Luận văn: Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ô tô hiện đại

Chia sẻ: Cao Xuan Trieu Xuan Trieu | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:100

Thêm vào BST

Báo xấu

352
lượt xem 90
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bước sang thế kỉ 21, sự tiến bộ về khoa học kỹ thuật của nhân loại đã bước lên một tầm cao mới. Rất nhiều những thành tựu khoa học kỹ thuật, các phát minh, sáng chế mang đậm chất hiện đại và có tính ứng dụng cao. Là một quốc gia có nền kinh tế đang phát triển, nước ta đã và đang có những cải cách mới để thúc đẩy kinh tế. Việc tiếp thu, áp dụng các thành tựu khoa học tiên tiến của thế giới đang rất được nhà nước quan tâm nhằm cải tạo, đẩy...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn: Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ô tô hiện đại

ĐỀ TÀI “Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại” Giáo viên hướng dẫn : Ths Khống Văn Nguyên Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Hùng & Cao Xuân Triệu 1
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... 10 MỤC LỤC ....................................................................................................................... 2 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 11 i. Lý do lựa chọn đề tài ................................................................................................... 11 ii. Mụ c tiêu củ a đề tài................................ ..................................................................... 11 v. Phương pháp nghiên cứu............................................................................................ 12 vi. Các nội dung chính trong đồ án................................................................................. 12 Chương I: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP TRÊN ĐỘNG CƠ ................................................................................................. 13 1 .1. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU, P HÂN TÍCH QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY ................................ ................................................................................. 13 1 .2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY 13 1.2.1. Phương pháp chụp ảnh ................................................................................. 14 1.2.2. Phương pháp nghiên cứ u quá trình cháy bằng kỹ thuật sợi ........................... 17 1.2.3. Phương pháp phân tích quá trình cháy b ằng phép chụp ảnh theo lớp (TCA) 20 1.2.4. Kỹ thu ật đo LIF ........................................................................................... 21 Chương II: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ .......................................................................................................... 25 2 .1. SỰ HÌNH THÀNH HỖN HỢP (HÒA KHÍ) TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 25 2.1.1. Khái niệm sự h ình thành hòa khí.................................................................. 25 2.1.2. Phân lo ại kiểu hình thành hòa khí ................................ ................................ 26 2 .2. HÌNH THÀNH HÒA KHÍ TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG ..................................... 26 2.2.1. Yêu cầu thành ph ần khí hỗ n h ợp động cơ xăng ............................................ 26 2.2.2. Hình thành hòa khí trong động cơ phun xăng ............................................... 27 2 .3. HÌNH THÀNH HỖN HỢP TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL .................................. 30 2.3.1. Ch ất lượng tia phun và các nhân tố ảnh hưởng................................ ............. 30 2.3.2. Cấu trúc và sự phát triển của tia phun nhiên liệu ......................................... 32 2.3.3. Các phương pháp hình thành hòa khí trong động cơ diesel .......................... 33 Chương III: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG HIỆN ĐẠI....................................................................................... 35 3 .1. HỆ THỐNG PHUN XĂNG ................................................................................ 35 3.1.1. Đặc điểm ................................ ..................................................................... 35 3.1.2. Phân loại ................................................................ ................................ ...... 35 3 .2. HỆ THỐNG PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ GIÁN TIẾP EFI ..................................... 35 3.2.1. Tìm hiểu chung ............................................................................................ 35 3.2.2. Các khối điều khiển củ a h ệ thống phun xăng điện tử gián tiếp ..................... 38 3.2.3. Hệ thống L - Jetronic ................................................................ ................... 40 2
3 .3. HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰ C TIẾP GDI................................ ................... 47 3.3.1. Giới thiệu................................ ..................................................................... 47 3.3.2. Hình thành hỗn hợp phân lớp ................................................................ ....... 49 3.3.3. Ch ế độ điều khiển ................................ ........................................................ 56 3.3.4. Phun phân lớp .............................................................................................. 57 3.3.5. Nhu cầu trong tương lai ............................................................................... 61 Chương IV: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL ................................................................ ................................ ...... 63 4 .1. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DIESEL- HỆ THỐNG CDI ................................ ....... 63 4.2.1. Hệ thống nhiên liệu EFI- Diesel ................................................................... 66 4.2.2. Hệ thống nhiên liệu với ống phân phối Common Rail (CRS) ....................... 73 4.2.3. Hệ thống cung cấp nhiên liệu với bơm – vòi phun kết h ợp điều khiển điện tử (EUI và HEUI ) ................................ ..................................................................... 80 Chương V: HÌNH THÀNH HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT VÀ CHÁY DO NÉN (HCCI) ... 89 5 .1. GIỚI THIỆU................................................................................................ ....... 89 5 .2. PHÁT THẢI ĐỘC HẠI TỪ CHẾ HCCI ............................................................. 90 5.2.1. NOx ................................................................................................ ............. 90 5.2.2. PM............................................................................................................... 91 5.2.3. HC ............................................................................................................... 91 5.2.4. CO ............................................................................................................... 92 5 .3. NHỮNG TRỞ NGẠI CƠ BẢN ĐỐI VỚI HCCI ................................................ 92 5.3.1. Hình thành hỗn hợp đồng nhất ..................................................................... 92 5.3.2. Điều khiển thời điểm tự cháy và thời gian cháy ........................................... 93 5 .4. CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG VÀ THÔNG SỐ ĐIỀU KHIỂN CỦA QUÁ TRÌNH CHÁY HCCI ................................................................ ................................ 94 5.4.1. Tỷ số nén ................................ ..................................................................... 94 5.4.2. Thay đổi pha phố i khí ................................ .................................................. 94 5.4.3. Nhiệt độ khí nạp .......................................................................................... 95 5.4.4. Hệ số dư lượng không khí λ ......................................................................... 95 5.4.5. Tốc độ động cơ ............................................................................................ 95 5.4.6. Tính ch ất nhiên liệu ..................................................................................... 96 5 .5. ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHUYỂN TIẾP ..................................................... 96 5 .6. ỨNG DỤNG CỦA CHẾ ĐỘ HCCI TRÊN ĐỘNG ................................ ............. 98 3
NH ẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… Hưng yên, ngày … tháng … năm 2012 Giáo viên hướng dẫn: Khổng Văn Nguyên 4
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PH ẢN BIỆN …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… Hưng yên, ….ngày … tháng … năm 2012 Giáo viên phản biện: Nguyễn Mạnh Cường 5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮ T Động cơ phun xăng trực tiếp (Gasoline Direct Injiection Engine) GDI Phun xăng điện tử (Electronic fuel injection) EFI Bộ điều khiển động cơ (Enginer Control Unit) ECU Đơn vị n ăng lượng (Exhaust Gases Return) EGR Tỷ lệ không khí / nhiên liệu (Air / Fuel ratio ) A/F Bộ điều khiển (Electronic Driver Unit) EDU ε Tỷ số nén Bộ điều khiển động cơ (Electronic control module) ECM φs Góc đánh lửa sớm Van điều khiển SPV Van điều khiển thời điểm phun TCV Hệ thống sử dụng ố ng phân phối (Common rail system) CRS Điều khiển vòi phun điện tử (Electronically Controlled Unit Injector) EUI Điều khiển vòi phun điện tử bằng thủ y lực (Hydraulically Actuated HEUI Electronically Controlled Unit Injector) INJ Kim phun (Injiection) Su ất tiêu thụ nhiên liệu ge Hệ thống phân tích quá trình cháy TCA Laser cảm ứng hu ỳnh quang (Laser Induced Fluorescence) LIF λ Tỷ lệ hỗn hợp không khí/nhiên liệu VVT V an biến thiên (Variable Van Timing) HC Hydrocacbon Dòng chảy nhiên liệu phân lớp (Fule Stratified Injection). FSI 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Số hiệu Tên hình vẽ, đồ th ị Trang Sơ đồ thí nghiệm chụp ảnh quá trình phun nhiên liệu và quá trình Hình 1.1 14 cháy trong động cơ diesel phun nhiên liệu trự c tiếp Quan sát quá trình phun nhiên liệu và cháy từ phía trên n ắp xi lanh Hình 1.2 15 Quan sát chụp ảnh quá trình cháy theo ph ương ngang quá buồng Hình 1.3 15 cháy Sơ đồ h ệ thống chụp ảnh buồng cháy dùng thiết bị nội soi Hình 1.4 16 Sơ đồ một cáp quang Hình 1.5 17 Sơ đồ lắp đặt đầu quang học dùng cáp quang Hình 1.6 17 Sơ đồ một bugi lắp 8 đầu quang học dùng cáp quang Hình 1.7 18 Sơ đồ h ệ thống phân tích quá trình cháy kiểu chụp ảnh phân lớp Hình 1.8 19 Bộ ph ận quang học để hạn chế góc nhìn củ a đầu quang học Hình 1.9 20 Hình 1.10 Nguyên lý phương pháp đo LIF 20 Kết quả đo củ a tia nhiên liệu với tracer-LIF (trái) và sự lan tràn 22 Hình 1.11 màng lửa với OH-LIF (phải) Hệ thống phun xăng đơn điểm Hình 2.1 26 Bố trí vòi phun trong h ệ thống phun xăng đa điểm, gián tiếp Hình 2.2 27 Hệ thống phun xăng đa điểm Hình 2.3 27 Cấu trúc cơ bản của hệ thống phun xăng trự c tiếp Hình 2.4 28 Động cơ phun xăng trực tiếp của hãng Mitsubishi Hình 2.5 28 Các đường đặc tính phun nhiên liệu Hình 2.6 30 Cấu tạo củ a tia nhiên liệu Hình 2.7 31 Ảnh hưởng của áp suất đến chiều dài tia phun Hình 2.8 32 Sự thay đổ i các thông số củ a tia nhiên liệu theo thời gian phun Hình 2.9 32 Sơ đồ khối thể hiện kết cấu cơ b ản củ a EFI Hình 3.1 35 Sơ đồ cơ b ản củ a EFI Hình 3.2 36 Phân lo ại hệ thố ng EFI Hình 3.3 36 Sơ đồ khối cấp xăng Hình 3.4 37 Sơ đồ khối bộ điều khiển trung tâm Hình 3.5 38 Sơ đồ m ạch điện hệ thống điều khiển Hình 3.6 39 Sơ đồ đ iều ch ỉnh phun nhiên liệu ở các chế độ Hình 3.7 41 7
Sơ đồ làm đậm khi hâm nóng Hình 3.8 42 Chức năng hiệu chỉnh hỗn hợp Hình 3.9 43 Hình 3.10 Sơ đồ h iệu ch ỉnh hỗn h ợp 44 Hình 3.11 Sơ đồ đ iều khiển bằng cam biến hỗn hợp 45 Mô hình hiệu chỉnh khí xả CO đ ối vơi các xe không có cảm biến Hình 3.12 45 oxy ho ặc cảm biến A/F Hình 3.13 Hệ thống phun xăng trự c tiếp 46 Hình 3.14 Động cơ phun xăn g trực tiếp GDI 47 Hình 3.15 Buồng đốt đồng nh ất và phun phân lớp 48 Hình 3.16 Đồ thị thể hiện giảm tổn th ất nhiên liệu, cháy phân lớp 48 Hình 3.17 Cung cấp nhiên liệu củ a động cơ GDI 48 Hình 3.18 Kết cấu buồng cháy hãng FORD 49 Hình 3.19 Sơ đồ các dạng buồng đố t tạo hỗn hợp phân lớp củ a động cơ GDI 51 Hình 3.20 Sơ đồ chuyển động dòng khí nạp vào của buồng cháy Spray Guide 52 Hình 3.21 Vị trí của kim phun và bugi trong kiểu buồng đố t Spray Guide 52 Hình 3.22 Sơ đồ bố trí buồng cháy động cơ GDI 53 Hình 3.23 Hệ thống buồng đố t kiểu Spray – Guide của Renault 53 Hình 3.24 Kết cấu buồng đố t Wall – Guide 54 Hình 3.25 Sơ đồ bố trí kim phun và bugi củ a buồ ng đốt Wall Guide 54 Hình 3.26 Kết cấu buồng đố t kiểu Air – Guide 54 Hình 3.27 Biểu đồ ch ế độ hoạt động của động cơ GDI 55 Hình 3.28 Mô hình mô tả phun phân lớp với dạng 3 buồng đốt 57 Hình 3.29 Các dạng buồng đốt tạo chuyển động dòng khí 58 Hình 3.30 Buồng đốt kỹ thuật kiểu wall - guild 58 Hình 3.31 Khoảng cách tia lửa trong quá trình 60 Đặc tính phun dầu thường Hình 4.1 63 Đặc tính củ a h ệ thống phun common rail Hình 4.2 63 Sơ đồ tổng quan hệ thố ng EFI- DIesel Hình 4.3 65 Sơ đồ lắp ECU trong hệ thống Hình 4.4 66 Hệ thống EFI- Diesel thông thường Hình 4.5 66 Bơm piston kiểu hướng trục Hình 4.6 67 Bơm piston kiểu hướng kính Hình 4.7 67 Sơ đồ tổng quan van SPV (van điều khiển) Hình 4.8 67 Sơ đồ cấu tạo van SPV thông thường Hình 4.9 68 Hình 4.10 sơ đồ nguyên lý của van SPV thông thường 68 8
Hình 4.11 Sơ đồ cấu tạo lo ại van SPV hoạt động trự c tiếp 69 Hình 4.12 Sơ đồ n guyên lý của van SPV ho ạt động trực tiếp 69 Hình 4.13 Cấu tạo củ a TCV (van điều khiển thời điểm phun) 70 Hình 4.14 Sơ đồ cấu tạo h ệ thống nhiên liệu Diesel điện tử với ống phân phố i 71 Hình 4.15 Bơm cấp nhiên liệu kiểu bánh răng ăn khớp ngoài 72 Hình 4.16 Bơm cao áp lo ại 2 piston 72 Hình 4.17 Cấu tạo bơm cao áp loại ba piston 73 Hình 4.18 Sơ đồ n guyên lý bơm cao áp loại 3 piston 74 Hình 4.19 Bơm cao áp lo ại 4 piston 74 Hình 4.20 Cấu tạo ống phân phối 75 Hình 4.21 Bộ hạn chế áp suất 75 Hình 4.22 Van xả áp 76 Hình 4.23 Cấu tạo vòi phun 76 Hình 4.24 Quá trình thực hiện phun 78 Hình 4.25 Sơ đồ h ệ thống nhiên liệu EUI 78 Hình 4.26 Sơ đồ h ệ thống dẫn động phun của EUI 80 Hình 4.27 Cấu tạo vòi phun 87 Hình 4.28 Các giai đoạn ho ạt động của vòi phun 81 Hình 4.29 Sơ đồ h ệ thống nhiên liệu HEUI 82 Hình 4.30 Cấu tạo vòi phun HEUI 83 Hình 4.31 Quá trình phun của vòi phun HEUI 83 Sơ đồ vùng cháy của động cơ HCCI Hình 5.1 87 So sánh phát th ải NOx của các loại động cơ Hình 5.2 89 Phân Lo ại quá trình hình thành hỗn hợp của HCCI Hình 5.3 90 Hình 5.4 91 So sánh thời điểm phun và quy luật phun của HCCI với DI Sự h ình thành hỗn hợp trong đơn xi lanh động cơ HCCI Hình 5.5 91 Ảnh hưởng của tỷ số nén tới quá trình cháy Hình 5.6 92 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí n ạp tới quá trình cháy HCCI Hình 5.7 93 So sánh quá trình cháy của các loại nhiên liệu diesel Hình 5.8 94 So sánh quá trình cháy của nhiên liệu xăng và diesel Hình 5.9 94 9
LỜI CẢM ƠN Sau mộ t thời gian học tập và nghiên cứu tại trường ĐHSPKT Hưng Yên. Đến nay chúng em đã hoàn thành chương trình. Và đư ợc giao đồ án tố t nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu quá trình hình thành hỗ n hợp và cháy trên độ ng cơ ô tô hiện đạ i”, dưới sự hướng dẫn của thầy Th. S K hổng Văn Nguyên. Đến nay chúng em đã hoàn thành . Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Th. S K hổng Văn Nguyên, là n gười đã hướng d ẫn chúng em hết sức tận tình và chu đáo về m ặt chuyên môn, tài liệu để chúng em hoàn thành được đồ án này. Đồng thời chúng em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô và các b ạn sinh viên trong Khoa cơ khí động lực trường ĐHSPKT Hưng Yên giúp đ ỡ tạo và tạo đ iều kiện cho chúng em hoàn thành đồ án này. Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Hùng Cao Xuân Triệu 10
MỞ ĐẦU i. Lý do lựa chọn đề tài *) Tính cấp thiết của đề tài. Bước sang thế kỉ 21, sự tiến bộ về khoa học kỹ thuật của nhân loại đã bước lên một tầm cao mới. Rất nhiều những thành tựu khoa học kỹ thuật, các phát minh, sáng chế mang đậm chất hiện đại và có tính ứng dụng cao. Là một quốc gia có nền kinh tế đ ang phát triển, nước ta đã và đ ang có những cải cách mới để thúc đẩy kinh tế. Việc tiếp thu, áp dụng các thành tựu khoa học tiên tiến của thế giới đang rất được nhà nước quan tâm nhằm cải tạo, đẩy mạnh phát triển các ngành công nghiệp mới, với mục đích đ ưa nước ta từ một nước nông nghiệp lạc hậu thành một nước công nghiệp phát triển . Trong các ngành công nghiệp mới đang được nh à nư ớc chú trọng, đầu tư phát triển thì công nghiệp ôtô là một trong những ngành tiềm năng. Do sự tiến bộ về khoa học công nghệ nên quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hoá phát triển một cách ồ ạt, tỉ lệ ô nhiễm nguồn nước và không khí do ch ất thải công nghiệp ngày càng tăng. Các nguồn tài nguyên thiên nhiên như: Than, đá, dầu mỏ…bị khai thác bừa bãi nên ngày càng cạn kiệt. Điều này đặt ra bài toán khó cho ngành động cơ đốt trong nói chung và ôtô nói riêng, đó là phải đảm bảo chất lượng khí thải và tiết kiệm nhiên liệu. Vì thế, đề tài: “Nghiên cứu quá trình hình thành hỗ n h ợp và cháy trên đ ộng cơ ôtô hiện đạ i” được thực hiện nh ằm phần nào bổ sung thêm nguồn tài liệu tham kh ảo, giúp sinh viên thấy được bứ c tranh tổng quát về cấu tạo cũng như quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại. *) Ý ngh ĩa của đề tài. Đề tài giúp sinh viên năm cuối khi sắp tốt nghiệp có th ể củng cố kiến thức, tổng hợp và nâng cao kiến thứ c chuyên ngành cũng như nh ững kiến thức ngoài thực tế, xã hộ i để các sinh viên trong trường đặc biệt là sinh viên trong khoa Cơ Khí Động Lực tham khảo. Đề tài nghiên cứu: “ Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đạ i” không chỉ giúp cho chúng em tiếp cận với thực tế và tạo nguồn tài liệu cho các bạn họ c sinh, sinh viên các khoá sau có thêm ngu ồn tài liệu để nghiên cứu, học tập . Những kết quả thu thập được sau khi hoàn thành đề tài này trước tiên là sẽ giúp cho chúng em, những sinh viên lớp ĐLK8LC.1 có th ể hiểu sâu hơn về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại có những kiến thức cơ b ản để áp dụng vào thực tế phát huy nh ững ưu điểm mà động cơ ôtô mang lại. ii. Mục tiêu của đề tài Với yêu cầu nội dung của đề tài, mục tiêu cần đạt được sau khi hoàn thành đề tài 11
như sau: - Nắm đư ợc các kiến th ức cơ bản về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô. - Đề suất cải tiến quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô. iii. Đối tượng và khách thể nghiên cứu Đố i tượng nghiên cứu: - Ngiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ xăng hiện đ ại. - Ngiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ diesel hiện đại. Khách thể nghiên cứu: - Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại. iv. Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu và phân tích quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ô tô hiện đại. -Tổng hợp tài liệu trong và ngoài nước để hoàn thiện đề tài nghiên cứu của mình: “Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ ôtô hiện đại”. v. Phương pháp nghiên cứu Người nghiên cứu đ ã sử dụng các phương pháp sau: 1. Tham khảo tài liệu Dựa vào những tài liệu về phương pháp nghiên cứu khoa học, phương pháp giảng dạy, tài liệu chuyên nghành ôtô đ ể có hướng nghiên cứu thích hợp . 2. Phương pháp tham khảo ý kiến 3. Dịch tài liệu: chủ yếu d ịch tiếng Anh từ tài liệu hướng dẫn Mixture Formation in Internal Combustion Engine. vi. Các nội dung chính trong đồ án Thuyết minh của đề tài được trình bày theo các ph ần như sau:  Mở đ ầu  Chương 1 . Các phương pháp ngiên cứu hình thành hỗn hợp trên động cơ  Chương 2 . Tổng quan về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ  Chương 3 . Hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ xăng hiện đại  Chương 4 . Hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ diesel hiện đại  Chương 5 . Hình thành hỗn hợp và cháy do nén (HCCI)  Kết lu ận và đề xuất ý kiến 12
Chương I: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP TRÊN ĐỘNG CƠ 1.1. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY Quan sát và chụp ảnh diễn biến quá trình cháy trong xi lanh động cơ là một trong các biện pháp hiệu quả giúp ta phân tích nghiên cứu tối ưu hoá quá trình hình thành hỗn hợp và cháy đ ể n âng cao hiệu suất và công suất động cơ cũng như giảm thiểu ô nhiễm khí thải. Để quan sát đư ợc quá trình hình thành hỗn hợp và cháy, cần phải tạo ra được các hình ảnh nhìn thấy mộ t cách trực tiếp hoặc gián tiếp nh ờ tác dụng của ánh sáng lên các vật liệu nhạy cảm đố i với ánh sáng. Do vậy, việc chiếu sáng và ghi lại các hình ảnh tạo ra là các công việc chủ yếu của việc quan sát chụp ảnh quá trình cháy. Ánh sáng có thể tự phát ra từ chính khí cháy cần quan sát, hoặc nếu không thì dùng một nguồn sáng bên ngoài chiếu sáng th ể tích khí cần quan sát chụp ảnh. Ngày xưa người ta thường dùng phim đ ể ghi lại hình ảnh theo nguyên lý chụp ảnh nói chung. Vì quá trình cháy trong động cơ diễn ra rất nhanh nên mỗi một ảnh cũng phải được chụp với tố c độ rất nhanh để giảm ảnh hưởng của sự chuyển độ ng của môi chất trong xi lanh đến độ n ét của hình ảnh . Do vậy m ỗi chu trình thường chỉ ghi lại được mộ t hình ảnh ở một vị trí góc quay trụ c khu ỷu nào đó. Muốn ghi lại một lo ạt hình ảnh quá trình cháy ở các góc độ quay khác nhau của trục khu ỷu người ta phải thự c hiện trên nhiều chu trình động cơ ở chế độ làm việc ổn đ ịnh. Phương pháp này được gọi là phương pháp chụp ảnh đơn tố c độ cao. Ngày nay với các thành tựu mới của khoa họ c công nghệ, người ta đ ã sử dụng các kỹ thuật quang điện tử và k ỹ thuật số để th ực hiện mục đích này. Với kỹ thu ật này có thể ghi được một cách liên tụ c hàng trăm bứ c ảnh hoặc hơn trong một giây nên có th ể nhận được một lo ạt hình ảnh liên tiếp trong cùng mộ t chu trình động cơ, tứ c là ta có thể xem được diễn biến quá trình cháy trong từng chu kỳ riêng biệt. Phương pháp này được gọi là phương pháp quay phim liên tục tốc độ cao. Các phương pháp chụp ảnh, ghi hình nói trên đều cần đ ến nguồn sáng và máy quay phim tố c đ ộ cao . 1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU H ÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY Để đi sâu tìm hiểu từng k ỹ thuật đo sẽ m ất rất nhiều thời gian, nên ở đây sẽ ch ỉ trình bày m ột số k ỹ thuật đo cơ b ản cũng đ ược áp dụng khá phổ biến trong quá trình tìm hiểu về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ. 13
1.2.1. Phương pháp chụp ảnh Để nghiên cứu quá trình cháy một cách trọn vẹn, ngoài quan sát sự hình thành và phát triển của màng lửa cần phải quan sát được hiện tượng phun nhiên liệu và hình thành hỗn hợp trước khi quá trình cháy xảy ra. Các quá trình phun nhiên liệu này không phát sáng nên cần phải có một nguồn sáng để chiếu sáng trong khi quan sát ho ặc ghi lại hình ảnh. Hình 1.1 giới thiệu mộ t sơ đồ thiết b ị thí nghiệm điển hình được sử dụng để quan sát chụp ảnh quá trình cháy trong động cơ diesel m ột xi lanh chuyên dùng cho nghiên cứu. Trong sơ đồ này, ánh sáng từ m ột nguồn sáng phản xạ qua một gương chiếu sáng các tia nhiên liệu phun trong xi lanh động cơ. Các tia nhiên liệu phun được chiếu sáng khi đó được ghi hình bằng mộ t máy ảnh đặt ở phía kia của xi lanh. Phương pháp chụp ảnh tốc độ cao yêu cầu buồng cháy phải được chiếu sáng với mộ t cường độ sáng cao trong một kho ảng thời gian rất ngắn. Các đ ặc điểm chính của nguồn sáng đư ợc chọn là độ sáng, sự phân bố quang phổ và tốc độ lặp lại củ a nó. Hình 1.1. Sơ đồ thí nghiệm chụp ảnh quá trình phun nhiên liệu và quá trình cháy trong động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp Nguồn sáng có thể chiếu sáng liên tục ho ặc chiếu sáng ở dạng xung tu ỳ theo yêu cầu chụp ảnh đơn hay ghi hình liên tụ c. Nguồn sáng d ạng xung được sử dụng trong ch ụp ảnh đơn, trong trường hợp này các xung ánh sáng với độ dài xung rất ngắn quyết định độ phân giải củ a hệ thống và cho phép sử dụng được các máy ảnh có tốc độ chậm hơn vì khi đó thời gian ghi ảnh được quyết đ ịnh bởi độ dài xung chiếu sáng. Các đèn xung laser có độ dài xung rất ngắn tới 20 (ns). Có hai lo ại đèn chiếu sáng liên tục trong vùng quang phổ nhìn thấy là đèn halogen volfram thạch anh và đèn tròn một chiều trong đó loại thứ nh ất có năng lượng lớn và khả năng chiếu sáng rộng nên đ ược dùng rộng rãi hơn. Trong trường hợp dùng nguồn sáng liên tục thì thời gian ghi mộ t ảnh được quyết đ ịnh bởi tốc độ m áy ảnh (tức là = 1/số ảnh 14
trong một giây). Nhìn chung các máy ảnh tốc độ cao đều trang b ị các nguồn sáng phát xung ngắn (vài micro giây) nên có thể chụp được các bức ảnh tức thời và tăng được độ nét củ a ảnh . Với mụ c đích nghiên cứu quá trình cháy, người ta thường dùng nguồn sáng laser vì nó có năng lư ợng cao và độ dài xung rất ngắn. Tu ỳ theo yêu cầu quan sát chụp ảnh các hiện tượng trong buồng cháy mà ngư ời ta có cách bố trí h ệ thống thiết bị chụp ảnh khác nhau. Phương pháp bố trí thiết bị như trên h ình 1.2 dùng đ ể q uan sát chụp ảnh quá trình phun nhiên liệu và quá trình cháy phát triển theo phương hướng kính của xi lanh từ tâm vòi phun. Cách bố trí như trên có th ể quan sát được cả h iện tượng chuyển động xoáy của môi ch ất trong quá trình phun nhiên liệu và cháy. Để thực hiện được yêu cầu chụp ảnh này, piston phải có kết cấu kéo dài đ ặc biệt và đỉnh piston ph ải b ằng vật liệu trong suố t và đ ặt các gương phản chiếu cố định phía dưới như trên hình 1.2. Nhược điểm của phương pháp bố trí như trên là vật liệu trong suốt trên đ ỉnh piston rất nhanh bị đụ c do muội than bám dính vào. Hơn nữa, dùng hai gương như trên dễ làm cho hình ảnh b ị rung và do đó độ nét củ a ảnh bị ảnh hưởng. Hình 1.2. Quan sát quá trình phun nhiên liệu và cháy từ phía trên nắp xi lanh Để quan sát chụp ảnh các ph ần cơ bản nào đó của buồng cháy thì có thể bố trí sơ đồ thiết b ị như trên h ình 1.2 với cửa sổ quan sát b ằng vật liệu trong suốt đặt trên nắp máy. Kết cấu bố trí như trên đơn giản hơn phương pháp chụp ảnh từ dưới lên như trên hình 1.1 và độ cứng vững củ a h ệ thống gương cũng cao hơn nên đ ộ nét của hình ảnh tố t hơn. Tuy nhiên cách bố trí này chỉ bố trí được cửa sổ nhỏ n ên không quan sát đư ợc toàn bộ buồng cháy. 15
Sơ đồ bố trí trên hình 1.3 không cần gương ph ản chiếu nên độ cứng vững của hệ thống cao hơn và do đó chất lượng ảnh cũng rõ hơn hai trường hợp trên. Sơ đồ n ày còn cho phép quan sát được cả diễn biến quá trình cháy theo phương dọ c xi lanh. Tuy nhiên sơ đồ n ày không cho phép quan sát được đặc điểm quá trình phun và cháy trên toàn bộ tiết diện ngang buồng cháy. Chính vì vậy phương pháp này thường áp dụng cho việc quan sát chụp ảnh quá trình phun nhiên liệu và cháy đố i với động cơ có buồng cháy thống nhất dùng vòi phun có các lỗ phun đố i xứng và phun chính tâm xi lanh . Hình 1.3. Quan sát chụ p ảnh quá trình cháy theo phương ngang quá buồng cháy Các phương pháp bố trí và lắp đặt thiết bị quan sát và chụp ảnh b uồng cháy như mô tả ở trên có ưu điểm là cửa sổ quan sát rộ ng nhưng yêu cầu phải thay đổi nhiều về kết cấu xi lanh, piston hoặc nắp xi lanh. Do vậy, để khắc phụ c các khó khăn này, ngày nay người ta dùng thiết b ị nộ i soi thay thế cho các ống kính lớn trước kia. Thiết bị này chỉ cần khoan mộ t cử a sổ rất nhỏ vào buồng cháy đ ể đưa được một đèn nội soi vào . Đèn nội soi là bộ phận chính của thiết bị, đường kính ch ỉ đến 5 (mm), tức là bằng đường kính của các cảm biến đo áp suất khí thể trong xi lanh. Đèn n ội soi thường được làm lám bằng nước đối lưu cưỡng bức để có thể làm việc lâu dài trong môi trường nhiệt độ cao trong buồng cháy. Hình ảnh thu được từ đ ầu nội soi được truyền đến một máy ảnh tốc độ cao để ghi lại. Hình 1.4 giới thiệu sơ đồ khối của h ệ thống thiết bị đo và sơ đồ lắp đặt đầu nộ i soi trong động cơ. Đầu quan sát có góc nhìn 80o và phương nh ìn tu ỳ theo kết cấu (ở đây là 30o so với trục của nó). 16
Hình 1.4. S ơ đồ hệ thống chụp ảnh buồng cháy dùng thiết b ị nội soi Tín hiệu hình ảnh thu được bởi máy ảnh CID sẽ được số hoá và được lưu giữ trên máy vi tính PC và từ đó có th ể xử lý tiếp. 1.2.2. Phương pháp nghiên cứu quá trình cháy bằng kỹ thuật sợi 1.2.2.1. Khái niệm về công nghệ sợi quang Nguyên lý truyền sáng tin b ằng sợi quang đ ã đ ược sử dụng khá phổ biến trong ngành sáng tin. Trong nghiên cứu động cơ đ ốt trong hiện nay người ta cũng đ ã sử dụng kỹ thuật này trong kỹ thuật đo và truyền dữ liệu ra ngoài, ví dụ như áp dụng trong đo áp với cảm biến áp suất quang học như đã giới thiệu trong chương trước. Trong ph ần này giới thiệu phương pháp nghiên cứu hình ảnh quá trình cháy bằng kỹ thuật sợi quang. Hình 1.5 giới thiệu sơ đồ và nguyên lý truyền dẫn ánh sáng của một cáp quang. Cáp quang gồm có lõi bằng sợi quang và lớp vỏ bọc. Trên bề mặt phân cách giữ a lớp vỏ bọc và mặt lõi có tráng một lớp bảo vệ phản xạ ánh sáng. Ánh sáng đi vào cáp quang từ phía đ ầu dưới một góc côn và bị phản xạ bên trong cáp như được chỉ ra trên hình vẽ và do vậy ánh sáng đư ợc truyền d ẫn bởi cáp quang với hiệu quả rất cao và có thể đi xa. 17
Hình 1.5. Sơ đồ một cáp quang Độ lớn góc côn nh ận ánh sáng của cáp quang phụ thuộ c vào kết cấu và vật liệu của nó, ví dụ đối với cáp quang silica thì góc côn nhận ánh sáng bằng khoảng 25o. 1.2.2.2. Lắp đặt đầu đo cáp quang Để quan sát được các hiện tượng xảy ra trong buồng cháy, các đầu quang học được lắp trên thành buồng cháy như chỉ ra trên sơ đồ trên h ình 1.6 . Để b ảo vệ cho các cáp quang khỏi b ị ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ cao trong xi lanh, người ta lắp mộ t thanh saphire vào đ ầu quang học và tiếp xúc trực tiếp với khí cháy thay cho đ ầu cáp quang. Thanh saphire này không tiếp xúc trực tiếp với đ ầu cáp quang mà cách một khoảng nhỏ để tránh ảnh hư ởng củ a áp suất và nhiệt độ khí th ể đ ến đầu cáp quang như đã nói. Với cách bố trí lắp đ ặt như trên, góc nhìn của đầu đo b ị không ch ế ở khoảng 2 đ ến 12o. Hình 1.6. Sơ đồ lắp đặ t đầu quang học dùng cáp quang Dùng đ ầu đo cáp quang đ ể nghiên cứu quá trình cháy có ưu điểm là không cần phải thay đổ i kết cấu động cơ nhiều như các phương pháp chụp ảnh qua các cửa sổ quang học vì các đ ầu đo cáp quang có đường kính rất nhỏ, chỉ kho ảng vài milimét nên chỉ cần khoan và lắp đặt lên thành buồng cháy tương tự như lắp đặt các cảm biến áp suất khí thể đã giới thiều ở chương trước. Hơn nữa vì các đầu đo nhỏ và dễ dàng lắp đặt nên có thể đặt nhiều đầu đo ở các vị trí khác nhau trên thành buồng cháy đ ể nghiên cứu sự hình thành các tâm cháy và lan tràn màng lửa trong buồng cháy. Thậm chí các đầu đo quang 18
học có th ể được lắp đ ặt trên bugi hay trên xu páp của động cơ. Hình 1.7. S ơ đồ một bugi lắp 8 đầu quang học dùng cáp quang Hình 1.7 giới thiệu sơ đồ các bugi có lắp các đầu quang học dùng cáp quang. Mỗ i bu gi lắp 8 đầu quang học để quan sát nghiên cứu sự h ình thành các tâm cháy và sự phát triển của màng lửa. Sơ đồ hình 1.7 (a) là một bugi tiêu chuẩn, xung quang cực giữ a người ta khoan 8 lỗ đ ể lắp 8 đầu quang học. Việc khoan 8 lỗ này đòi hỏi công nghệ khoan phải chính xác vì n ếu có một sai sót nhỏ có th ể gây hiện tượng lọ t điện từ cực giữa sang mát làm hỏng bugi. Để kh ắc phụ c khó khăn này và cải thiện chất lượng lắp đ ặt các đầu quang h ọc, người ta có thể chế tạo mộ t bugi đ ặc biệt để lắp các đầu quang học xung quanh mộ t cách dễ dàng như sơ đồ h ình 1.7 (b). Bugi này có ph ần thân ph ải khoan lỗ đặt đầu quang học ngắn hơn bugi tiêu chu ẩn, cực giữa được làm rời và được lắp vào thân bugi bằng ren. Các cáp quang trong đầu quang học được bảo vệ khỏi ảnh hư ởng củ a áp suất và nhiệt độ cao củ a khí th ể b ằng các đầu saphire. Đầu kia củ a các cáp quang được nối với một ốn g nhân quang. Một khi tín hiệu ra của ống nhân quang vượt quá một giá trị nhất định thì thời 19
gian ngọn lửa đến đầu đo được ghi lại một cách tự động. Các thông tin này được biến đổ i và xử lý trên máy vi tính đ ể đ ánh giá sự hình thành các trung tâm cháy và sự lan tràn màng lửa. 1.2.3. Phương pháp phân tích quá trình cháy bằng phép chụp ảnh theo lớp (TCA) Hệ thống cáp quang nhiều đầu đo như giới thiệu ở trên cung cấp cho ta thông tin về cường độ bức xạ của ngọn lửa nhờ một số lượng lớn các đ ầu quang họ c, mỗi đầu quan sát một góc nhỏ của không gian buồng cháy. Tuy nhiên trong trường hợp này cần phải lắp đặt các đ ầu quang học xung quanh buồng cháy, kể cả trên n ắp xi lanh, trên thành xi lanh và trên piston. Nếu dùng bugi đặt nhiều đầu quang học thì tránh được việc thay đổ i về động cơ nhưng thông tin nh ận được b ị hạn chế chỉ ở vài điểm mà các đầu quang học nhìn tới được. Để khắc phục các như ợc điểm của các phương pháp nói trên, người ta có thể dùng h ệ thống phân tích quá trình cháy bằng phép chụp theo lớp. Phương pháp này quan sát sự lan tràn màng lửa nhờ các đầu quang học dùng cáp quang đặt trong đ ệm làm kín củ a n ắp xi lanh. Hình 1.8. Sơ đồ hệ thống phân tích quá trình cháy kiểu chụp ảnh phân lớp Nguyên lý chụ p ảnh củ a hệ thống phân tích quá trình cháy bằng phương pháp chụp ảnh theo lớp khác với các kỹ thu ật chụp ảnh khác đ ã nói ở trên . Các đầu quang học trong hệ thống quan sát được đặt ho ặc hướng tâm dọ c theo thành xi lanh, ho ặc song song với nhau. Chúng đo thời gian đến của màng lử a theo góc nhìn của mỗ i mộ t đầu quang học, từ đó có thể tính được đường bao củ a màng lửa. Hệ thống TCA vẫn dựa trên việc phát hiện bức xạ ngọn lửa dọc theo góc nhìn của mỗ i mộ t đầu quang học, nhưng các đầu quang học đư ợc b ố trí theo cách mà phương nhìn củ a các đầu quang họ c khác nhau cắt nhau. Hình ảnh ngọn lửa đư ợc tính toán từ tín hiệu đo của tất cả các đầu quang học nh ờ kỹ thuật dựng lại theo phương pháp chụp ảnh phân lớp. Số lượng các điểm cắt nhau của phương nh ìn của các đầu quang học quyết định độ phân giải củ a h ệ thống. Sơ đồ bố trí h ệ thống TCA đư ợc giới thiệu trên h ình 1.8. Nó bao gồm một đ ệm nắp máy có gắn các đầu đo dùng cáp quang. Một h ệ thống TCA tiêu chuẩn bao gồm 100 đầu quang họ c được chia thành các nhóm, mỗ i nhóm có đến 5 đ ầu quang học và dùng 20