điều khiển quá trình cháy trong động cơ phun xăng điện tử TS. Nguyễn Duy tiến Bộ môn Động cơ đốt trong - ĐH GTVT Tóm tắt: Bi báo trình by cơ sở lý thuyết để nghiên cứu sử dụng v điều chỉnh động cơ ô tô đạt hiệu quả cao nhất, lựa chọn nhiên liệu thích hợp cho động cơ ô tô sử dụng ở Việt Nam v giới thiệu kết quả nghiên cứu cải tiến động cơ phun xăng điện tử thế hệ mới của Nhật Bản. Summary: The electronic fuel injection (EFI), multiple point injection MPI, gasoline direct injection (GDI) engine has been developed by employging stratified charge, ultra lean combustion technology based on unique engine techniques in the field of cylinder motion and combustion control. Not only extreme improvement of fuel economy was achieved by ultra lean combustion, but also high power was attained by preparing homogeneous mixture of high load operation. 1. Đặt vấn đề Các chỉ tiêu công suất và kinh tế của động cơ đốt trong thay đổi theo áp suất, nhiệt độ và độ ẩm của không khí môi trờng xunh quanh. Động cơ đốt trong làm việc ở điều kiện môi trờng Việt Nam có độ ẩm cao thì công suất giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng và tăng thành phần khí xả độc hại. Đối với động cơ xăng nguyên nhân chủ yếu làm giảm lợng nạp hỗn hợp là nhiệt độ cao. Ngoài ra còn phụ thuộc vào hệ thống cấp dẫn nhiên liệu (các- bua-ra-tơ, hệ thống phun xăng điện tử) Mặt khác nhiệt độ và độ ẩm cao của không khí nạp cũng gây ảnh hởng rất nhiều tới chất lợng nạp hỗn hợp và quá trình đốt cháy chúng. Tác giả đã khảo sát các ảnh hởng kể trên thông qua kết quả nghiên cứu về tạo hỗn hợp và nhiệt động lực học của quá trình cháy trong động cơ ôtô mẫu hút không khí nạp từ buồng ẩm nhân tạo có xét tới ảnh hởng của khí hậu cho phép rút ra những kết luận có tính nguyên tắc cho việc tiến hành, nghiên cứu khảo sát các động cơ đời mới đợc lắp ráp trên các loại ôtô nhập vào Việt Nam. Đồng thời đa ra đợc các giải pháp kỹ thuật nhằm khai thác và bảo dỡng chúng một cách hợp lý. Các loại ôtô đời mới khai thác ở Việt Nam, với nhiệt độ và độ ẩm cao sẽ làm thay đổi động lực học của quá trình cháy, quy luật toả nhiệt xảy ra trong động cơ. Kéo theo hàng loạt chỉ tiêu tối u khác thay đổi nh: Hệ số d không khí , góc đánh lửa sớm , chỉ tiêu cháy Vê-be. Vì vậy các động cơ ôtô đời mới sử dụng ở Việt Nam cần thoả mãn các yêu cầu sau: 1. Giảm mức tiêu hao nhiên liệu 2. Đảm bảo công suất thiết kế 3. Giảm ô nhiễm môi trờng do khí thải gây ra 4. Kéo dài thời gian sử dụng, hạn chế hao mòn chi tiết. Các chuyên gia ngành động cơ nói riêng và ngành ôtô nói chung trớc mắt cần tập trung nghiên cứu giải quyết hai hớng chính sau: 1. Nghiên cứu sử dụng và điều chỉnh máy đạt hiệu quả cao nhất. 2. Lựa chọn nhiên liệu thích hợp (sử dụng xăng không chì, xăng có pha mêtanol, autogas). Dới đây trình bày cơ sở lý thuyết để giải quyết hai hớng nghiên cứu kể trên nhằm sử dụng động cơ đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao nhất. II. Điều khiển quá trình cháy khi sử dụng phun xăng điện tử (Elec- tronic fuel injection EFI) Sự cháy trong động cơ là một hiện tợng hết sức phức tạp xảy ra trong khoảnh khắc với không gian nhỏ bị xáo trộn dữ dội và thay đổi liên tục với hỗn hợp có thành phần hoá học, áp suất, nhiệt độ khác nhau. Các nhân tố trên không ngừng tác động tới quá trình cháy. Cụ thể là làm tăng tốc độ phân nhánh, bẻ gãy các phản ứng dây chuyền, các hợp chất cac-bua-hyđrô của nhiên liệu với ôxy trong không khí. Đồng thời hiện tợng phân ly và tái hợp sản phẩm cháy luôn xảy ra. Nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ hết sức khó khăn, đến nay chủ yếu vẫn là nghiên cứu thực nghiệm. Nh các nghiên cứu đã chỉ rõ quá trình cháy xảy ra trong động cơ phải thoả mãn biểu thức sau: mindtCVV t 0 1k 1k 1 0 = (1) Dựa vào lý thuyết phản ứng dây truyền và kết quả nghiên cứu của giáo s Vi-be đã tìm ra một phơng trình gần đúng biểu thị lợng nhiên liệu đợc đốt cháy trong xy-lanh theo góc quay trục khuỷu. X = 1 - 1m z .908,6 e + (2) Chỉ tiêu m đặc trng cho sự phát triển của quá trình cháy theo thời gian t hoặc theo góc quay trục khuỷu . Trị số m =1,5 ứng với quá trình cháy trong động cơ một cách có lợi nhất. Điều này có thể đạt đợc khi phối hợp khéo léo các nhân tố cấu trúc nh góc đánh lửa sớm , thành phần hỗn hợp , loại nhiên liệu và đặc tính của nhiên liệu. Thực nghiệm chứng tỏ rằng quá trình cháy xảy ra có lợi nhất khi pha cháy cơ bản (giai đoạn 2 của quá trình cháy trong động cơ xăng) phân bố đối xứng qua điểm chết trên (ĐCT). Kết luận này cho phép điều khiển quá trình cháy trở nên đơn giản hơn bằng cách điều chỉnh các-bua-ra-tơ hoặc đặt lại chơng trình phun cho hệ thống phun xăng điện tử. Dựa vào đồ thị khai triển (nhờ máy dao động ký đặc biệt trong phòng thí nghiệm động cơ). Khi pha cơ bản của quá trình cháy phân bố đối xứng qua ĐCT các yếu tố lý hoá, khả năng toả nhiệt và truyền nhiệt trong buồng cháy đảm bảo cho các phản ứng dây truyền đạt trị số tốc độ thích hợp. Để điều chỉnh thành phần hỗn hợp khí- nhiên liệu theo điều kiện khí hậu môi trờng Việt nam, cần xác định cụ thể hệ số tối u cho mỗi loại động cơ, trong những trờng hợp đặc biệt có thể bố trí thêm bộ phận tự động làm thay đổi lợng nhiên liệu qua Rich-lơ chính của các-bua-ra-tơ, hoặc bộ phận cấp không khí của hệ thống EFI. Để bù đắp lợng không khí nạp vào xy-lanh bị giảm sút khi áp suất môi trờng thấp và nhiệt độ tăng. Hiệu quả của quá trình cháy trên đợc mô tả qua đồ thị: 0 20 40 2000 4000 n e (v/p) g e ne (ml) 80 60 n e 0 2 4 t 6 CO % a) b) Hình 1. Hiệu quả của bộ điều chỉnh tự động theo nhiệt độ môi trờng: a) Đặc tính ngoi của động cơ khi có v không có bộ phận tự động điều chỉnh theo nhiệt độ khí hậu; b) Thnh phần CO trong khí xả của động cơ khi có v không có bộ phận tự động điều chỉnh theo nhiệt độ khí hậu. Độ ẩm của không khí nạp vào mùa xuân làm kéo dài thời kỳ cháy trễ 1 ,i và thời gian cháy nói chung. Cùng với sự tăng độ ẩm thì đồ thị chỉ thị của động cơ bị dịch chuyển và biến đổi, pha cơ bản 2 bị lệch khỏi vị trí đối xứng qua ĐCT, trị số áp suất cao nhất P zmax và nhiệt độ T zmax của chu trình giảm, đồng thời vị trí của chúng càng rời xa ĐCT. Quá trình cháy kéo dài trên đờng dãn nở, nồng độ CO và C n H m trong khí xả tăng nhanh. Những thay đổi nh thế làm quá trình cháy rời khỏi vị trí tối u tức là công thức (1) bị sai lệch không đúng nữa, trị số m lớn, lúc này cần tăng góc đánh lửa sớm . 0 -20 -10 10020 1 2 Thực nghiệm của tác giả đã chứng minh rằng: Khi tăng 10% độ ẩm, tăng 1 o góc quay trục khuỷu. Đồ thị P - trên hình 2 chứng minh điều đó. - Khi = 100%, t = 40 0 C động cơ làm việc toàn tải với số vòng quay n e = 2000 v/p. - Khi số vòng quay động cơ thấp, độ ẩm làm giảm tốc độ lan tràn màng lửa. P Hình 2. Tác động của góc tới quá trình cháy. U ch = U x V VV 2 1 T T 1 2 (3) U x = 1 T T V VV U 1k 1 1 2z th + (4) U ch - tốc độ di chuyển màng lửa về phía trớc; U x - tốc độ xoáy lốc của màng lửa; U th = U ch + U x - tốc độ lan tràn của màng lửa có thể thấy đợc; (Các phơng án trên xác định bằng phơng pháp chụp ảnh quá trình cháy hoặc bằng phơng pháp Ion hoá). V z - thể tích tức thời buồng cháy; V - thể tích phần đã cháy; T 1 - nhiệt độ phần trớc màng lửa; T 2 - nhiệt độ trung bình của vùng cháy. - hệ số kể đến sự truyền nhiệt trong buồng cháy ( <1). Để giảm ảnh hởng của độ ẩm tới tốc độ cháy cần chú ý dạng buồng cháy lý tởng, tăng cờng xoáy lốc một cách thích hợp, nâng cao tốc độ chuyển động trung bình của pittông cũng nh chọn vị trí đặt nến điện hợp lý trong buồng cháy. Cần rút ngắn khoảng cách từ bu- gi tới điểm xa nhất của buồng cháy để giảm bớt hiện tợng tắt sớm của ngọn lửa trong vùng có nhiệt độ thấp hơn gần thành xy-lanh. Mặt khác, độ ẩm tăng làm giảm xu hớng cháy kích nổ nên cho phép dùng xăng có trị số ôc-tan thấp. Điều này rất có ý nghĩa vì nhiên liệu rẻ hơn, không phải pha thêm chất phụ gia chống kích nổ, giảm ô nhiễm môi trờng do khói xả của động cơ ôtô. Vì vậy trong điều kiện Việt nam cũng cần phải xem xét và xác định các loại xăng có trị số ốc-tan thích hợp theo môi trờng sử dụng (nhiệt độ và độ ẩm). III. Sử dụng loại xăng phù hợp Hiện nay nớc ta đã thay thế xăng không chì. Nhng khi sử dụng ta cũng cần xem xét một số yếu tố sau: - Cần phải chống ẩm cho các loại nhiên liệu vì lợng nớc có thể hoà tan vào trong xăng tỷ lệ thuận với độ ẩm tơng đối của không khí môi trờng: C = C max %. - Nếu nhiệt độ của nhiên liệu và không khí không khác nhau mấy thì lợng nớc có trong xăng bằng lợng nớc có trong không khí. - Trong điều kiện độ ẩm cao có thể dùng nhiên liệu có chứa oxy nh hỗn hợp xăng với êtanol, mêtanol sẽ có tác dụng tăng công suất động cơ. Gần đây, ở Mỹ đã dùng thiết bị phân tích hyđrô từ nớc để trộn thêm vào không khí. Nhiên liệu cháy tốt làm tăng công suất, giảm CO và C n H m . Phơng pháp Ion hoá khí bằng trộn , rồi đa thêm vào ống nạp cũng mang lại kết quả tốt. IV. Giải quyết theo hớng cải tiến kết cấu của động cơ Vào những năm cuối của thế kỷ XX, hãng ôtô Mitsubishi (Nhật Bản) đã đa vào sản xuất động cơ phun xăng điện tử trực tiếp (GDI Gasoline Direct injection) lắp trên các thế hệ xe con của hãng vào những năm 1998-2000. Đặc điểm của động cơ này là tính kinh tế rất cao, hỗn hợp có thể đợc đốt cháy với tỷ lệ không khí - nhiên liệu rất nhạt (A/F = 30 - 40, trong khi đối với các động cơ cac-bua-ra-tơ thông thờng A/F = 15 - 16). Đặc điểm về cải tiến kết cấu của động cơ phun xăng trực tiếp của hãng Mitsubishi là: - Đờng ống nạp đợc bố trí thẳng đứng để tối u hoá dòng khí vận động trong xilanh động cơ. - Tạo dạng lõm trên đỉnh pittông để tối u hoá quá trình chuyển động lớt của chùm nhiên liệu khi phun vào cuối kỳ nén (trong các động cơ xăng khác đỉnh pittông thờng là đỉnh bằng). 10 15 20 325 35 40 0 0 35% 15 15 4000 0 2000 e (kg.m) 2 6000 8000 v/p m - Sử dụng bơm xăng có áp suất cao để cung cấp xăng qua vòi phun vào buồng cháy. - Sử dụng vòi phun có kim phun hình chốt kiểu xoáy và phun với áp suất cao. 10% 1 N e (ml) 2 mpi 1 gdi 10% Vì vậy dòng không khí vào xi-lanh sẽ chuyển động thẳng đứng từ xupáp nạp đến phần lõm trên đỉnh pittông, kéo chùm trả nhiên liệu vận động xoáy lốc khi ra khỏi vòi phun chuyển động khắp trong buồng máy của động cơ. Mặt khác động cơ phun xăng trực tiếp GDI còn có thể điều khiển đợc thời điểm phun nhiên liệu ở hai chế độ mô men và công suất. ở chế độ mô men (có tính kinh tế cao) nhiên liệu đợc phun ở cuối kì nén với = 40 0 trớc ĐCT với một lợng ít nhiên liệu có tỷ lệ A/F = 14,7. Kết quả đạt đợc 1. Về tính kinh tế nhiên liệu: Do phun nhiên liệu đợc điều khiển vào cuối kì nén nên tính kinh tế rất cao so với các động cơ cùng loại sử dụng phun xăng điện tử (MPI) thì lợng nhiên liệu giảm 35%. g e , g/mlgiờ Hình 3. So sánh tính kinh tế nhiên liệu của động cơ GDI v MPI 2. Về đặc tính công suất v mô men ở mọi chế độ tốc độ, giá trị công suất và mô men của động cơ GDI với = 12 lớn hơn 10% so với công suất và mô men của động cơ MPI với =10,5. Hình 4. So sánh công suất v mô men giữa động cơ MPI v GDI 3. Về ô nhiễm môi trờng Do kết hợp hai yếu tố là nâng cao hiệu quả cháy ở những chế độ hỗn hợp nhạt với tỷ số A/F cao và động cơ đợc trang bị thêm bộ lọc 3 lớp để hấp thụ NO x thải ra môi trờng giảm đáng kể khoảng 9,7%. V. Kết luận Động cơ phun xăng điện tử EFI gồm MPI và GDI sử dụng rất nhiều các thành tựu kỹ thuật điện tử, vi điện tử và điều khiển điện tử là xu hớng tất yếu của nghành chế tạo ôtô thế giới vì chúng có thể điều khiển đợc tối u hoá các quá trình cháy phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ do đó đáp ứng đợc tính kinh tế cao và không gây ô nhiễm môi trờng. Tài liệu tham khảo [1]. Internal Combustion Engine Khovak 1990 [2]. Contruction and Dising of Motor Vehicle Engines. [3]. Mixture Formation in spark Ignition Engines. Development of Gasoline Infictine (GDI) Engine. Okazaki Aichi Tokyo 1998 Ă . điều khiển quá trình cháy trong động cơ phun xăng điện tử TS. Nguyễn Duy tiến Bộ môn Động cơ đốt trong - ĐH GTVT Tóm tắt: Bi báo trình by cơ sở lý thuyết để nghiên. rằng quá trình cháy xảy ra có lợi nhất khi pha cháy cơ bản (giai đoạn 2 của quá trình cháy trong động cơ xăng) phân bố đối xứng qua điểm chết trên (ĐCT). Kết luận này cho phép điều khiển quá. phẩm cháy luôn xảy ra. Nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ hết sức khó khăn, đến nay chủ yếu vẫn là nghiên cứu thực nghiệm. Nh các nghiên cứu đã chỉ rõ quá trình cháy xảy ra trong động cơ