo vệ mơi
trường, khơng khí trong sạch.
• Ethanol có nhiệt trị nhỏ hơn xăng khoảng 25,898 MJ/kg, và gây ăn mịn các chi
tiết trong động cơ.
• Trong ethanol có chứa cả Oxy (trong dầu mỏ hầu như khơng có chứa Oxy). Tức
là nhiên liệu chứa O2 thì làm nhiệt trị giảm nhưng mà lượng khơng khí lý thuyết đốt
cháy nhiên liệu ít đi so với lượng khơng khí lý thuyết khi dùng nhiên liệu dầu mỏ. Cho
nên khi sử dụng ethanol pha vào hỗn hợp nhiên liệu thì tốc độ cháy của hỗn hợp tăng
lên.
Về mặt kinh tế, ngồi việc khơng phải chi một lượng lớn ngoại tệ để nhập khẩu xăng
dầu, còn giúp giảm giá xăng xuống một ít, giá trị hố được những phế thải nơng nghiệp,
phát triển công nghiệp sản xuất ethanol tạo thêm công ăn việc làm cho xã hội và tăng
thu nhập cho nơng dân.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí

Hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Trung

12


Mơ phỏng q trình cháy động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC

2.1. Chu trình làm việc của động cơ đánh lửa cưỡng bức [1]
Công suất, hiệu suất, độ tin cậy khi hoạt động và tuổi thọ của động cơ phụ thuộc
vào mức độ hồn hảo của chu trình làm việc. Vì vậy cần nghiên cứu chi tiết các quá
trình tạo nên chu trình làm việc để tìm ra quy luật diễn biến và phát hiện những yếu tố
ảnh hưởng tới các quá trình ấy, trên cơ sở đó xác định phương hướng nâng cao tính hiệu
quả và tính kinh tế của động cơ .
Chu trình làm việc của động cơ được đặc trưng bằng các thông số sau: áp suất chỉ
thị trung bình pi; hiệu suất chỉ thị ŋi, áp suất cực đại và tốc độ ăng áp suất của môi chất
khi cháy pz, Δp/Δφ, nhiệt độ cực đại Tz và nhiệt độ cuối kỳ giản nở của môi chất; áp suất
và nhiệt độ mơi chất đầu q trình thải.
Chu trình làm việc của động cơ đốt trong gồm có các quá trình: Quá trình nạp, quá
trình nén, quá trình cháy, quá trình giãn nở và quá trình thải.
2.1.1. Quá trình nạp
2.1.1.1. Khái niệm chung và các thông số cơ bản
Trong chu trình làm việc của động cơ đốt trong cần thải sạch sản vật cháy của chu
trình trước khi ra khỏi xilanh để nạp vào mơi chất mới. Hai q trình thải và nạp liên
qua mật thiết với nhau. Vì vậy khi phân tích q trình nạp cần lưu ý đến những thơng số
đặc trưng của q trình thải, tức là phải xét chung các hiện tượng thay của quá trình thay
đổi mơi chất.
Trong động cơ bốn kỳ, q trình thay đổi môi chất được thực hiện lúc bắt mở xupap
thải (điểm b’, hình 2.1). Từ điểm b’ đến ĐCD ( góc mở sớm xupap thải) nhờ chênh áp
suất, sản vật cháy tự thốt ra đường đường thải, sau đó từ ĐCD tới ĐCT, nhờ sức đẩy
cưỡng bức của piston sản vật cháy được đẩy tiếp. Tại ĐCT (điểm r), sản vật cháy chứa

đầy thể tích buồng cháy Vc với áp suất pr > pthải tạo ra chênh áp Δpr (Δpr = pr – pth; trong
đó pth là áp suất khí trong trong ống thải). Chênh lệch Δpr phụ thuộc vào hệ số cản, tốc
độ dịng khí qua xupap thải và vào trở lực của bản thân đường thải.
Xupap thải thường được đóng sau ĐCT (đóng muộn) nhằm tăng thêm giá trị “tiết
diện-thời gian” mở cửa thải, đồng thời để tận dụng chênh áp Δpr và qn tính của dịng
khí thải tiếp tục thải sạch khí sót ra ngồi.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí

Hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Trung

13


Mơ phỏng q trình cháy động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol

Quá trình thực hiện môi chất mới vào xilanh được thực hiện khi piston đi từ ĐCT
xuống ĐCD. Lúc đầu (tại điểm r), do pr >pk (pk- áp suất môi chất mới ở trước xupap
nạp) và pr > pth – một phần sản vật cháy trong thể tích Vc vẫn tiếp tục chạy ra ống thải;
bên trong xilanh, khí sót giãn nở đến điểm r0 (bằng pk) rồi từ đó trở đi, mơi chất mới có
thể bắt đầu nạp vào xilanh.

Hình 2.1 Phần đồ thị cơng của q trình thay đổi khí trong động cơ bốn kỳ
Lượng môi chất mới nạp vào xilanh trong mỗi chu trình động cơ phụ thuộc nhiều
nhất vào chênh áp Δpk = pk – pa (pa- áp suất trong xilanh cuối quá trình nạp tại a). Suốt
kỳ nạp áp suất trong xilanh đều thấp hơn pk, chênh áp ấy tạo nên dịng chảy của của mơi
chất mới đi vào xilanh qua xupap nạp, nó phản ánh trở lực của xupap nạp đối với dịng
chảy.
Các thơng số chính sau đây gây ảnh hưởng chính tới q trình nạp:
❖ Áp suất cuối q trình nạp pa:

Coi dịng chảy của mơi chất mới qua xupap nạp vào xilanh là dịng chảy dừng khơng
chịu nén. Phương trình Bernoullie dùng cho dịng chảy có dạng:

pk Wk2 pa W 2
W2
+
= +
+ 0 .
k 2 pk 2
2

( 2.1)

Trong đó: pa - áp suất trong xilanh động cơ tại xupap nap
Wk- tốc độ dịng khí tại cửa nạp vào của đường nạp
W- tốc độ dòng khí qua xupap

0 - hệ số cản của đường nạp quy dẫn về tốc độ W
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí

Hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Trung

14