TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
279
KÍCH NỔ TRONG ĐỘNG CƠ NÉN CHÁY
SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ
KNOCKING IN THE COMPRESSION IGNITION ENGINE
USING GASEOUS FUELS
Trần Thanh Hải Tùng, Trần Văn Nam
Trường ĐHBK, Đại học Đà Nẵng
Nguyễn Văn Phụng
Trường Trung cấp Nghề tỉnh Quảng Nam
TÓM TẮT
Cháy kích nổ ở động cơ đốt trong gây nhiều tác hại đến kết cấu động cơ đốt cháy
cưỡng bức. Vì vậy tìm giải pháp hoàn hảo khắc phục hiện tượng này giúp tăng lượng nhiên liệu
khí động cơ nén cháy đang được nghiên cứu. Bài báo này trình bày nghiên cứu lý thuyết và
thực nghiệm việc sử dụng nhiên liệu LPG (nhiên liệu sạch) trên động cơ nén cháy có tỉ số nén
cao; nhằm xác định giới hạn cần thiết của loại khí trơ (CO2) có thể hạn chế kích nổ và tăng
được lượng nhiên liệu LPG khi tăng tốc độ động cơ tối đa cho phép. Chúng tôi thiết kế chế tạo
một họng khuếch tán và dùng các thiết bị đo tốc độ động cơ AVL-Dispeed 490, các lưu lượng
kế điều chỉnh nhiên liệu LPG và khí CO2 để thử nghiệm, đo đạc các thông số của động cơ thí
nghiệm. Trên cơ sở đó, chọn lượng CO2 và nhiên liệu mồi hợp lý khi tăng dần lượng nhiên liệu
LPG cho động cơ, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
ABSTRACT
Detonation combustion in spark-ignition internal combustion engines causes many
damages to the structure of an engine. Therefore, the perfect solution to overcome this
phenomenon is to help increase the amount of fuel gas in the compression ignition engine. This
paper presents the theoretical and experimental use of the LPG fuel (clean fuel) on the
compression ignition engine with a high compression ratio to determine the necessary limits of
the inert gases (CO2) that can limit detonation and increase the amount of the LPG fuel when
the engine runs with maximum allowed speeds. We design and manufacture a diffuser throat
using the AVL- Dispeed 490 device that measures the speed of an engine and the gaseous flow
meter to adjust LPG fuel and CO2 gas for testing and measuring parameters of the engines in
the experiment. Based on this method, we choose the CO2 amount and reasonable diesel pilot
fuel while gradually increasing the amount of LPG fuel so that this engine may aim at minimizing
environmental pollution.
1. Đặt vấn đề
Kích nổ là một trong những hiện tượng cháy bất thường ở động cơ đốt trong.
Cháy kích nổ đã được nghiên cứu rất sớm trong các công trình của Midgley (1920),
Ricardo - Thornycraft (1928), Mason – Hesselberg (1954) [10]. Hiện nay, các nhà khoa
học và các hãng xe hơi tiếp tục tìm những giải pháp tối ưu khắc phục tình trạng này.
Phần lớn các nghiên cứu đã nêu đều tập trung vào lĩnh vực kích nổ trong động cơ đánh
lửa cưỡng bức dùng xăng [1], [3], [4]… hoặc động cơ diesel dùng hai nhiên liệu mà khí
thiên nhiên, methane, ethane làm nhiên liệu cơ bản. O. M. Inwafor kết luận có ba loại
kích nổ trong động cơ hai nhiên liệu: kích nổ diesel (diesel knock) kích nổ cưỡng bức
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
280
(spark knock) và kích nổ bất thường (erratic knock). Cháy kích nổ trong động cơ hai
nhiên liệu có thể xảy ra nặng hoặc nhẹ phụ thuộc vào tốc độ, chế độ tải của động cơ,
nhiệt độ cháy, tỉ lệ khí/nhiên liệu mồi và sự nhiễu loạn hòa khí trong xy lanh [8]. Trong
bài báo này, kích nổ được nghiên cứu và thực nghiệm trên động cơ Toyota 1KZ-TED
do hãng Toyota Nhật Bản sản xuất năm 2000, được sử dụng khá phổ biến ở Việt Nam
hiện nay. Đây là động cơ diesel tỷ số nén 21,2:1; đường kính xy lanh 96[mm]; hành
trình pít tông 103[mm]; công suất cực đại 95,68[kW] ở tốc độ động cơ 3600[v/ph] và
mômen cực đại 289,1[Nm]. Nhiên liệu cơ bản dùng trong thí nghiệm là khí dầu mỏ hóa
lỏng (LPG) và nhiên liệu mồi là diesel.
2. Nội dung nghiên cứu
2.1. Nghiên cứu lý thuyết
2.1.1. Đặc tính cháy trong động
cơ hai nhiên liệu
Quá trình cháy trong
động cơ hai nhiên liệu (dual fuel
engine) khác với động cơ diesel
bình thường. Sự khác nhau này
xuất phát từ việc nạp hỗn hợp
hòa trộn trước nhiên liệu–không
khí vào xy lanh động cơ trong kỳ
nạp. Quá trình này tương tự như
động cơ đánh lửa cưỡng bức (hòa
khí nạp vào buồng cháy được
nén tới nhiệt độ và áp suất cao
rồi đốt cháy) nhưng thay vì bugi
đánh lửa người ta dùng nhiên
liệu phun mồi diesel. Hiện tượng
cháy bất thường gồm nhiều dạng khác nhau như: cháy sớm xảy ra do xuất hiện từ
những điểm hay bề mặt cực nóng đốt cháy hòa khí trong buồng cháy trước khi có tia lửa
cưỡng bức; cháy kích nổ xảy ra do tỉ số nén cao đã làm cho hoà khí tự cháy khi màng
lửa chưa lan tới [4], [8]. Nhiều nghiên cứu xem đây là phản ứng động hóa học của phần
hỗn hợp hòa trộn trước nhiên liệu khí– không khí và phần nhiên liệu mồi[10]. Khi đó
trong quá trình cháy có thể xuất hiện hiện tượng phóng thích rất nhanh phần lớn năng
lượng hóa học của nhiên liệu khí trong buồng cháy động cơ, làm cho tốc độ lan tràn
màng lửa rất lớn (tăng gấp khoảng 50 lần so với cháy thuần Diesel [4]), tạo ra áp suất
cục bộ rất cao tác động lên thành buồng cháy sinh ra sóng phản hồi. Sóng này cộng
hưởng sóng áp suất với biên độ đáng kể lan truyền trên bề mặt buồng cháy gây tiếng gõ
kim loại và tác hại đến kết cấu động cơ [4]. Tùy thuộc vào tần số dao động, các sóng áp
suất lan truyền trong buồng cháy sẽ ảnh hưởng đến cường độ oxy hóa nhiên liệu.
Hình 1. Sơ đồ hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu LPG-Diesel
cho động cơ nén cháy.
(I: Đường cung cấp LPG; II: Đường cung cấp CO2; III: Đường
cấp nhiên liệu mồi Diesel; IV:Đường ống nạp; V:Đường ống
thải.)
1: Van điện từ; 2: Bộ hóa hơi - giảm áp; 3: Lưu lượng kế đo
LPG; 4: Không khí vào; 5:Họng khuếch tán; 6: Vòi phun
Diesel; 7: Xy lanh; 8: Pittông; 9 : Lưu lượng kế đo CO2; 10:
Nước ra; 11: Nước vào; 12:Van điện từ và áp kế.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
281
Các nghiên cứu cho thấy, động cơ hai nhiên liệu có ưu điểm: hiệu suất động cơ
tăng và sự đốt cháy hỗn hợp hòa trộn trước xảy ra nhanh chóng hơn so với động cơ
dùng thuần diesel cùng tỉ số nén. Tuy nhiên, bất lợi của động cơ này là khi tốc độ tăng
áp suất và sự thay đổi nhiệt độ trong xy lanh tăng quá lớn có khả năng gây ra hiện tượng
kích nổ [2], [5]. Cháy kích nổ ở động cơ hai nhiên liệu tùy thuộc vào tốc độ động cơ,
chế độ tải, tia phun, thời gian cháy trễ của hỗn hợp nhiên liệu – không khí, tính chất
nhiên liệu mồi diesel, tính chất của nhiên liệu khí dùng làm nhiên liệu cơ bản và phân
bố nồng độ các loại nhiên liệu này trong toàn bộ xy lanh [7], [10], [12].
2.1.2. Các loại cháy kích nổ
a) Cháy kích nổ diesel trong động cơ hai nhiên liệu
Động cơ nén cháy vốn dĩ có tốc độ tăng áp suất trong quá trình cháy rất cao, do
đó, động cơ hai nhiên liệu dùng nhiên liệu khí hòa trộn trước dễ bị kích nổ. Cháy kích
nổ gây ra âm thanh như va đập kim loại với cường độ cao. Cháy kích nổ ở động cơ
lưỡng nhiên liệu hòa trộn trước có biên độ cực đại rất lớn và có khuynh hướng tăng dần.
Làm cho thời gian cháy trễ của nhiên liệu diesel phun mồi cũng kéo dài hơn. Mức độ
kích nổ của động cơ tùy thuộc tốc độ, chế độ tải của động cơ và tỉ lệ nhiên liệu (khí)
thay thế/nhiên liệu mồi (diesel) [8].
b) Cháy kích nổ cưỡng bức trong động cơ hai nhiên liệu (spark knock)
O.M.I. Nwafor xác định cháy kích nổ trong động cơ đánh lửa cưỡng bức (SI) là
do sự tự bốc cháy của hỗn hợp cháy trước khi có màng lửa lan đến. Khi xảy ra kích nổ,
biên độ áp suất tần số cao bị phân rã theo thời gian. Những dao động áp suất này tạo ra
tiếng ồn kim loại chói tai [8]. Trong động cơ hai nhiên liệu, sau thời kỳ cháy trễ xuất
hiện nhiều điểm đánh lửa khác nhau trong buồng cháy do tự bốc cháy của nhiên liệu
mồi (diesel); sau đó quá trình đốt cháy bình thường của nhiên liệu cơ bản (khí) sinh ra
bức xạ quang nhiệt đốt nóng vùng hỗn hợp chưa cháy phía trước; nếu nhiên liệu có khả
năng chống kích nổ tốt, hỗn hợp nhiên liệu-không khí ở vùng này cháy tuần tự cho đến
khi toàn bộ hòa khí trong xy lanh cháy hết; tạo ra năng lượng tối đa tác động lên pít
tông. Thực tế, có hàng loạt phản ứng tiền kích nổ diễn ra ở vùng khí chưa đốt trong
buồng cháy trước khi bề mặt lửa mồi tràn đến. Các phản ứng đó làm cho các gốc hóa
học của nhiên liệu có khả năng tự bốc cháy bởi các bức xạ quang nhiệt với tốc độ cháy
nhanh gấp trăm lần tốc độ cháy bình thường. Với tốc độ cháy như vậy, chúng sẽ gây ra
sự tăng đột ngột áp suất trong xy lanh (lớn hơn gấp nhiều lần so với cháy bình thường)
tác hại đến kết cấu động cơ. Sự tự động bắt lửa của hỗn hợp không khí - nhiên liệu dạng
khí xảy ra khi năng lượng phản ứng hóa học được phóng thích lớn hơn nhiệt mất đi ở
quanh vùng cháy. Tuy nhiên khi nhiệt độ cháy và chế độ tải tăng lại làm giảm thời gian
cháy trễ của hỗn hợp dẫn đến mức độ kích nổ giảm. Điều này trái ngược với kích nổ
trong động cơ đánh lửa cưỡng bức: nhiệt độ tăng thì kích nổ tăng [8].
c) Kích nổ bất thường trong động cơ hai nhiên liệu
Hiện tượng kích nổ bất thường của động cơ hai nhiên liệu xuất phát từ hai điểm:
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
282
Thứ nhất, sự gia tăng nồng độ nhiên liệu cơ bản trong quá trình cháy, sự thiếu oxy cục
bộ. Thứ hai, nó phụ thuộc vào điều kiện hoạt động của động cơ như chế độ tải, tốc độ,
nhiệt độ đường ống nạp và sự phân bố của hỗn hợp cháy trong không gian buồng cháy.
Khi nhiên liệu cơ bản cháy, giá trị trung bình đỉnh áp suất tăng lên. Khi tăng thêm lượng
nhiên liệu cơ bản (LPG) thì kích nổ khốc liệt hơn.
2.1.3. Một số kết quả nghiên cứu về cháy kích nổ :
- Các kết quả thí nghiệm cho thấy, giai đoạn cháy trễ của hỗn hợp nhiên liệu –
không khí có ảnh hưởng đến hiện tượng cháy kích nổ. Giai đoạn này dài hay ngắn phụ
thuộc chỉ số Cetan của nhiên liệu, nhiệt độ T và áp suất p của miền hỗn hợp chưa cháy
phía trước màng lửa trong buồng cháy, phương trình Wolfer [4], [6], [10].
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=−
T
B
Ap nexp.
τ
(1)
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=−
T
p
ON 3800
exp.
100
68,17 7,1
402,3
τ
(2)
ON, A, B, n: chỉ số Cetan và các thông số tùy thuộc vào tính chất của nhiên liệu.
Ramadhas và cộng sự đã thiết lập phương trình liên hệ thời gian cháy trễ với
nhiệt độ, áp suất, tỉ số nén và đặc tính của nhiên liệu [9]:
() ()
[]
()
[]
1
/exp
1
,==
∫∫
−
ign
inj
ign
inj
t
t
t
t
q
inj tRTEtp
dt
KTpt
dt (3)
Với: K = 2272; q = -1,19, 4650=
R
E
- Hệ số cháy kích nổ là đại lượng không thứ nguyên gắn liền với sự phóng thích
năng lượng hóa học của khí sót do sự cháy với tốc độ năng lượng nhiệt mất đi tại điểm
xảy ra phản ứng cháy, được thiết lập nhằm định lượng tính khốc liệt của cháy kích nổ.
Hệ số cháy kích nổ k [5]:
dt
dT
T
M
D
k1
= (4)
Với: D: đường kính xy lanh; M: tốc độ âm thanh; T, dt
dT : nhiệt độ và độ tăng nhiệt độ
của khí sót.
- Năng lượng nhiệt phóng thích của nhiên liệu mồi trong quá trình tự cháy được
cân bằng với nhiệt lượng phản ứng hóa học tương tác giữa các thành phần trong hỗn
hợp nhiên liệu – không khí [12].
()
() ()
∑∫
∑=
=
=
=
+−=
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛∆++
32
1
32
1
j
j
p
s
wvjj
j
T
To
vj
j
j
jQ
M
A
TT
dt
dT
Cx
dt
dx
UdTC
tV
tdV
RTx
λ
(5)
Q
p: Mức năng lượng phóng thích lúc cháy nhiên liệu mồi.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
283
2.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến giới hạn kích nổ trong động cơ hai nhiên liệu
a) Ảnh hưởng tỷ lệ nhiên liệu khí/nhiên liệu mồi trong động cơ hai nhiên liệu
Phân tích kết quả nghiên
cứu của Selim về giới hạn kích nổ
và tính chất cháy của động cơ hai
nhiên liệu (dùng nhiên liệu mồi
diesel; nhiên liệu cơ bản là khí CH4,
LPG và CNG) trên hình 2. Khi thay
đổi tỉ lệ nhiên liệu khí
(mgas/mgas+mdiesel), sự biến đổi tải và
hiệu suất nhiệt được thể hiện ở hình
2a và 2b, kết quả cho thấy, giá trị
mômen của động cơ tăng đồng biến
với tỉ lệ nhiên liệu khí; nhưng khi tỉ
lệ này đạt trên 50% thì mômen
động cơ đạt giá trị cực đại rồi
nghịch biến, khi đó động cơ bị kích
nổ. Khi dùng LPG, động cơ bị kích
nổ sớm hơn, vì nhiệt độ tự cháy của
LPG thấp hơn nhiệt độ tự cháy của
CNG và CH4 [7]. Tương tự, áp suất
cực đại và biến thiên áp suất dP/dθ
thay đổi khi tăng tỉ lệ nhiên liệu khí.
Khi tăng tải (giữ nguyên tốc độ
động cơ, góc phun và lượng nhiên liệu mồi diesel không đổi) thời gian cháy trễ của
nhiên liệu diesel giảm, do đó sự tự cháy nhiên liệu khí xảy ra sớm hơn. Phản ứng cháy
của nhiên liệu diesel sẽ làm giảm lượng oxygen tập trung trong buồng cháy nên khi
lượng nhiên liệu khí tăng cũng sẽ
ảnh hưởng đến thời gian cháy trễ.
Khi tăng tải, hiệu suất nhiệt của
động cơ cũng tăng [7].
b) Ảnh hưởng chế độ tốc
độ động cơ
Hình 3, giới thiệu ảnh
hưởng của chế độ tốc độ động cơ
trong động cơ hai nhiên liệu ứng
với ba loại nhiên liệu cơ bản khác nhau khi cùng lượng nhiên liệu diesel mồi. Khi tăng
tốc độ động cơ, mô men động cơ tăng chậm, tiếng ồn giảm (biến thiên áp suất (dP/dθ)
giảm), điều này khác đối với động cơ chỉ dùng nhiên liệu diesel [7], [8].
Hình 2. Ảnh hưởng tỉ lệ nhiên liệu cơ bản và nhiên liệu
mồi đến mômen, hiệu suất động cơ.
N=1300v/ph; góc phun sớm= 350; tỷ số nén=22
Hình 3. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến hiệu suất
nhiệt và tốc độ tăng áp suất [7]
Hình 4. Ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu mồi
đến mômen và hiệu suất động cơ.