Mô phỏng quá trình cháy của hỗn hợp phân lớp xăng ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức

..

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

MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY HỖN HỢP PHÂN LỚP
XĂNG – ETHANOL TRÊN ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA
CƯỠNG BỨC

Sinh viên thực hiện: PHẠM VĂN THẮNG

Đà Nẵng – Năm 2018


TĨM TẮT
Tên đề tài: Mơ phỏng q trình cháy của hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên động cơ
đánh lửa cưỡng bức.
Sinh viên thực hiện: Phạm văn Thắng
Số thẻ SV: 103130089 Lớp: 13C4A
Đề tài này tập trung về việc tìm hiểu và thực hiện mơ phỏng q trình cháy của hỗn
hợp phân lớp xăng-ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức. Đề tài được xây dựng từ
nhiều 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 tạo phân lớp
hỗn hợp xăng-ethanol.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết động cơ đánh lửa cưỡng bức. Trình bày chu trình làm việc
của động cơ đánh lửa cưỡng bức, 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 của hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên
động cơ đánh lửa cưỡng bức. Trình bày kết quả về sự ảnh hưởng tỉ lệ ethanol và gốc
đánh lửa đến các chu trình làm việc của động cơ.


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG

VIỆT NAM
Độclập - Tự do - Hạnhphúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Phạm Văn Thắng
Số thẻ sinh viên: 103130079
Lớp: 13C4A
Khoa: Cơ Khí Giao Thơng
Ngành: Kỹ Thuật Cơ khí
1. Tên đề tài đồ án: Mơ phỏng q trình cháy của hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên
động cơ đánh lửa cưỡng bức.
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, mơ hình lưới, 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 của hỗn hợp xăng-ethanol tạo phân lớp trên
động cơ đốt cháy cưỡng bức.

5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
STT

Tên bản vẽ

Số lượng / loại giấy

1

Mặt cắt dọc động cơ

1/A3

2

Mơ hình hình học buồng cháy dộng cơ

1/A3

3

Lưu đồ quy trình tính tốn

1/A3

4

Kết quả mơ phỏng

5/A3

Tổng

8/A3

6. Họ tên người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Quang Trung
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 13/2/2017
8. Ngày hoàn thành đồ án:
25/5/2017

Đà Nẵng, ngày 25 tháng 05 năm 2018


Trưởng Bộ Môn: Máy Động Lực

Người hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên )

Ths. Nguyễn Quang Trung


LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ đánh lửa cưởng 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 nhiểm 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 nhiểm 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 hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức 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 và gốc đánh lửa tối ưu nhất để sử dụng
trong thực tế.
Đề tài “Mô phỏng quá trình cháy của hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên động cơ
đánh lửa cưỡng bức.” sử dụng phương pháp phân tích những điều kiện ban đầu để tính
tốn các điều kiện biên của q trình sau đó sử dụng Ansys Fluent mơ phỏng cho ra kết
quả của q trình cháy 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 Th.S Nguyễn Quang Trung

và các thầy cô 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 trong q trình thực hiện
khơng thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Em rất mong sự giúp đỡ, ý kiến đóng
góp của q thầy cơ 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 hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol
trên động cơ đánh lửa cưỡng bức.” 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......................................................................................................................... i
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................. iii
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................. i
CAM ĐOAN....................................................................................................................ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .......................................................... vi
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 69
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ......................................................................... 71
1.1. Giới thiệu về hệ thống phun nhiên liệu tạo phân lớp FSI....................................... 71

1.2. Giới thiệu về nhiên liệu xăng-ethanol .................................................................... 71
1.2.1 Tính chất của nhiên liệu xăng [3] ......................................................................... 71
1.2.1.1 Chỉ tiêu chất lượng của xăng đối với động cơ đốt cháy cưỡng bức ................. 71
1.2.1.2. Thành phần hóa học của xăng .......................................................................... 72
1.2.2. Tính chất của nhiên liệu ethanol [3] .................................................................... 73
1.2.3. Đánh giá một số chỉ tiêu về xăng và ethanol ....................................................... 74
1.2.3.1 Về chỉ sô octane................................................................................................. 74
1.2.3.2.Về hàm lượng oxi .............................................................................................. 75
1.2.3.3. Độ bay hơi và nhiệt hóa hơi ............................................................................. 75
1.2.3.4. Thành phần nước .............................................................................................. 75
1.2.3.5. Nhiệt trị và năng lượng riêng ........................................................................... 75
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC ................ 77
2.1 .Chu trình làm việc của động cơ đánh lửa cưỡng bức [1] ....................................... 77
2.1.1. Quá trình nạp ....................................................................................................... 77
2.1.1.1. Khái niệm chung và các thông số cơ bản ......................................................... 77
2.1.1.2 Hệ số nạp ........................................................................................................... 79
2.1.2. Quá trình nén ....................................................................................................... 80
2.1.2.1. Diễn biến và các thơng số cơ bản của của trình nén ........................................ 80
2.1.2.2. Những yếu tố gây ảnh hưởng đến n1 trung bình: ............................................. 81
2.1.3. Quá trình cháy động cơ đánh lửa cưỡng bức....................................................... 82
2.1.3.1. Diễn biến bình thường của quá trình cháy ....................................................... 82

iii


2.1.3.2. Các nhân tố chính ảnh hưởng tới q trình cháy động cơ đánh lửa cưỡng bức
....................................................................................................................................... 84
2.1.4. Quá trình giãn nở ................................................................................................. 86
2.1.5. Quá trình thải ....................................................................................................... 88
2.2. Lý thuyết mơ phỏng q trình cháy ........................................................................ 89

2.2.1. Chu trình nhiệt động động cơ đốt trong .............................................................. 89
2.2.2. Cơ sở xác định các thơng số hịa khí ................................................................... 90
2.2.2.1. Hệ số tương đương  [4] .................................................................................. 90
2.2.2.2 Quy luật truyền nhiệt [4] ................................................................................... 91
2.2.2.3. Quy luật trao đổi chất [4].................................................................................. 91
2.2.2.4. Nhiệt động học của tia phun ............................................................................. 92
2.2.2.5. Nhiệt động mơi chất ......................................................................................... 92
2.2.3. Mơ hình tính tốn chu trình nhiệt động cơ đốt trong .......................................... 93
2.2.3.1. Sơ đồ thuật tốn tính nhiệt động học động cơ đốt trong .................................. 93
2.2.3.2 Mơ hình 3D-CFD tính tốn q trình cháy động cơ đốt trong ......................... 94
2.2.3.2. Hệ phương trình vi phân sử dụng trong mô phỏng 3D-CFD ........................... 96
2.2.4. Nhiệt động học phản ứng .................................................................................... 99
2.2.4.1. Nhiệt động hỗn hợp .......................................................................................... 99
2.2.4.2. Nhiệt động phản ứng ..................................................................................... 100
2.2.4.3. Mơ hình cháy hai khu vực ngọn lửa rối ......................................................... 101
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............................................................................................... 103
3.1. Giới thiệu phần mềm ANSYS Fluent ................................................................... 103
3.2. Giới thiệu động cơ Daewoo 1.6L DOHC ............................................................. 104
3.2.1 Giới thiệu động cơ .............................................................................................. 104
3.2.2. Tính lượng nhiên liệu xăng- ethanol cung cấp cho động cơ và hệ số tương đương
..................................................................................................................................... 106
3.2.2.1. Tính lượng nhiên liệu xăng-ethanol cung cấp cho động cơ ( phun trên đường
nạp) .............................................................................................................................. 106
3.2.2.2. Tính tốn lượng nhiên liệu xăng- ethanol cung cấp cho động cơ (phun nhiên liệu
trực tiếp) ...................................................................................................................... 107
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 ............................ 107
3.3.1. Lập quy trình tính tốn [26]............................................................................... 108

3.3.2. Xây dựng mơ hình 3D buồng cháy và mơ hình lưới trong Ansys .................... 110
iv


3.3.2.1. Xây dựng mơ hình 3D buồng cháy................................................................. 110
3.3.2.2. Xây dựng mơ hình lưới trong ANSYS ........................................................... 110
3.3.3. Điều kiện biên .................................................................................................... 111
Chương 4: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ PHUN NHIÊN
LIỆU TẠO PHÂN LỚP HỖN HỢP XĂNG-ETHANOL ........................................... 113
4.1. Phun nhiên liệu trên đường nạp ............................................................................ 113
4.1.1. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến áp suất trong xilanh động cơ ............... 113
4.1.2. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến nhiệt độ trong xilanh............................ 114
4.1.3. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến lượng NO sinh ra trong quá trình cháy 116
4.1.4. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến lượng CO2 tạo ra .................................. 117
4.1.5. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến lượng khí O2 sử dụng ........................... 118
4.2. Phun nhiên liệu trực tiếp: Xăng phun trực tiếp, ethanol phun gián tiếp............... 119
4.2.1. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến áp suất trong xilanh động cơ ............... 119
4.2.2. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến nhiệt độ trong xilanh. ........................... 120
4.2.3. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến lượng NO sinh ra trong quá trình ........ 121
cháy. ............................................................................................................................. 121
4.2.4. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến phát thải khí CO2 ................................. 122
4.2.5. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến lượng khí O2 sử dụng ........................... 123
KẾT LUẬN ................................................................................................................. 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 125

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU:
Vc : thể tích buồng cháy

θs: góc đánh lửa sớm

Va: thể tích tồn phần

n1: chỉ số nén đa biến trung bình

D: đường kính piston
S: Hành trình piston

k: chỉ số đoạn nhiệt
pz: áp suất cực đại trong q trình cháy

pr: áp suất khí sót
pth: áp suất sản vật cháy trên đường thải
pk: áp suất môi chất ở trước xupap nạp

Tz: nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy
Ɛ: tỉ số nén
α: hệ số dư lượng khơng khí

Tk: nhiệt mơi chất ở trước xupap nạp
Tr: nhiệt độ khí sót
pa: áp suất mơi chất cuối q trình nạp
Ta: nhiệt độ mơi chất cuối q trình nạp
γr: hệ số khí sót
ηv: hệ số nạp

ϕ: hệ số tương đương
gct: lượng nhiên liệu cung cấp cho động
cơ trong một chu trình
n: tốc độ động cơ

CHỮ VIẾT TẮT:
ECU: Bộ điều khiển trung tâm
EFI : Hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử
ĐCT: Điểm chết trên
ĐCD: Điểm chết dưới
DOHC: Hệ thống phân phối khí 2 trục cam
FSI :Hệ thống phun tạo phân lớp

vi


Mơ phỏng q trình cháy của hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức.

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 đốt trong
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 ô tô Nubirra, có công 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 mơ phỏng các chu trình làm việc của động cơ đánh lửa cưỡng bức
phun nhiên liệu tạo phân lớp (cháy giãn nở) thông qua tỉ lệ ethanol và gốc đánh lửa sớm.
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 ơ nhiễm mơi trường, có thể pha trộn với xăng theo tỷ lệ lớn giảm
chi phí nhiên liệu xăng và giảm áp lực lên nguồn nhiên liệu hóa thạch đảm bảo an ninh
năng lượng quốc gia.
Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Thắng

Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung

69


Mơ phỏng q trình cháy của hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức.

-

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 ăn 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 mệnh
danh 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.
6. Cấu trúc của đồ án
Ngoài phần mở đầu và kết luận, đồ án được chia bố cục thành bốn chương.
Chương 1: Tổng quan về đề tài. Giới thiệu về hệ thống phun xăng tạo phân lớp và nhiên
liệu xăng-ethanol.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết động cơ đánh lửa cưỡng bức. Trình bày chu trình làm việc
của động cơ đánh lửa cưỡng bức, 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.

Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Thắng

Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung

70


Mơ phỏng q trình cháy của hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức.

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Giới thiệu về hệ thống phun nhiên liệu tạo phân lớp FSI
Hệ thống nhiên liệu động cơ có chức năng cung cấp nhiên liệu cho động cơ, ở
những trạng thái hoạt động khác nhau. Bên cạnh đó hệ thống nhiên liệu giúp loại bỏ tạp
chất có trong nhiên liệu.
FSI (Fuel Stratified Injection): Phun phân tầng nhiên liệu
Trong chế độ vận hành, động cơ chỉ yêu cầu hỗn hợp khơng khí nhiên liệu có khả năng
đánh lửa ngay lập tức trong khu vực xung quanh bugi . Phần còn lại của buồng đốt được
lấp đầy với một hỗn hợp nghèo hơn, với một mức độ đáng kể của khơng khí dư thừa.
Nên hệ thống phun phân lớp FSI đáp ứng yêu cầu đó.
Nhiên liệu được phun vào kỳ nén của động cơ và được hòa trộn bởi chuyển động của
khơng khí đã được hút vào buồng đốt. Chuyển động này được truyền đến khơng khí
bằng một cái nắp di động trong cổng nạp và bởi hình dạng đặc biệt của đỉnh piston. Hiệu
ứng này được gọi là "tumble". Áp suất vòi phun được cung cấp bởi một bơm piston đơn
và thời gian phun kiểm sốt trong vịng một phần nghìn giây, ở áp suất phun lên đến 110
bar.

Hình 1.1. Mơ hình phun phân lớp FSI
Hệ thống phun nhiên liệu phân lớp có những ưu điểm rõ rệt:
• Phân phối nhiên liệu tốt hơn và nạp nhiên liệu tốt hơn bên trong buồng đốt.
• FSI tăng cơng suất động cơ đồng thời giảm tiêu thụ nhiên liệu tới 15%.
• Trong q trình phun nhiên liệu bị bốc hơi, làm mát buồng xi lanh
• Tỷ lệ nén cơ học cao hơn.
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
Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Thắng

Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung

71


Mơ phỏng q trình cháy của hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên động cơ đánh lửa 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. Xăng có trị số octane cao sử dụng cho động cơ có tỉ số nén cao. Nếu sử dụng xăng
có trị số ốctan thấp cho xe có tỉ số nén cao sẽ gây hiện tượng cháy kích nổ. Nếu sử dụng
xăng có trị số ốctan 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 khơng thích hợp thì động cơ sẽ không 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 mơi 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 khơ của vật chứa, mức độ tồn chứa 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 quá trình chế biến.
❖ Tạp chất cơ học có trong xăng gồm những chất từ bên ngồi 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 ngoài rơi vào xăng trong quá 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 thô ban đầu. Các
hydrocacbon thơm thường có rất ít trong xăng.
❖ 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
Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Thắng

Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung

72


Mơ phỏng q trình cháy của hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức.

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 (matanol, etanol…), 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 là có độ 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
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.
Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Thắng

Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung

73


Mơ phỏng q trình cháy của hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức.

• Cồn 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 nông dân.
1.2.3. Đánh giá một số chỉ tiêu về xăng và ethanol
1.2.3.1 Về chỉ sô octane
Chỉ số octane của n-Butanol tương tự như của xăng nhưng thấp hơn ethanol và
Methanol. Butanol được sử dụng như là một phụ gia trong xăng, nó cũng có hiệu quả
làm tăng RON cho xăng, xăng gốc có RON càng thấp thì hiệu quả tăng RON càng cao.
Một nhiên liệu có chỉ số octane cao sẽ ít bị kích nổ (đặc biệt là khi quá trình cháy diễn
ra nhanh và tự diễn biến bởi kỳ nén). Nếu động cơ sử dụng cồn (RON = 106-130) thì ta
có thể tăng chỉ số nén của động cơ. Nhờ vậy tăng đáng kể hiệu suất nhiệt của động cơ.
Điều này sẽ dẫn tới cải thiện công suất động cơ, dẫn đến tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn so

với việc sử dụng các nhiên liệu khác cùng điều kiện. Bằng việc tăng tỉ số nén, ta sẽ tiết
kiệm được cơng suất nhiên liệu (người ta tính rằng cứ tăng tỉ số nén lên một đơn vị thì
phải tăng tương ứng chỉ số RON của nhiên liệu lên 5 đơn vị). Hiện nay các động cơ
“nhiên liệu linh hoạt” FFV (Fuel Flexible Vehicle) sử dụng E85 có tỉ số nén từ 12 đến
12,5. Trong các đồng phân của n-Butanol thì RON của tert-Butanol là cao nhất
(RON=105). Trong thời gian qua người ta cũng sử dụng t- Butanol (TBA) để pha xăng
dưới dạng như phụ gia. Arconol là một dạng Butanol thương mại dùng để pha xăng, là
hỗn hợp của TBA (91 – 94 %) và các butane. Khi pha trộn với tỷ lệ 5 % thì RON của
xăng pha trộn tăng khoảng 6 – 9 đơn vị. Xăng gốc có RON càng cao thì hiệu quả tăng
RON càng giảm.

Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Thắng

Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung

74


Mơ phỏng q trình cháy của hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức.

1.2.3.2.Về hàm lượng oxi
Do chỉ có 34,8% oxy trong cồn nên nhiệt trị khối lượng của cồn (26,8MJ/kg) nhỏ
hơn xăng (43,9MJ/kg), nhưng do khối lượng riêng của cồn lớn hơn xăng nên sự khác
nhau về nhiệt trị thể tích ít hơn.
Mặt khác, sự có mặt oxy trong phân tử cồn làm giảm sự phát thải những khí độc hại
từ ống thài của động cơ do quá trình cháy được triệt để hơn ở động cơ dùng 2 loại nhiên
liệu trên. Nhờ vậy lượng thải khí CO giảm đáng kể.
1.2.3.3. Độ bay hơi và nhiệt hóa hơi
Một trong những tính chất của cồn là áp suất hơi bão hòa thấp, cồn là 2 psi và xăng
là 4.5 psi, điều đó có nghĩa là cồn có tốc độ bay hơi thấp hơn. Cồn tuy có áp suất hơi

bão hòa nhỏ hơn xăng nhưng cồn dễ tác dụng với các hydrocacbon nhẹ dẫn đến hiện
tượng azeotrop (đồng sơi, đẳng phí).
1.2.3.4. Thành phần nước
Cồn và nước có thể hòa tan vào nhau bất kỳ tỉ lệ nào, cịn ethanol với hydrocacbon
thì khơng như vậy. Khi phần trăm nước trong cồn tăng thì càng làm cồn khó hịa tan vào
xăng và xuất hiện sự phân tầng trong hỗn hợp. Lớp trên là các hydrocacbon, lớp dưới là
dung dịch cồn và nước. Sự phân tầng phụ thuộc vào phần trăm cồn pha vào xăng. Nếu
tỉ lệ của chất này so với chất kia trong hỗn hợp vượt quá giới hạn nào đó thì sẽ xuất hiện
phân tầng. Do vậy, đối với cồn khan (99,6% cồn, 0,4% nước) thì ta có hỗn hợp khơng
phân tầng từ E60 đến E95. Và hỗn hợp E5, E7, E10, E20, E30 cũng không bị phân tầng.
Hàm lượng nước trong xăng cao, ngoài việc gây ra sự phân tầng, làm cho hiệu quả
hòa tan của phụ gia vào xăng giảm cịn có những tác hại khác. Những năm gần đây việc
dùng ethanol hydrat pha vào xăng địi hỏi dùng động cơ thích hợp với vật liệu làm các
chi tiết động cơ vì sự có mặt của nước làm han gỉ các chi tiết như bình chứa nhiên liệu,
bộ chế hịa khí và làm tăng mạnh sự ăn mịn điện hóa.
1.2.3.5. Nhiệt trị và năng lượng riêng
Nhiệt trị thể tích của cồn là 19.6 MJ/L, cịn đối với xăng là 32MJ/L, nhiệt trị thể tích
của cồn thấp hơn so với xăng. Điều này ta cần chú ý về so sánh giá nhiên liệu. Khi so
sánh về chi phí nhiên liệu ta nên so sánh giá tính trên một đơn vị năng lượng của nhiên
liệu. Nếu ethanol được sản xuất trên quy mơ cơng nghiệp thì giá sẽ thấp và theo BP và
DuPont thì giá có thể cạnh tranh hoặc thấp hơn, thì chi phí trên một đơn vị năng lượng
của cồn chắc chắn sẽ rẻ hơn. Nhiên liệu cồn có ít năng lượng tính theo một đơn vị khối
lượng hay một đơn vị thể tích so với xăng. Để dễ so sánh năng lượng tính tạo ra trên
Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Thắng

Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung

75

Mơ phỏng q trình cháy của hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức.

một chu trình hoạt động của động cơ, ta dùng một đại lượng gọi là năng lượng riêng
(Specific energy) của nhiên liệu. Nó được định nghĩa là năng lượng tính trên một tỷ lệ
khơng khí nhiên liệu.
Sự có mặt oxy trong phân cồn dẫn đến giảm lượng khơng khí lý thuyết cần thiết để
cung cấp cho một đơn vị nhiên liệu. Lượng không khí lý thuyết cấn thiết để cung cấp
cho 1 kg cồn là bằng 9, còn đối với xăng là bằng 14,6. Điều này dẫn đến là tuy nhiệt trị
của cồn nhỏ hơn xăng nhưng năng lượng riêng tính trên 1 kg khơng khí của xăng (3.0
MJ/kg air) và cồn (2.9 MJ/kg air). Ở đây ta nhận thấy như cồn kém hơn của xăng khoảng
5%. Do vậy nếu giả định các thơng số vận hành là khơng đổi thì khi chuyển động cơ từ
dùng xăng sang dùng cồn thì cơng suất động cơ chỉ giảm dưới 5%.
Bảng 1.1: So sánh nhiệt trị ethanol với các loại nhiên liệu khác
Năng
lượng
riêng

Nhiệt trị
thể tích

Tỉ lệ
khơng

MJ/L

khí/NL

Gasoline

32

14.6

2.9

Butanol

29.2

11.1

Ethanol

19.6

MEthanol

16

Loại
nhiên liệu

Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Thắng

Nhiệt trị
khối lượng

RON

MON

0.36

91–99

81–89

3.2

0.43

94-96

78

9.0

3.0

0.92

106-130

89-103

6.4

3.1

1.2

106

92

MJ/kg air

MJ/kg

Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung

76


Mơ phỏng q trình cháy của hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức.

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 thơng 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, ∆p/∆φ, 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 q trình: Quá trình nạp, quá
trình nén, quá trình cháy, quá trình giãn nở, quá trình thải.
2.1.1. Quá trình nạp

2.1.1.1. Khái niệm chung và các thơng 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 quá trình thải, tức là phải xét chung các hiện tượng thay của q trình thay
đổi mơi chất
Trong động cơ bốn kỳ, q trình thay đổi mơi 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 ∆pr (∆pr = pr – pth; trong
đó pth là áp suất khí trong trong ống thải). Chênh lệch ∆pr 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 ∆pr và qn tính của dịng
khí thải tiếp tục thải sạch khí sót ra ngồi.
Q trình thực hiện mơi 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
Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Thắng

Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung

77


Mơ phỏng q trình cháy của hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức.

nạp) và pr > pth – một phần sản vật cháy trong thể tích Vc vẫn tiếp tục chạy ra ống thải;
bên trong xi lanh, 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 ∆pk = 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 dung cho dịng chảy có dạng

pk

k

+

Wk2 pa W 2
W2
=
+
+ 0 .
2
pk
2
2

( 2.1)

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

0 - hệ số cản của đường nạp quy dẫn về tốc độ W
Do Wk << W nên có thể bỏ qua Wk, từ (2.1) tìm được:
pk = pk − pa = (1 +  0 )

k
2

.W 2

( 2.2)

Khi tính tốn nhiệt, áp suất pa được xác định nhờ số liệu thực nghiệm:
Với động cơ bốn kỳ khơng tăng áp: pa = (0,8 ÷ 0,9)pk
Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Thắng

Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung

78


Mơ phỏng q trình cháy của hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức.

Với động cơ bốn kỳ tăng áp: pa = (0,9 ÷ 0,96)pk
❖ Lượng khí sót: Cuối q trình thải, trong xilanh cịn lưu lại một ít sản vật cháy,
được gọi là khí sót. Trong q trình nạp số khí sót sẽ giãn nở, chiếm chổ trong xilanh và
hịa trộn với khí nạp làm giảm lượng khí nạp mới.

Nếu gọi Mr và Ml là số lượng khí sót và số lượng mơi chất mới khi đốt 1kg nhiên
liệu và ml là số lượng khí sót và số lượng mơi chất mới của mỗi chu trình thì hệ số khí
sót sẽ là :

r =

mr g ct .M r
=
ml g ct .M r

( 2.3)

Trong đó: gct- lượng nhiên liệu cấp cho 1 chu trình (kg/chutrinh)
❖ Nhiệt độ sấy nóng mơi chất mới của ∆T: Đi trên đường nạp vào xilanh, môi chất
mới tiếp xúc với các bề mặt nóng của động cơ, được sấy nóng và tăng nhiệt độ lên một
gia số ∆T.
Giá trị của ∆T phục thuộc vào tốc độ lưu động, thời gian tiếp xúc với bề mặt nóng
và chênh lệch nhiệt độ của mơi chất so với vật nóng. Nếu nhiệt độ của môi chất mới
tăng sẽ làm giảm mật độ và do đó làm giảm khối lượng mơi chất mới nạp vào động cơ.
Vì vậy trong động cơ xăng, số nhiệt lượng cần thiết để sấy nóng mơi chất mới chỉ làm
cho xăng dễ bay hơi trên đường nạp, nếu quá mức ấy sẽ làm giảm lượng môi chất mới
nạp vào động cơ. Gia số ∆T của mơi chât mới được tính như sau:
∆T = ∆Tt - ∆Tbh
( 2.4)
Trong đó: ∆Tt – mức tăng nhiệt độ của môi chất mới do sự truyền nhiệt từ các bề
mặt nóng.
∆Tbh – mức giảm nhiệt độ của môi chất mới do bay hơi của nhiên liêu.
❖ Nhiệt độ mơi chất cuối q trình nạp Ta: Nhiệt độ mơi chất cuối q trình nạp Ta
lớn hơn Tk và nhỏ hơn Tr là do kết quả của việc truyền nhiệt độ từ các bề mặt nóng tới
mơi chất khi tiếp xúc và việc hịa trộn của mơi chất mới với khí sót nóng hơn. Các q

trình trên diễn ra riêng lẻ trên đường nạp hoặc đồng thời trong xilanh động cơ.
2.1.1.2 Hệ số nạp
Hệ số nạp ηv là tỉ số giữa lượng môi chất mới thực tế nạp vào xilanh ở đầu q trình
nén khi đã đóng các cửa nạp và cửa thải ml kmol hoặc Gk kg so với lượng mơi chất mới
lý thuyết Mh có thể nạp đầy vào thể tích cơng tác của xilanh Vh ở điều kiện áp suất và
nhiệt độ môi chất phía trước xipap nap (pk và Tk). Ta có:

Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Thắng

Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung

79


Mơ phỏng q trình cháy của hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức.

v =

g ct .M l
Gk
V
=
= k
Mh
 k .V h Vh

( 2.5)

Trong đó: gct – lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình (kg/chutrinh).
Ml – lượng môi chất thực tế đi vào xilanh để đốt cháy 1kg nhiên liệu

(kmol/kgnhienlieu).
Vk- thể tích khí nạp mới chứa trong xilanh, sau khi quy về điều kiện pk
và Tk (m3)
Gk- khối lượng khơng khí nạp vào mỗi chu trình (kg/chutrinh)
Một số yếu tố ảnh hưởng đến hệ số nạp: tỉ số nén Ɛ; áp suất cuối quá trình nạp; nhiệt
độ và áp suất trước xupap nạp Tk, pk; nhiệt độ khí sót; nhiệt độ sây nóng đối với mơi
chất mới ∆T; thành phần hịa khí α và tải số vịng quay n.
2.1.2. Q trình nén
2.1.2.1. Diễn biến và các thơng số cơ bản của của trình nén
Q trình nén của đơng cơ đốt trong có tác dụng như sau:
• Mở rộng phạm vi nhiệt độ của quá trình làm việc (nén, cháy và giãn nở)
• Đảm bảo cho sản vật cháy được giãn nở sinh công triệt để
• Tạo điều kiện thn lợi nhất cho hịa khí bốc cháy
Tất cả những điều kiện trên nhằm đảm bảo cho q trình chuyển biến từ hịa năng
của nhiên liệu thành nhiệt năng, rồi từ nhiệt năng chuyển thành công có ích được thực
hiện tốt nhất, làm tăng hiệu suất của chu trình.
Khác với quá trình nén của chu trình khí lý tưởng, diễn biến q trình nén của chu
trình thực tế rất phức tạp. Giữa môi chất công tác và thành xilanh luôn luôn trao đổi
nhiệt qua lại với nhau.
Đầu q trình nén nhiệt độ mơi chất Ta (hình 2.2) thấp hơn nhiệt độ trung bình của
xilanh, piston, nắp xilanh… nên các chi tiết nóng kể trên truyền nhiệt cho mơi chất, vì
vậy đường nén trong giai đoạn này (2) dốc hơn đường nén đoạn nhiệt của chu trình lý
tưởng (1). Nếu coi quá trình nén thực tế là một quá trình đa biến, với chỉ số đa biến n’1
thì phương trình đặc trưng của quá trình sẽ là: pVn1 = const, giá trị n’1 ở đầu quá trình
nén lớn nhất vì chênh lệch nhiệt độ lớn giữa các chi tiết nóng và mơi chất khiến mơi
chất vừa chịu nén vừa nhận nhiệt thêm. Tiếp theo piston càng nén càng làm tăng nhiệt
độ môi chất trong xilanh và làm cho chênh lệch nhiệt độ giữa các chi tiết nóng và môi
chất giảm dần, môi chất được nhận nhiệt càng ít làm cho quá trình nén càng gần với quá
trình đoạn nhiệt và chỉ số nén n’1 tiến sát tới chỉ số đoạn nhiệt k1. Tới một điểm nào đó
nhiệt độ mơi chất bằng nhiệt độ trung bình của vách xilanh, kết quả làm cho đường nén

Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Thắng

Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung

80


Mơ phỏng q trình cháy của hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức.

thực tế (3-c) ít dốc hơn so với đường nén đoạn nhiệt (3-4); chỉ số nén n’1 càng ngày càng
nhỏ hơn k1.

Hình 2.2 Đồ thị p-V phân tích các đường cong đặc trưng trạng thái của quá trình nén
Như vậy, quá trình nén thực tế của động cơ là một quá trình đa biến với chỉ số đa
biến n’1 giảm dần từ đầu đến cuối quá trình.
Áp suất cuối quá trình nén pc được xác định theo phương trình của quá trình nén đa
biến:

paVan = pc .Vcn
1

( 2.6)

1

n1

Suy ra:

V 

pc = pa .  a  = pa . n
 Vc 

1

( 2.7)

2.1.2.2. Những yếu tố gây ảnh hưởng đến n1 trung bình:
• Tốc độ động cơ: Khi tăng số vòng quay sẽ làm tăng số chu trình trong 1 giây, qua
đó làm tăng trạng thái nhiệt của các chi tiết trong xilanh, giảm thời gian rị khí và thời
gian tiếp xúc giữa môi chất và thành xilanh. Kết quả tổng hợp những thay đổi trên sẽ
làm mơi chất tản nhiệt ít hơn, làm cho n1 tiến sát tới k1. Như vậy tăng tốc độ sẽ làm tăng
n1.
• Phụ tải của động cơ: Khi tăng tải sẽ làm tăng trạng thái nhiệt và nhiệt độ trung
bình của thành xilanh, qua đó làm tăng nhiệt độ cấp cho môi chất ở đầu kỳ nén và giảm
nhiệt ở cuối kỳ nén, kết quả sẽ làm tăng n1.
• Tình trạng kỹ thuật: Nếu piston-xilanh mịn nhiều sẽ tăng lọt khí, gây mất nhiệt
làm giảm n1. Có muội than bám trên đỉnh piston, mặt nắp xilanh, có lớp cặn bám trên
mặt tiếp tiếp xúc với môi chất làm mát của xilanh sẽ ngăn tản nhiệt độ của môi chất, làm
tăng n1.

Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Thắng

Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung

81


Mơ phỏng q trình cháy của hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức.

• Kích thước xilanh: tỉ số

Flm
( Flm- diện tích làm mát của xilanh) tỉ lệ thuận với
Vh

l
, do đó tăng D sẽ làm mơi chất khó tản nhiệt hơn qua đó làm tăng n1.
D

• Chế độ làm việc của động cơ: các chế độ làm việc không dừng (chế độ chuyển
tiếp) của động cơ khi tăng tải hoặc tăng tốc đều có n1 nhỏ hơn so với chế độ dừng. Sự
sai khác lớn hay nhỏ của n1 phục thuộc và giá trị gia tốc, ở các chế độ giảm tải hoặc
giảm tốc thì n1 lớn hơn so với chế độ dừng.
2.1.3. Quá trình cháy động cơ đánh lửa cưỡng bức
2.1.3.1. Diễn biến bình thường của quá trình cháy
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 hịa khí. Có nhiều phương pháp nghiên cứu q trình cháy trong buồng cháy
động cơ, thường dùng nhất là vẽ đồ thị công p-, tức là đồ thị thể hiện biến thiên của áp
suất p trong xilanh theo góc quay  trục khuỷu. Phương pháp này tuy không 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 trình, về mặt kĩ thuật thì đây là một phương pháp hữu hiệu đơn giản.
Ngoài phương pháp xác định đồ thị cơng p = f(), người ta cịn dùng phương pháp
chụp ảnh nhanh quá trình cháy: dựa vào một dãy các bức ảnh liên tiếp chụp được sẽ biết
tình hình tiến triển của quá trình cháy trong xilanh. Đồ thị p- điển hình của quá trình
cháy bình thường thể hiện trên hình 2.3.

Hình 2.3 Quá trình cháy của động cơ xăng cháy cưỡng bức.
I- Cháy trễ; II- Cháy nhanh; III- Cháy rớt; 1- Đánh lửa; 2- Hình thành màng lửa trung

tâm; 3- Áp suất lớn nhất pz.
Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Thắng

Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung

82


Mơ phỏng q trình cháy của hỗn hợp phân lớp xăng-ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức.

Dựa vào đặc trưng biến thiên áp suất trên đồ thị p-, người ta chia quá trình cháy
của động cơ châm cháy cưỡng bức thành ba thời kì.
❖ Thời kì cháy trễ I (từ điểm 1 đến điểm 2):
Tính từ lúc đánh lửa đến khi áp suất p tăng đột ngột. Trong thời kì này áp suất trong
xilanh thay đổi tương tự như trường hợp khơng đánh lửa, thời kì 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 trùng với thời
điểm tăng đột ngột của áp suất p. Thông thường màng lửa trung tâm xuất hiện trước một
chút so với thời điểm tăng đột ngột của p.
Phân tích thời kì cháy trễ thấy rằng, sau khi bugi đã bật tia lửa điện, hịa khí trong
xilanh không cháy ngay mà phải thực hiện một loạt phản ứng sơ bộ tạo nên sản vật trung
gian….Trong thời kì này nhiệt lượng nhả ra của các phản ứng rất nhỏ, vì vậy khơng thấy
rõ sự khác biệt của nhiệt độ và áp suất so với trường hợp không đánh lửa.
Thời kì cháy trễ dài hay ngắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất, trạng thái (áp
suất, nhiệt độ) của hịa khí trước khi đánh lửa, năng lượng của tia điện….
❖ Thời kì cháy nhanh II (từ điểm 2 đến điểm 3):
Thời kì này cũng tương ứng với thời kì 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 mặt cầu nhấp nhơ lồi lõm. Trong thời kì này màng lửa được lan truyền với

tốc độ tăng dần, hịa khí trong xilanh có phản ứng oxy hóa ngày một mãnh liệt và nhả
ra một số nhiệt lượng lớn, trong khi dung tích xilanh thay đổi ít làm cho áp suất và nhiệt
độ mơi chất tăng nhanh.
Thời kì cháy nhanh là giai đoạn chính trong q trình cháy hịa 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 piston sinh công, vì vậy thời kì
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 cần 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 lượng nhiệt
lượng nhả ra được lợi dụng đầy đủ, làm tăng công suất và hiệu suất động cơ.
❖ Thời kì cháy rớt III (từ điểm 3 trở đi):
Mặc dù cuối thời kì II màng lửa đã lan khắp buồng cháy, nhưng do hòa khí phân bố
khơng thật đều, điều kiện áp suất và nhiệt độ ở mọi khu vực trong buồng cháy không
Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Thắng

Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung

83