TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ XĂNG 1.1 SƠ LƯC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1860, J.J E Lenoir (1822-1900)(Pháp) chế tạo động đốt đốt cháy khí đốt áp suất môi trường, nén hỗn hợp trước trình cháy Công suất lớn đạt khoảng mã lực hiệu suất cực đại khoảng 5% 1876, Nicolaus A Otto (1832-1891) Eugen Langen (1833-1895) tận dụng gia tăng áp suất trình cháy, để cải tiến dòng khí nạp Hiệu suất nhiệt đạt lên đến 11% Sau đó, nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt giảm kích thước động đốt trong, Otto gợi ý chu trình (nạp, nén, cháy dãn nở thải) cho hành trình piston động đốt 1884, Alphonse Beau de Rochas (1815-1893) mô tả nguyên lý chu trình ĐCĐT Ông đưa điều kiện nhằm đạt hiệu suất cực đại động đốt gồm: Thể tích xy lanh tối đa ứng với bề mặt biên tối thiểu Tốc độ làm việc lớn đạt Tăng tỉ số nén tối đa p suất tối đa kể từ lúc bắt đầu dãn nở 1886, Hãng Daimler – Maybach xuất xưởng động xăng có công suất 0,25 mã lực số vòng quay 600 vòng/phút 1892, Rudolf Diesel (1858-1913) gợi ý dạng động đốt cách phun nhiên liệu lỏng vào không khí sấy nóng Sau đó, hỗn hợp tự bắt cháy có hiệu suất nhiệt khoảng 26% Loại động biết động Diesel ngày 1957, Động đốt kiểu piston quay (Động Wankel) chế tạo gọn nhẹ Từ đến nay, người ta liên tục cải tiến phát triển phận động đốt để loại thiết bò ngày hoàn thiện đạt suất cao Cùng với phát triển khoa học công nghệ ngành công nghiệp luyện kim, người ta cho đời nhiều loại độnng có công suất lớn, hiệu suất nhiệt cao có tuổi thọ cao đáp ứng nhu cầu người Ngày động đốt kiểu piston sử dụng nhiên liệu xăng diesel dùng rộng rải đời sống, nguồn lực thiếu ngành công nghiệp vận tải ngành hàng hải, hàng không đặc biệt ngành giao thông đường số động tónh có công suất lơn khu công nghiệp, động đốt sử dụng xăng có tốc độ cao, công suất lớn, làm việc êm , giá thành nhiên liệu cao nên dùng xe du lòch nhỏ, xe có tốc độ cao,… động diesel số vòng thấp, công suất lớn, giá thành nhiên liệu thấp làm việc có tiếng ồn lớn, cân động khó nên dùng xe tải lớn, xe ôtô buyt số động tónh Trang: TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY 1.2 Đònh nghóa khái niệm động đốt 1.2.1 Điểm chết Điểm chết vò trí mà piston không khả chuyển động kết thúc hành trình xylanh Tại vò trí vận tốc piston không (piston đổi chiều chuyển động nhờ vào lượng bánh đà), Piston kết thúc hành trình công tác xylanh có hai điểm chết Điểm chết (ĐCT): vò trí piston nằm xa tâm trục khuỷu Điểm chết (ĐCD): vò trí piston nằm gần tâm trục khuỷu 1.2.2 Hành trình piston (S) Hành trình piston khoảng cách dòch chuyển piston hai điểm chết, ký hòệu S S = 2.R (1.1) Với R bán kính quay trục khuỷu Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo động đốt a) Piston điểm chết trên; b) Piston điểm chết 1.2.3 Thể tích công tác (Vh) Thể tích công tác khoảng cách giới hạn hai điểm chết, ký hiệu V h Đối với động xylanh thể tích công tác tính sau: (1.2) Đối với động có i xylanh Vh∑ = Vh.i Trang: TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY Trong đó: D – đường kính xylanh S – hành trình piston i – số xylanh động 1.2.4 Thể tích buồng cháy (Vc ) Thể tích buồng cháy khoảng không gian xylanh giới hạn đỉnh piston điểm chết nắp xylanh, ký hiệu Vc Vc = Va + Vh (1.3_) 1.2.5 Thể tích toàn (Va ) Thể tích toàn khoảng không gian xylanh giới hạn đỉnh piston điểm chết nắp xylanh, ký hiệu Va 1.2.6 Tỉ số nén (ε)n Tỷ số nén tỉ số thể tích toàn thể tích buồng cháy động ε= Va Vc + Vh V = = 1+ h Vc Vc Vc 1.2.7 Kỳ (thì) Kỳ (hay thì) hành trình thực piston hai điểm chết Khi động hoạt động, xylanh phải diễn trình: nạp, nén, cháy giãn nở thải tạo nên chu trình công tác (làm việc) động đốt Nếu chu trình công tác động hoàn thành bốn hành trình piston, có nghóa sau hai vòng quay trục khuỷu động gọi động bốn kỳ Nếu động hoàn thành chu trình công tác hai hành trình piston, tương ứng với vòng quay trục khuỷu động gọi động hai kỳ 1.2.8 Chu trình công tác (chu trình làm việc) Chu trình công tác tập hợp toàn trình: nạp, nén, cháy giãn nở thải diễn xylanh lập lập lại có tính chu kỳ gọi chu trình công tác hay chu trình làm việc động đốt 1.3 Nguyên lý làm việc động kỳ Đối với động kỳ, để hoàn thành chu trình công tác piston động phải thực hành trình tương ứng với trình diễn xylanh gồm: nạp, nén, cháy giãn nở thải Trong công có ích trình cháy giãn nở sinh Trang: TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY Do trình diễn lập lập lại có tính chu kỳ nên khảo sát nguyên lý làm việc ta khảo sát chu trình công tác toàn trình làm việc động Trong chu trình công tác động sau: 1.3.1 Kỳ (quá trình nạp) Là trình nạp môi chất vào lòng xylanh động (hoà khí động xăng) Vào đầu kỳ một, piston từ điểm chết Toàn thể tích buồng cháy V c sản vật cháy hành trình trước để lại với áp suất cao áp suất khí trời, áp suất gọi áp suất khí sót Khi trục khuỷu quay theo chiều mũi tên, thông qua truyền, piston bắt đầu dòch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, cấu phân phối khí điều khiển suppap thải đóng, suppap nạp mở thông đường ống nạp với không gian xylanh Khi piston chuyển động từ ĐCT xuống, tạo độ chân không xylanh làm cho áp suất lòng xylanh nhỏ áp suất đường ống nạp Mức độ chênh lệch áp suất khoảng 0,01 – 0,03 MPa, môi chất (hòa khí) từ đường ống nạp hút vào xylanh piston tới ĐCD (hình 1.4a) 1.3.2 Kỳ hai (quá trình nén) Piston di chuyển từ ĐCD lên ĐCT, cấu phân phối khí điều khiển làm cho suppap nạp đóng lại, môi chất nén xylanh Vào cuối trình nạp, piston vò trí ĐCD áp suất xylanh p a nhỏ áp suất đường ống nạp pk Tận dụng điều này, để hoàn thiện trình nạp, cấu phân phối khí điều khiển supap nạp đóng muộn sau piston qua khỏi ĐCD Việc đóng muộn supap nạp có tác dụng nạp môi chất vào xylanh đầy hơn, điều có tác dụng động năng, chênh lệch áp suất theo quán tính dòng môi chất vào Sau suppap nạp đóng, piston chuyển động lên phía ĐCT làm cho áp suất nhiệt độ môi chất xylanh tăng dần Giá trò áp suất cuối trình nén phụ thuộc vào: tỉ số nén ε, độ kín khít chi tiết động cơ, mức độ tản nhiệt thành xylanh áp suất môi chất đầu trình nén (hình 1.4b) Để tạo điều kiện tốt cho môi chất cháy cách kòp thời nhiệt lượng sinh tận dụng triệt để việc đốt cháy hỗn hợp phải thực trước piston tới ĐCT Cụ thể, động xăng bougie phải tạo tia lửa trước piston đến ĐCT 1.3.3 Kỳ ba (quá trình cháy – giản nở) Vào kỳ ba môi chất bò nén xylanh cuối kỳ nén bốc cháy với tốc độ nhanh Tốc độ gia tăng áp suất nhiệt độ môi chất cao, tạo áp lực sinh công đẩy piston dòch chuyển phía ĐCD thực trình giãn nở môi Trang: TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY chất xylanh Chính kỳ ba gọi kỳ sinh công, trình hai suppap đóng (hình 1.4c) a b c d Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý làm việc động Diesel bốn kỳ a) trình nạp ; b) trình nén ;c) trình cháy giản nở ;d) trình thải – supap nạp; – supap thải; – piston; – vòi phun 1.3.4 Kỳ bốn (quá trình thải) Piston dòch chuyển từ ĐCD lên ĐCT đẩy sản vật cháy khỏi xylanh động qua suppap thải mở Do áp suất môi chất xylanh vào cuối kỳ cháy giãn nở cao nên supáp xả phải mở sớm trước piston xuống đến ĐCD khoảng 40 ÷ 60o tương ứng với góc quay trục khuỷu Nhờ kiện sản vật cháy thải khỏi xylanh động Khi kỳ bốn kết thúc động thực chu trình công tác, nhờ quán tính quay bánh đà giúp động thực chu trình công tác Chính mà động làm việc liên tục 1.4 Các thông số đánh giá tính kinh tế – kỹ thuật động kiểu piston 1.4.1 Thông số thò 1.4.1.1 Áp suất thò trung bình Pi Áp suất thò trung bình chu trình công tác công thò đơn vò thể tích công tác xylanh chu trình Pi = Trong đó: Li Vh , (J/m N/m ) (1.1) Li – công thò chu trình (J N.m) Vh – thể tích công tác xylanh (m³) Trong thời gian hoạt động, áp suất P môi chất xylanh có áp suất khí thể cacte luôn tác dụng lên piston theo hướng ngược chiều so với P Phần lớn động cơ, cacte nối thông với khí trời với đường nạp qua hệ thống thông gió cacte, coi áp suất khí thể cacte áp suất khí trời po Trang: TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY Như piston chuyển động xylanh, hợp lực khí thể Pkt tác dụng đẩy piston xylanh là: Fkt = (P − p o ) Trong đó: πD (1.2) D – đường kính xylanh (m) Hợp lực khí thể Pkt đẩy piston chuyển dòch vi lượng hành trình dS, tạo vi lượng công dLi theo biểu thức: πD dL i = Fkt dS = (P − p o ) dS = (P − p o )dV (1.3) Tích phân biểu thức (1.3) theo chu trình tìm công thò chu trình Li: Li = ∫ dL i = chutrình ∫ (P − p chutrình o )dV (1.4) Thay (1.4) vào (1.1) được: Pi = Vh ∫ (P − p o chu − trình )dV (1.5) Muốn xác đònh Pi theo (1.5) cần biết hàm (P – p0) = f(V) Đó đồ thò công động kỳ động kỳ mà trục hoành đường vuông góc với trục tung qua giá trò po c) a) b) d) Hình 1.14 Đồ thò công P – V chu trình thực tế a) Động bốn kỳ; b) Động hai kỳ; c) Đồ thò trình nạp thải động bốn kỳ không tăngáp; d) Đồ thò trình nạp thải động bốn kỳ tăng áp Tích phân chu trình biểu thức (1.5) tổng tích phân trình tạo nên chu trình Vì động bốn kỳ, ta có: Trang: TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY Pi =    ∫ (P − p o )dV + ∫ ( P − p o )dV + ( P − p ) dV + ( P − p ) dV  (1.6) o o ∫ ∫ Vh  hut nen chay − gianno xa  Đối với động hai kỳ: Pi =    ∫ (P − p o )dV + ( P − p ) dV  o ∫ Vh  nen chay − gianno  (1.7) Giá trò số hạng biểu thức (1.6) (1.7) thể qua diện tích đồ thò công P – V, đường áp suất (P) trình đường áp suất khí trời po, dấu số hạng lại phụ thuộc vào dấu hai thừa số (P – po) dV số hạng Nếu hai thừa số dấu tích phân có dấu (+), ngược lại khác dấu, tích phân có dấu (–); (P – p o) > P > p o ngược lại, dV > thể tích xylanh tăng ngược lại Mỗi tích phân biểu thức (1.6) (1.7) xác đònh số lượng công kỳ (hút, nén, cháy – giãn nở xả) Do: ∫ p dV = ∫ − p dV o hut o xa ∫ p dV = ∫ − p dV , nên (1.6) (1.7) viết o chay − gianno o nen thành: Pi = Vh   PdV + PdV  ∫ PdV + ∫ PdV + ∫ ∫   hut nen chay − gianno xa  (1.8) Pi = Vh   PdV  ∫ PdV + ∫   nen chay − gianno   (1.9) Đồ thò công P = f(V) P = f(ϕ) (trong ϕ góc quay trục khuỷu) thiết bò xác đònh đồ thò vẽ động hoạt động Tung độ đồ thò phản ánh giá trò áp suất xylanh, hoành độ đồ thò vò trí đỉnh piston vò trí bán kính quay trục khuỷu phản ánh thể tích xylanh góc quay trục khuỷu ϕ Thực tích phân đồ thò dựa theo đồ thò công dựa theo tích phân móc vuông biểu thức (1.6), (1.8) (1.7), (1.9) xác đònh đựơc diện tích f, thể công thò chu trình công tác: f = Σf(+) – Σf(–) (1.10) Trong đó: f(+) – diện tích công dương chu trình, chiều diễn biến thuận chiều kim đồng hồ f(–) – diện tích công âm chu trình, chiều diễn biến ngược chiều kim đồng hồ Nếu tỷ lệ xích tung độ (áp suất) là: m p tỷ lệ xích hoành độ (thể tích V) mv công thò Li chu trình là: Li = f.mp.mv, (MN.m) Trang: TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY Thể tích công tác Vh xác đònh l mm đồ thò với tỷ lệ xích m v (m /mm) Vh = l.mv (m3 Do đó: f l Vì vậy, theo (1.6), (1.8) (1.7), (1.9) được: Pi = m p (1.11) Nếu gọi h = f (mm) chiều cao trung bình đồ thò công, từ (9.11) có l thể đònh nghóa Pi sau: áp suất thò trung bình Pi chiều cao trung bình đồ thò công (P –V) nhân với tỷ lệ xích tung độ đồ thò Biểu thức (1.11) rõ phương pháp xác đònh Pi nhờ đồ thò công Diện tích đồ thò công động bốn kỳ gồm phần: - Phần diện tích kỳ nén kỳ cháy – giãn nở - Phần diện tích kỳ hút kỳ xả Phần thứ phần chính, tạo nên công dương môi chất Phần thứ hai phần phụ, gọi hành trình “bơm” piston chức phần chức bơm piston, làm nhiệm vụ thay đổi môi chất chu trình Công môi chất phần hai “âm” (động không tăng áp tăng áp thấp) “dương” (với động tăng áp cao) Nhìn chung, công hành trình bơm thường không lớn (trừ trường hợp tăng áp cao) khó xác đònh theo đồ thò công đường nạp đường xả đồ thò gần trùng Muốn xác đònh phần công “bơm” đồ thò, đồ thò công kể trên, người ta phải xác đònh đồ thò công hành trình “bơm” với tỷ lệ xích tung độ lớn hơn, làm cho công việc thực nghiệm trở nên phức tạp Vì xác đònh áp suất thò trung bình Pi người ta thường bỏ qua phần công này, coi phần tổn thất giới động Dựa nguyên tắc ấy, lược bỏ tích phân kỳ hút xả động kỳ (1.6) (1.8) Kết làm cho biểu thức xác đònh Pi động bốn kỳ động hai kỳ có chung dạng sau: Pi =    ∫ PdV + PdV ∫  Vh  nen chay −gianno  Pi (1.12) Tích phân thứ ngoặc có giá trò âm P dV khác dấu (P > dV < 0) tích phân thứ hai luôn dương P dV dấu (P > dV > 0) Hình 1.15 Áp suất thò trung bình Pi mô tả đồ thò Trang: TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY Nếu gọi Pct (P2) áp suất trung bình theo thể tích kỳ cháy – giãn nở Pn (P1) áp suất trung bình theo thể tích kỳ nén, ta có: PdV = Pct = P2 Vh chay−∫gianno Và (1.13) ∫ PdV = − Pn = − P1 Vh nen (1.14) Thay (9.13) (9.14) vào (9.12), ta được: Pi = Pct – Pn = P2 – P1 (1.15) Biểu thức (1.15) cho ta đònh nghóa thứ ba áp suất thò trung bình P i hiệu số áp suất trung bình theo thể tích kỳ cháy – giãn nở P kỳ nén P1 Các động giá trò Pi nằm giới hạn sau: - Động không tăng áp: Pi = 0,7 ÷ 1,2 MPa - Động tăng áp đạt Pi = MPa lớn 1.4.1.2 Công suất thò Ni Công môi chất xylanh tạo chu trình xác đònh qua đồ thò quan hệ áp suất thể tích (P – V), đồ thò P – V gọi đồ thò công công gọi công thò chu trình L i, xác đònh qua biểu thức sau: Li = Pi.Vh (1.16) Gọi i số xylanh động cơ, công suất thò N i động tính sau: N i = m.i.L i = Trong đó: chu trình) 2n i.L i τ (1.17) n – số vòng quay trục khuỷu giây (vòng/s) τ – số kỳ chu trình (số hành trình piston m – số chu trình giây xylanh Nếu xylanh động tích công tác V h khác (động chữ V có truyền phụ động tác dụng kép) có công suất thò Ni là: Ni = 2n (L i i1 + L i i + ) τ (1.18) Thay (9.16) vào (9.18), ta được: Trang: TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY Ni = Pi n (Vh i1 + Vh i + ) τ Nếu đặt: Vh = ∑ Vhk i k (1.20) Sẽ được: Ni = Pi VhΣ n τ (1.21) n ∑ k =1 (1.19) Trong trường hợp thể tích Vh xylanh thì: VhΣ = i.Vh (1.22) τ Do đó: (1.21) có dạng: N i = Pi Vh i.n Nếu biểu thức (1.21) (1.22): Pi tính MPa (MN/m²), Vh tính lít (l), n tính vòng/phút, công suất N i tính kW, biểu thức sau: Ni = Ni = Pi VhΣ n 30τ Pi Vh i.n 30τ 1.23) (1.24) Trong đó: n – số vòng quay trục khuỷu (vòng/phút) Vh , VhΣ – thể tích công tác xylanh động (lít) i – số xylanh động Pi – áp suất thò trung bình (MPa) τ – số kỳ động cơ, động kỳ τ = 4, động kỳ τ = 14.1.3 Hiệu suất thò ηi Tính kinh tế chu trình thực tế thể qua hai thông số: hiệu suất thò ηi suất tiêu hao nhiên liệu thò gi Hiệu suất thò tỷ số phần nhiệt lượng chuyển thành công thò với nhiệt lượng cấp cho động nhiên liệu đốt cháy xylem tạo thời gian ηi = Trong đó: Ni G nl Q tk (1.25) Gnl – lượng nhiên liệu tiêu hao giây (kg/s) Qtk – nhiệt trò thấp kg nhiên liệu (J/kg) 1.4.1.4 Suất tiêu hao nhiên liệu thò gi Là lượng nhiên liệu tiêu hao giây ứng với đơn vò công suất thò Trang: 10 TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY NO2 chất khí độc hại, hình thành nhiệt độ thường NO kết hợp với O2 có không khí 2NO + O2 2NO2 (5) NO2 hình thành từ NO với chất trung gian sản vật cháy theo phản ứng NO + HO2 NO2 + OH (6) Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành phân giải theo phản ứng (7) NO2 + O tO NO + O2 (7) Trong trường hợp NO2 sinh lửa bò làm mát môi chất có nhiệt độ thấp phản ứng phân giải (7) bò khống chế nghiã NO tiếp tục tồn sản vật cháy Vì vậy, động làm việc chế độ không tải hay tải thấp nồng độ NO2 khí thải gia tăng 6.3.1.3 Cơ chế hình thành protoxyde nitơ : (N2O) N2O hình thành chủ yếu từ chất trung gian NH NCO chúng tác dụng với NO: NH + NO N2 O + H NCO + NO N2O + CO (8) (9) N2O chủ yếu hình thành vùng oxy hoá nồng độ nguyên tử H cao, mà hydrogene chất tạo phân huỷ mạnh protoxide nitơ theo phản ứng: N2O + H NH + NO N2O + H N2 + OH (10) (11) ⇒ Vì N2O chiếm tỷ lệ thấp khí xả động đốt (khoảng 3-8 ppm/V ) 6.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thành oxyde nitơ: 6.3.2.1 nh hưởng hệ số dư lượng không khí : (λ) - Nhiệt độ cháy cực đại tương ứng λ=0.9 (hỗn hợp giàu) Tuy nhiên, lúc nồng độ O2 thấp nên lượng NO có khí thải không lớn - Nồng độ NO đạt cực đại λ ≈1.1, lúc nồng độ O2 tăng đồng thời nhiệt độ hỗn hợp giảm, hai yếu tố làm lượng NO đạt cực đại - Khi λ tăng lớn, lúc độ đậm đặc hỗn hợp giảm, nhiệt độ cháy thấp nên lượng NO giảm theo Trang: 152 TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY λ Biểu đồ 10: biến thiên nồng độ NO theo hệ số dư lượng không khí λ (trích chương “ôtô va ô nhiễm môi trường” Bùi Văn Ga) 6.3.2.2 nh hưởng hệ số khí sót : Khí sót làm bẩn hỗn hợp, làm giảm nhiệt độ cháy dẫn đến giảm nồng độ NOx Tuy nhiên, hệ số khí sót gia tăng lớn động làm việc không ổn đònh, làm giảm tính kinh tế động tăng nồng độ HC Biểu đồ 11:-Ảnh hưởng tỷ lệ khí xả hồi lưu đến nồng độ NO (trích chương “ôtô va ô nhiễm môi trường” Bùi Văn Ga) - Theo biểu đồ 11, nồng độ chất ô nhiễm giảm mạnh theo gia tăng tỷ lệ hồi lưu khí xả tỷ lệ đạt 15-20 % 6.3.2.3 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm : - Khi góc đánh lửa tăng, thời điểm cháy hỗn hợp sớm lên, áp suất cực đại gần điểm chết Nhiệt độ cực đại tăng thời gian tồn khí cháy tăng theo: hai yếu tố khiến NO tăng - Vì thế, tăng góc đánh lửa sớm làm tăng nồng độ NO khí xả áp suất cực đại, giảm góc đánh lửa sớm 10° giảm nồng độ NO từ 20-30% Trang: 153 TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY Biểu đồ 12:Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến nồng độNO (trích chương “ôtô va ô nhiễm môi trường” Bùi Văn Ga) 6.3.2.4 nh hưởng nhiệt độ buồng cháy : - Nhiệt độ buồng cháy tỷ lệ thuận với lượng hỗn hợp đốt cháy, mở lớn bướm ga, hỗn hợp vào động tăng, nhiệt độ buồng cháy tăng lượng NOX tăng λ1) hỗn hợp nghèo, nhiên liệu vào buồng đốt không hoà trộn phân bố tạo nên vùng cục buồng đốt làm cho cháy không hoàn toàn Từ sinh lượng CO cao khí thải + Trong điều kiện nhiệt độ cao phản ứng phân giải sản phẩm cháy xảy làm gia tăng lượng CO khí thải - Khi động làm việc tải nhỏ, điều kiện cháy hỗn hợp không tốt, tạo vùng cháy không hoàn toàn, dẫn đến nồng độ CO khí thải cao bất chấp có điều chỉnh hệ số dư lượng không khí quanh giá trò cháy hoàn toàn Do vậy, ô tô hoạt động thành phố phát sinh CO đáng quan tâm nhất, ôtô thường xuyên làm việc tải thấp Trang: 154 TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY λ Biểu đồ 13:- Ảnh hưởng hệ số dư lượng không khí đến nồng độ CO (trích chương 4, “ôtô ô nhiễm môi trường” Bùi Văn Ga) 6.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thành CO: 6.3.4.1 Ảnh hưởng áp suất nạp: - số vòng quay động cơ, góc đánh lửa sớm, hệ số khí sót Nếu giảm áp suất nạp làm tăng khả cháy không hoàn toàn, làm tăng nồng độ CO sản phẩm cháy - Sự tăng, giảm áp suất nạp xảy Tuy nhiên, từ thay đổi áp suất nạp dẫn đến thay đổi áp suất cực đại trìng cháy, áp suất khí giai đoạn giãn nở không thay đổi nhiều Do nồng độ CO đường thải phụ thuộc vào áp suất nạp 6.3.4.2 Ảnh hưởng thành phần hỗn hợp : - Nồng độ CO khí xả phụ thuộc nhiều vào mức độ đậm đặc (φ) hỗn hợp (φ=1/λ ) Biểu đồ 14 : quan hệ nồng độ CO φ (trích chương 4, “ôtô ô nhiễm môi trường” Bùi Văn Ga) - Biểu đồ 14 cho thấy nồng độ CO tăng nhiều theo độ đậm đặc ∅ với: φ = 0.75 → CO = 0.5% → φ =1.2 → CO = 2.1% 6.3.4.3 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm : Trang: 155 TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY Sự tăng, giảm góc đánh lửa sớm (ϕ) làm ảnh hưởng đến hình thành CO khí xả - Khi góc đánh lửa sớm ϕ giảm, trình cháy kéo dài đường giãn nở, áp suất giảm Điều làm cho điều kiện cháy xấu đi, làm tăng khả cháy không hoàn toàn, làm tăng nồng độ CO khí xả Biểu đồ 15 :Quan hệ nồng độ CO góc ĐLS ϕ (trích chương 4, “ôtô ô nhiễm môi trường” Bùi Văn Ga) 6.3.4.4 Ảnh hưởng thành phần nhiên liệu: Biểu đồ 16 :Quan hệ loại nhiên liệu phát sinh CO (trích chương 4, “ôtô ô nhiễm môi trường” Bùi Văn Ga) - Nồng độ CO tăng, giảm phụ thuộc vào có mặt lượng C chứa nhiên liệu - Biểu đồ 16 cho thấy nồng độ CO tăng C nhiên liệu tăng 6.3.4.5 nh hưởng hệ số khí sót : - Khi hệ số khí sót tăng, nhiệt độ cháy giảm, làm giảm tôc độ phân giải CO2 thành CO, làm giảm nồng độ CO khí thải (CO+ O2 = CO2 ) - Vì vậy, động đại lắp thêm hệ thống hồi lưu khí xả EGR nhằm khống chế nồng độ NOX, đồng thời làm giảm nồng độ CO (ở chế độ tải thấp) thải môi trường Trang: 156 TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY Biểu đồ 17: nh hưởng hệ số khí sót đến nồng độ CO buồng cháy (trích chương 4, “ôtô ô nhiễm môi trường” Bùi Văn Ga) 6.3.5 Cơ chế hình thành hydrocarbua : (HC) Trên động HC hình thành chủ yếu đốt cháy không hoàn tòan hỗn hợp buồng cháy cháy không hết 6.3.5.1 Cơ chế hình thành hydruacacbua chưa cháy : Do hình thành vùng dập tắt màng lửa, nên lửa không lan đến hay lan đến nhiệt độ giảm hỗn hợp vùng không cháy Do trùng điệp xupáp, có môt lượng nhiên liệu vừa nạp vào thải Với tỷ lệ hỗn hợp không thích hợp (giàu nghèo) làm cho phần hỗn hợp không cháy cháy không hoàn toàn bò thải ⇒ Những điều kiện làm cho lượng HC không cháy đựơc bò thải kỳ thải 6.3.5.2 Cơ chế hình thành HC trình cháy: Nồng độ HC tăng nhanh theo độ đậm đặc hỗn hợp Tuy nhiên, hỗn hợp có độ đậm đặc thấp làm tăng HC khí thải cháy không hoàn toàn động * Hình thành vùng dập tắt: Trang: 157 TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY - Vùng dập tắt vùng có màng lửa không lan đến (những không gian chết buồng đốt: khe hở piston, xecmăng với xi lanh, quanh nắp đế xupáp, nắp thân máy với đệm nắp máy) Trong không gian nạp Hình 2:-Các nguồn phát sinh HC chủ yếu lượng hỗn hợp kỳ nạp, thoát kỳ giãn nở thải Lượng hỗn hợp không cháy cháy không hoàn toàn trước thải môi trường qua đường thải - Các vùng xem nguồn chủ yếu phát sinh HC Do để giảm lượng HC thải môi trường phải làm giảm không gian chết buồng đốt động - Vì việc thiết kế hợp lý buồng cháy, piston, xecmăng, đệm, cuylass… làm giảm đáng kể lượng HC khí thải * Sự hình thành HC màng dầu bôi trơn: - Ngoài không gian chết ra, màng dầu bôi trơn bám vào thành xylanh làm phát sinh lượng HC đáng kể Ở thời kỳ nạp, màng dầu bôi trơn tráng lên bề mặt xylanh hấp thụ hydrocacbua bão hoà, cháy hết nhiên liệu giải phóng nhiên liệu từ màng dầu bôi trơn vào khí cháy bắt đầu Qúa trình tiếp tục kỳ giản nở thải, góp phần làm tăng lượng HC khí thải Ngoài ra, diện muội than buồng cháy làm gia tăng phát sinh HC khí thải 6.3.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thành HC: 6.3.6.1 Ảnh hưởng trình cháy: Sự dập tắt màng lửa có ảnh hưởng lớn đến hình thành HC trình cháy, có dập tắt màng lửa lan tràn, làm cho trình cháy diễn không hoàn toàn Do hình thành thải môi trường lượng HC lớn 6.3.6.2 Ảnh hưởng lớp muội than: Trang: 158 TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY Muội than đựơc sinh buồng cháy lượng dầu bôi trơn bò cháy hay lượng oxit chì có thiên nhiên bò cháy nh hưởng chúng đến hình thành HC khí thải tạp + Nếu khe hở (không gian chết) nhỏ: lớp muội than không cho hỗn hợp vào không gian nhiều, làm giảm lượng HC cháy không hết + Nếu không gian lớn: lớp muội than làm giảm tiết diện lối ra, dẫn đến tăng dập tắt màng lửa làm cho lượng HC sinh gia tăng 6.3.6.3 Ảnh hưởng trình thải : Vào thời kỳ cuối trình thải, hai xupáp mở làm cho lượng hỗn hợp chưa cháy vừa nạp vào liền thoát theo đường xả, đồng thời lượng dầu bôi trơn theo Trang: 159 TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY 6.3.6.4 nh hưởng áp suất nén : Khi tăng, giảm ga đột ngột, có tăng giảm tốc Đối với trường hợp giảm tốc, lượng hỗn hợp vào buồng cháy đậm, dẫn đến áp suất nén thấp Hỗn hợp cháy không kòp làm phát sinh lượng HC buồng đốt lớn 6.3.7 Cơ chế hình thành chì: Chì tồn xăng dạng tetraetylchì Pb(C2H5)4 với công dụng làm tăng số octan xăng - Thông thường lượng Pb có xăng: 0.15 - 0,4 g/lít có lên đến 0,7 -0,8 g/lít (TCVN: 0,15g/lít) - Lượng tetraetyl chì cháy buồng đốt sinh Pb theo khí thải dạng hạt nhỏ Pb(C2H5)4 + 13O2 Pb + CO2 + 10H2O - Lượng chì có xăng ảnh hưởng trực tiếp đến thiết bò khác cảm biến oxy bầu lọc xúc tác… - Để khắc phục điều này, người ta dùng chất phụ gia chống kích nổ khác gốc chì để thay 6.3.8 Sự hình thành axít: H2S03, H2S04: - Trong trình cháy, lượng S02, S03, H20 hình thành sau:  Đối với H20: Phản ứng xảy sau: (Ví dụ C8H8) 2C8H8 + 25O2 16CO2 + 18H2O Đối với SO2, SO3 Lượng S có nhiên liệu cháy sinh SO2, SO3 sau S + O2 SO2 2SO2 + O2 2SO3 - Như lượng H2SO3, H2SO4 hình thành sau: SO2 + H2O H2SO3 SO3 + H2O H2SO ⇒ Những axít hoạt động mạnh 6.4 Các giải pháp kỹ thuật làm giảm chất độc hại: Nhằm bảo vệ môi trường sống toàn cầu nói chung cải thiện môi trường sống người nói riêng Ngày nay, hầu hết quốc gia giới có luật bảo vệ môi trường, chế tài bắt buộc nhà sản xuất ôtô phải tìm cách cải tiến công nghệ sản xuất, cải tiến kỹ thuật tối ưu hóa trình cháy động đốt nhằm mục đích kéo giảm nồng độ khí thải độc hại từ loại động đốt nói chung loại ôtô nói riêng môi trường Những Trang: 160 TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY tiến việc nạp hỗn hợp vào buồng đốt nhờ áp dụng thành tựu kỹ thuật vi điều khiển, hay biện pháp cải tiến xử lý khí thải từ động tạo nên sở cho lạc quan viễn cảnh môi trường cải thiện tốt tương lai, mà số lượng ôtô giới tăng đột biến đời sống kinh tế – xã hội cải thiện đáng kể Ngoài ra, việc thay đổi loại nhiên liệu dùng động truyền thống sang sử loại nhiên liệu khí gas nghiên cứu sản xuất loại động sử dụng lượng mặt trời, động hybrid, động vừa sử dụng nhiên liệu lỏng vừa sử dụng nhiên liệu khí giải pháp mặt công nghệ góp phần đáng kể vào việc kéo giảm nồng độ khí thải độc hại từ ôtô môi trường Trong phạm vi chương này, xin cung cấp số công nghệ giải pháp quản lý chất lượng nhiên liệu đã, ứng dụng loại ôtô nhằm mục đích góp phần bảo vệ môi trường sống 6.4.1 Các giải pháp từ động cơ: Đây giải pháp nhằm nghiên cứu, xử lý trình cháy cho đạt điều kiện cháy gây ô nhiễm công suất động không giảm, cụ thể giải pháp: làm tăng lượng khí nạp cách: nghiên cứu cải tiến đường ống nạp cho bớt tạo trở lực cho dòng khí nạp, tăng áp dòng khí nạp, ứng dụng kỹ thuật vi điều khiển vào việc điều khiên xuppap, chế tạo đỉnh piston lõm nhằm tạo hòa trộn tốt khí nạp nhiên luệu, ứng dụng kỹ thuật vi điều khiển vào điều khiển đánh lửa, phun nhiên liệu, cải tiến cách thức nạp nhiên liệu nhằm tạo hỗn hợp đốt nghèo động cháy hoàn toàn 6.4.2 Các giải pháp động cơ: Đây giải pháp nghiên cứu nhằm xử lý khí thải độc hại thoát khỏi động cơ, hấp thụ nhiên liệu bay thoát ngoài, quản lý chất lượng nguồn nhiên liệu, tìm nguồn nhiên liệu thay gây ô nhiễm môi trường Ngoài ra, việc tuyên truyền cho người điều khiển phương tiện giao thông chấp hành luật lệ giao thông nhằm tránh kẹt xe, chạy xe với tốc độ cao biện pháp hữu hiệu nhằm kéo giảm lượng khí thải độc hại phát từ động 6.4.3 Giới thiệu số giải pháp kỹ thuật điển hình: Đối với ôtô, giảm chất thải có hại mà đáp ứng tiêu chuẩn khác như: độ bền, độ an toàn, độ tin cậy, tiêu hao nhiên liệu Các biện pháp làm khí thải giống nhau, thiết bò thay đổi tùy theo nước, quy đònh khí thải thay đổi theo vùng 6.4.3.1 Giải pháp cải thiện động cơ: Động cải tiến nhiều để đặc tính động công suất tiêu hao nhiên liệu không bò xấu qua thời gian sử dụng, hạn chế tới mức thấp sản sinh khí thải độc hại Các biện pháp áp dụng cho tất loại động cơ, nhiên, hầu hết biện pháp phù hợp với loại động áp dụng * Sử dụng vùng rối: Trang: 161 TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY Vùng rối buồng đốt tạo dòng rối mạnh mẽ, cuối kỳ nén đến đầu kỳ nổ Dòng rối làm tăng tốc độ cháy giúp hỗn hợp không – khí nhiên liệu cháy hoàn toàn, giảm lượng CO HC * Tạo xoáy lốc: Cửa nạp làm cong, tạo dòng xoáy thích hợp cho hỗn hợp không khí – nhiên liệu hút vào kỳ nạp, mép buồng đốt Dòng xoáy tiếp tục từ kỳ nén đến kỳ nổ tạo hiệu tương tự vùng rối Hình 3: tạo vùng xoáy lốc vùng rối cho hỗn hợp khí nạp vào động 6.4.3.2 Giải pháp dùng lọc khí xả: * Khái quát: lọc khí xả làm cho chất độc hại (CO, HC, NOx) phản ứng với chất vô hại (H2O, N2, CO2) luồng khí xả chạy qua Các chất: platin, pali, rôđi… sử dụng lọc để làm chất xúc tác * Các loại lọc khí xả: chất xúc tác ôxy hóa: ôxy hóa HC CO tạo thành H2O CO2 không độc hại * Chất xúc tác khử ôxy: tách oxy khỏi NOx để trở thành N2 vô hại * Chất xúc tác oxy hóa/khử ôxy: thực hai chức Bộ xúc tác ôxy hóa/khử oxy dùng ôtô đươc gọi lọc khí xả ba thành phần (TWC) Vì có ba chất độc hại: CO, HC, NO x chuyển hóa đồng thời thành chất không độc hại Ngày nay, xúc tác oxy hóa/khử oxy dùng hầu hết cho loại ôtô * Hoạt động chất xúc tác phụ thuộc nhiệt độ: chất xúc tác, mức độ làm phụ thuộc vào nhiệt độ Trang: 162 TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY Như biểu đồ đây, tỷ lệ làm gần đạt đến 100% khí xả làm có hiệu nhiệt độ xúc tác nâng cao 400 0C Xe trang bò lọc khí xả sử dụng xăng không chì, dùng xăng pha chì dính lên bề mặt lọc khí xả cảm biến ôxy, làm giảm tác dụng * Bộ lọc khí xả ba thành phần (TWC): TWC hệ thống ôxy hóa CO HC khí xả đồng thời khử ôxy NOx để biến chúng thành CO2, H2O N2 Nhôm chất xúc tác phủ lên ghi có nhiều lỗ Khí xả độc hại qua lỗ làm TWC hoạt động có hiệu với tỷ lệ hỗn hợp không khí – nhiên liệu gần lý thuyết Vì cần có hệ thống thông tin phản hồi tỷ lệ hỗn hợp không khí – nhiên liệu để giữ cho tỷ lệ gần với tỷ lệ lý thuyết Hệ thống thông tin phản hồi tỷ lệ hỗn hợp không khí – nhiên liệu theo dõi lượng ôxy khí xả cách sử dụng cảm biến ôxy gắn đường ống xả Khi đó, lượng nhiên liệu ECU động điều chỉnh để kiểm soát tỷ lệ hỗn hợp không khí – nhiên liệu, giúp cho TWC làm việc có hiệu 6.4.3.3 Giải pháp dùng hệ thống giảm chấn động cánh bướm ga: Trang: 163 TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY * Sự cần thiết: bướm ga đóng vào thời điểm động chạy với tốc độ cao tạo áp suất chân không mạnh đường ống nạp, phần nhiên liệu bò dính vào thành đường ống bò bay hơi, làm cho hỗn hợp không khí – nhiên liệu trở nên giàu Đồng thời lượng không khí nạp giảm, cháy không hoàn toàn tượng bỏ máy xuất lượng lớn khí chưa cháy thải qua khí xả Để ngăn ngừa tượng cháy không hoàn toàn bỏ máy, cần sử dụng giảm chấn để tránh đóng bướm ga đột ngột * Hoạt động: động giảm tốc độ, nối bướm ga tiếp xúc với giảm chấn Vì thế, bướm ga đóng từ từ, theo mức độ không khí lọt qua giảm chấn Khi bướm ga mở, giảm chấn lại trở lại vò trí ban đầu 6.4.3.4 Giải pháp dùng hệ thống cắt nhiên liệu giảm tốc độ: * Sự cần thiết: Hệ thống có tác dụng ngừng cung cấp nhiên liệu giảm tốc, từ làm giảm lượng CO HC Nó ngăn chặn trường hợp cháy ống xả, giảm lượng tiêu hao nhiên liệu thời gian giảm tốc * Hoạt động: ECU động ngừng phun nhiên liệu tùy theo tốc độ động góc mở bướm ga 6.4.3.5 Giải pháp dùng hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR): * Sự cần thiết: Hệ thống EGR đưa phần khí xả vào tái tuần hoàn hệ thống nạp khí Khi khí xả trộn lẫn với hỗn hợp không khí – nhiên liệu lan truyền lửa buồng đốt bò chậm lại, phần lớn khí xả trơ (không cháy được) Nhiệt độ cháy giảm xuống để giảm lượng NO x sinh ra, khí trơ hấp thụ nhiệt tỏa * Hoạt động: - Khi áp suất chân không tác dụng lên van EGR, van mở khí xả tái tuần hoàn Trang: 164 TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY - p suất chân không tác động lên van EGR lại điều khiển theo nhiệt độ chất làm mát động góc mở bướm ga - Khi động nguội: Khi động nguội, van BVSV mở phía khí nên khí xả không tái tuần hoàn được, áp suất chân không tác động lên van EGR - Khi động chạy không tải: áp suất chân không không tác động lên cửa EGR, khí xả không tuần hoàn - Bướm ga nằm cửa EGR EGR “R”: áp suất chân không cửa EGR tác động đến van EGR, làm cho van mở p suất chân không điều khiển điều biến cho tái tuần hoàn khí xả với tỷ lệ đònh - Khi bướm ga mở cửa EGR “R”: áp suất chân không cửa EGR tác động lên van EGR, làm cho van mở Vì áp suất chân không cửa “R” tác động đến điều biến, nên áp suất chân không tác động đến van EGR trở nên lớn nên khoảng mở van EGR lớn - Bướm ga mở hoàn toàn: khí xả không tái tuần hoàn áp suất chân không tác động lên van EGR nhỏ mức cần thiết để mở van Ngoài ra, ôtô ngày sử dụng hệ thống “thông gió cưỡng cho Trang: 165 TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY trục khuỷu”: áp suất chân không đường ống nạp hút lượng lớn khí chưa cháy lọt qua khe hở xec – măng thành xilanh quay đường ống nạp đốt cháy nó, hệ thống “kiểm soát nhiên liệu”: tạm thời hấp thụ nhiên liệu vào lọc than hoạt tính dẫn vào động để đốt cháy nó, nhờ mà ngăn không cho nhiên liệu từ bình chứa lọt khí Trang: 166