LINK TẢI LUẬN VĂN MIỄN PHÍ CHO AE KET-NOI
TÓM TẮT
Tên đề tài nghiên cứu: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích nổ trên động cơ.
Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Tìm hiểu tổng quan về hiên tượng kích nổ xảy ra trên động cơ đốt trong.
- Nghiên cứu và thu thập các tài liệu liên quan đến hiện tượng kích nổ, tìm hiểu về cảm biến knock sensor và nguyên lý điều khiển chống kích nổ ở ECU động cơ.
- Biên soạn tập thuyết minh đề tài.
Các hướng tiếp cận:
- Tiến hành Nghiên cứu và thu thập tài liệu liên quan đến hiện tượng kích nổ, cảm biến kích nổ bằng nhiều nguồn thông tin khác nhau như giáo trình, các tài liệu của hãng và thông qua mạng internet.
- Phân tích hiện tượng, nguyên nhân xảy ra và hướng khác phục hiện tượng kích nổ, hiểu sâu về cơ chế hoạt động của cảm biến kích nổ và điều khiển chống kích nổ ở ECU động cơ
- Viết tập thuyết minh đề tài. Cách giải quyết vấn đề:
- Tham khảo, nghiên cứu và thu thập những tài liệu liên quan đến kích nổ trên động cơ đốt trong
- Thực hiên các vấn đề đặt ra và tiếp thu ý kiến từ thầy hướng dẫn. Khi không thể giải giải quyết được vấn đề thì tham khảo ý kiến từ giáo viên và sự hướng dẫn của một số giảng viên khác
- Thực hiện viết thuyết minh cho đề tài theo hướng dẫn của giáo viên
Kết quả của đề tài
- Sản phẩm: Bản thuyết minh về đề tài Nghiên cứu kích nổ trên động cơ đốt trong
ii
- Kiến thức: Hiểu rõ về hiện tượng, nắm bắt được các phương pháp hạn chế được ảnh hưởng cảu kích nổ đến động cơ.
- Kỹ năng: Cải thiện các kỹ năng mềm như kỹ năng làm việc nhóm, quản lý thời gian, nâng cao kỹ nănng thuyết trình và biết sự dụng các phần mềm công nghệ để hỗ trợ cho quá trình học tập
iii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................i TÓM TẮT ............................................................................................................................ii MỤC LỤC ..........................................................................................................................iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU...................................................... xiii DANH MỤC CÁC HÌNH..................................................................................................xv Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI......................................................................................1 1.1. Lí do chọn đề tài ...........................................................................................................1 1.2. Đặt vấn đề .....................................................................................................................3 1.3. Mục tiêu nghiên cứu .....................................................................................................4 1.4. Phương pháp nghiên cứu ..............................................................................................4 Chương 2. TỔNG QUAN NHIÊN LIỆU ............................................................................6 2.1. Quy trình chưng cất nhiên liệu......................................................................................6 2.2. Nhiên liệu xăng ..........................................................................................................10
2.2.1. Phương pháp chế tạo và phân loại xăng .............................................................. 11
2.2.2. Đặc tính của xăng ................................................................................................ 11 2.3. Nhiên liệu Diesel ........................................................................................................14
2.3.1. Thành phần và phân loại nhiên liệu Diesel ......................................................... 15
2.3.2. Đặc tính của Diesel.............................................................................................. 16 Chương 3. KÍCH NỔ Ở ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG..........................................................21 3.1. Lịch sử nghiên cứu......................................................................................................21 3.2. Kích nổ ở động cơ xăng..............................................................................................23
iv
3.2.1. Lịch sử phát triển động cơ xăng .......................................................................... 23 3.2.2. Kích nổ thông thường - Conventional knock ...................................................... 26 3.2.2.1. Quá trình cháy khi có kích nổ ...................................................................... 26 3.2.2.2. Chỉ số chống kích nổ.................................................................................... 31 3.2.2.3. Dao động áp suất và sự truyền nhiệt ............................................................ 35 3.2.2.4. Hư hỏng do hiện tượng gây ra ..................................................................... 41 3.2.3. Siêu kích nổ ở động cơ tăng áp (boosted SI engine) ........................................... 44 3.2.3.1. Mối liên hệ giữa cháy sớm và siêu kích ...................................................... 49 3.2.3.2. Nguyên nhân dẫn đến cháy sớm .................................................................. 52 3.2.3.3. Ảnh hưởng của thành phần dầu và đặc tính của nhiên liệu ......................... 55
3.3. Kích nổ ở động Diesel ................................................................................................61 3.3.1. Lịch sử nghiên cứu và khái niệm cháy kích nổ .................................................. 61 3.3.2. Nguyên nhân........................................................................................................ 65
3.4. Một số hiện tượng cháy bất thường khác ...................................................................68 3.4.1. Hiện tượng tự đốt cháy: ....................................................................................... 69 3.4.2. Hiện tượng cháy sau ............................................................................................ 69 3.4.3. Hiện tượng nổ ngược........................................................................................... 70 3.4.4. Hiện tượng nổ trên ống xả ................................................................................... 71
Chương 4. PHƯƠNG PHÁP NGĂN CHẶN KÍCH NỔ...................................................72 4.1. Chống kích nổ chủ động .............................................................................................72
4.1.1. Kích nổ thông thường.......................................................................................... 72 4.1.2. Siêu kích nổ ......................................................................................................... 76
v
4.2. Chống kích nổ bị động................................................................................................81 4.2.1. Phương pháp ........................................................................................................ 81 4.2.2. Cảm biến kích nổ................................................................................................. 82
Chương 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ...........................................................................100 5.1. Kết luận.....................................................................................................................100 5.2. Kết quả đạt được .......................................................................................................101 Danh mục tài liệu tham khảo ...........................................................................................102
vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Chữ viết tắt
ECU
EPA
EU
EC EGR LPG SUV TDC BDC LSPI HRR
HUCR
PRF RON MON CFR AKI BSFC SPI GDI EFI SSM
HSM
VVT ATDC
Chữ đầy đủ
Electronic Control Unit
United States Environmental Protection Agency
European Union
European Community
Exhaust Gas Recirculation
Liquified Petroleum Gas
Sport Utility Vehicle
top dead center
bottom dead cente
Low Speed Pre-Ignition
Heat
Highest Useful Compression Ratio
Primary Reference Fuel
Research Octane Number
Motor Octane Number Cooperative fuel research
Anti Knock Index
Brake-Specific Fuel Consumption Stochastic pre-ignition
Gasoline Direct Injection
Stratified Stoichiometric Mixture
Homogeneous Stoichiometric Mixture
Variable valve timing After top dead center
Nghĩa
Cục Bảo vệ Môi sinh Hoa Kỳ
Liên minh châu Âu
Cộng đồng châu Âu
Tuần hoàn khí xả
Khí đốt hóa lỏng
Dòng xe thể thao
Điểm chết trên
Điểm chết dưới
Cháy sớm ở tốc độ thấp
Tỉ số nén hữu ích cao nhất Nhiên liệu tiêu chuẩn
Phương pháp đo chỉ số octane Phương pháp đo chỉ số octane Nghiên cứu nhiên liệu phối hợp Chỉ số chống kích nổ
Mức tiêu hao nhiêu liệu Cháy sớm ngẫu nhiên Phun xăng trực tiếp
Phun phân tầng Phun hỗn hợp
Hệ thống điều khiển van biến thiên Sau điểm chết trên
Hộp điều khiển
Rate Release
Tải nhiệt
Electronic Fuel Injection
Phun nhiên liệu điện tử
xiii
PCM Power Control Module Hộp điều khiển hệ thống truyền động VOM Volt- Ohm- Miliammeter Đồng hồ đa năng
xiv
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Hàm lượng các chất độc hại cho phép theo từng chuẩn euro .............................2 Hình 2.1 Tháp chưng cất nhiên liệu dầu thô .......................................................................7 Hình 2.2 Bình chứa khí nén LPG.........................................................................................8 Hình 2.3: Dầu bôi trơn .........................................................................................................9 Hình 2.4: Mỡ bôi trơn ..........................................................................................................9 Hình 2.5: Nhựa đường .......................................................................................................10 Hình 2.6: Đường cong chưng cất Engler của phân đoạn xăng có Cr-acking xúc tác ..........13 Hình 2.7: Dầu Diesel là sản phẩm của quá trình chưng cất...............................................15 Hình 2.8: Đo độ nhớt động học .........................................................................................18 Hình 3.1: Chu trình otto ....................................................................................................21 Hình 3.2: Số lượng bài nghiên cứu về knock của một số tác giả .....................................22 Hình 3.3: So sánh hai loại động cơ....................................................................................23 Hình 3.4: Động cơ 4 kỳ của Nikolaus Otto ......................................................................24 Hình 3.5: Chu trình Atkinson ...........................................................................................24 Hình 3.6: Quá trình hoạt động của động cơ 4 kỳ ..............................................................25 Hình 3.7: Quá trình cháy trong động cơ xăng ...................................................................26 Hình 3.8: Quá trình cháy có kích nổ .................................................................................27 Hình 3.9: Tỷ số nén ở động cơ...........................................................................................29 Hình 3.10 Sự thay tỷ số nén ảnh hưởng đến áp suất cực đại.............................................29 Hình 3.11: n-heptan ...........................................................................................................32 Hình 3.12: 2, 4, 4-trimetylpentan.......................................................................................32
xv
Hình 3.13: So sánh điều kiện đo ở hai phương pháp ........................................................33
Hình 3.14: Các trị số thể hiện tính chống kích nổ của nhiên liệu......................................34
Hình 3.15: Thiết lập thí nghiệm quan sát dao động áp suất .............................................36
Hình 3.16: Tần số và biên độ của ba màu RGB ...............................................................37
Hình 3.17: Các chế độ dao động đầu tiên..........................................................................38
Hình 3.18 Biên độ và tần số dao động áp suất...................................................................39
Hình 3.19: Vận tốc khí trung bình trong xi lanh gần bề mặt piston có và không có sóng âm ............................................................................................................................................ 41
Hình 3.20: Hệ số truyền nhiệt trung bình gần bề mặt piston có và không có sóng âm ....41 Hình 3.21: Áp suất đỉnh và dao động áp suất của kích nổ ................................................42 Hình 3.22 Thanh truyền piston bị bẻ cong ........................................................................43 Hình 3.23 Biến dạng bề mặt piston ...................................................................................43 Hình 3.24 Bugi bị cháy .....................................................................................................43 Hình 3.25 Năng lượng của nhiên liệu bị chia tách sau khi cháy ......................................45 Hình 3.26 Biểu đồ tiêu thụ nhiên liệu ở động cơ 2GR-FSE..............................................45 Hình 3.27: Xu hướng giảm kích thước động cơ ...............................................................46 Hình 3.28: Các động cơ gần đây được thu nhỏ kích thước dần ........................................47 Hình 3.29 So sánh áp suất giữa các dạng cháy kích .........................................................48 Hình 3.30: chu kỳ xuất hiện ngẫu nhiên của siêu kích .....................................................48 Hình 3.31: Phân loại các dạng cháy mà cháy sớm có thể gây ra trong động cơ hiện đại..50 Hình 3.32: Phân tích quá trình xảy ra siêu kích ................................................................51 Hình 3.33: Quá trình làm ướt lớp lót cylinder đối diện ....................................................52 Hình 3.34: Quá trình giọt dầu lọt qua khe xecmang tạo thành điểm tự cháy ...................53
xvi
Hình 3.35 Quá trình hình thành “hot pot” từ giọt dầu ......................................................53
Hình 3.36: Quá trình hình điểm cháy sớm từ muội than ..................................................54
Hình 3.37: Phân tích mật độ và kích thước của muội than ảnh hưởng đến cháy sớm .....55
Hình 3.38: Ảnh hưởng của các gốc dầu đến tần số kích nổ .............................................56
Hình 3.39: Chỉ số đánh lửa ảnh hưởng đến xu hướng kích nổ .........................................57
Hình 3.40: Ảnh hưởng của hàm lượng chất thơm ............................................................58
Hình 3.41: Thành phần các chất phụ gia ...........................................................................58
Hình 3.42: Ảnh hưởng của tỷ lệ A/F và mức EGR ..........................................................59
Hình 3.43: Ảnh hưởng của độ bay hơi ..............................................................................61
Hình 3.44: Chu trình Brayton lý tưởng .............................................................................62
Hình 3.45: Thiết kế động cơ Diesel của Rudolf Diesel.....................................................62
Hình 3.46: Chu trình cháy ở động cơ Diesel .....................................................................63
Hình 3.47: Quá trình cháy ở động cơ Diesel ....................................................................65
Hình 3.48: Trị số xetan của một số hydrocacbon .............................................................66
Hình 3.49: Cấu tạo kim phun Diesel .................................................................................67
Hình 3.50: Vị trí bugi sấy .................................................................................................68
Hình 3.51: Bugi sấy ..........................................................................................................68
Hình 3.52: Đường ống xả ..................................................................................................71
Hình 4.1: Quá trình hình thành tiếng gõ ...........................................................................72
Hình 4.2: Hệ thống tuần hoàn khí xả.................................................................................73
Hình 4.3: Hai cơ chế nạp của hệ thống phun xăng trực tiếp .............................................74
Hình 4.4 So sánh hiệu quả của phun đồng nhất (HSM) và phun phân tần(SSM) đối với kích
nổ .......................................................................................................................................75 xvii
Hình 4.5: Phun kết hợp với đánh lửa trực tiếp...................................................................76 Hình 4.6: So sánh hiệu quả của EGR ................................................................................77 Hình 4.7: Hệ thống VVT trên Toyota................................................................................78 Hình 4.8: Phân tích ảnh hưởng của chiến lược phun ........................................................79 Hình 4.9: Chu trình Atkinson ...........................................................................................80 Hình 4.10: So sánh đồ thị P-V và T-S của 2 chu trình Otto và Atkinson..........................81 Hình 4.11: Nguyên lý điều khiển.......................................................................................82 Hình 4.12: Hệ thống điều khiển tự động ...........................................................................83 Hình 4.13: Phân loại cảm biến kích nổ .............................................................................84 Hình 4.14 Cảm biến từ giảo ..............................................................................................84 Hình 4.15 Hiệu ứng áp điện ..............................................................................................85 Hình 4.16: Hiệu ứng áp đảo ..............................................................................................86 Hình 4.17: Phân loại vật liệu áp điện.................................................................................86 Hình 4.18: Công thức tính điện áp ....................................................................................87 Hình 4.19: Công thức tính lực tác dụng ............................................................................87 Hình 4.20: Cấu tạo của cảm biến cộng hưởng ..................................................................88 Hình 4.21: Cảm biến cộng hưởng......................................................................................89 Hình 4.22: Cảm biến loại không cộng hưởng....................................................................89 Hình 4.23: So sánh dải tần số dao động của hai loại cảm biến .........................................90 Hình 4.24: Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu của cảm biến kích nổ .........................................90 Hình 4.25: Tần số cộng hưởng của cảm biến ...................................................................91 Hình 4.26: Tín hiệu được gửi từ cảm biến ........................................................................91
xviii
Hình 4.27: Vị trí cảm biến .................................................................................................92 Hình 4.28: Đèn check engine sáng ....................................................................................93 Hình 4.29: Mã lỗi trên máy chẩn đoán ..............................................................................94 Hình 4.30: Điều khiển giảm chậm.....................................................................................95 Hình 4.31: Điều khiển giảm nhanh ...................................................................................95 Hình 4.32: Hệ thống nhiên liệu..........................................................................................97 Hình 4.33: Ống Common Rail ..........................................................................................97 Hình 4.34 Hệ thống điều khiên phun nhiên liệu ...............................................................98
xix
1.1. Lí do chọn đề tài
Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Hiện tượng nóng lên toàn cầu đang tăng nhanh hơn bất kỳ thời điểm nào trong suốt 2.000 năm qua, cùng với đó là những hệ lụy khôn lường từ thực trạng ô nhiễm môi trường trầm trọng. Theo EPA, tổ chức bảo vệ môi trường của Hoa Kỳ, phương tiện giao thông cơ giới là một trong những nguyên nhân dẫn tới tình trạng này. Chỉ tính riêng tại Mỹ, mỗi năm có tới 75% lượng khí CO, Pb, NOx... thải ra từ các phương tiện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, tác động xấu tới sức khỏe con người, thậm chí gây nhiều ca tử vong sớm mỗi năm. Ở Châu Âu, the European Green Deal kêu gọi giảm 90% lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính từ phương tiện giao thông vào năm 2050. Bên cạnh đó, EU đặt mục tiêu “fleet-wide” là 95g CO2/km trong năm 2020-2024 [1] và mục tiêu sẽ càng chặt chẽ hơn cho những năm sau. Để cắt giảm lượng khí thải này, từ năm 1990 các dòng xe mới được sản xuất trước khi bán ra thị trường phải đáp ứng các giới hạn về ô nhiễm khí thải, đây được gọi là tiểu chuẩn khí thải. Tiêu chuẩn khí thải là một loạt các quy định về nồng độ khí thải sinh ra từ quá trình hoạt động của xe như: nitrogen Oxide (NOx), carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC) và các hạt vật chất (PM). Trên thế giới có 3 tiêu chuẩn chính đó là Mỹ, Nhật, Liên minh châu Âu (Việt Nam sử dụng tiêu chuẩn châu Âu). Ngoài ra, các nước công nghiệp phát triển đều có 1 tiêu chuẩn đánh giá riêng.
1
Hình 1.1: Hàm lượng các chất độc hại cho phép theo từng chuẩn euro [2]
Mục đích của tiêu chuẩn khí thải nhằm bảo vệ môi trường và tạo động lực, ép các nhà sản xuất và chế tạo xe phải tạo ra những chiếc xe phát thải ít để đáp ứng được các tiêu chuẩn khí thải cao hơn. Điều đó đồng nghĩa việc hiệu suất nhiệt cần được cải thiện một cách đáng kể. Mặc dù mới đây uỷ ban Châu Âu (EC) đã thông qua việc áp dụng tiêu chuẩn khí thải Euro 7, nhằm thắt chặt giới hạn phát thải đối với các chất ô nhiễm chưa được kiểm soát trước đây như khí nitơ dioxide (NO2) từ các phương tiện vận tải hạng nặng, cũng như các chất dạng hạt mịn khác bao gồm cả khí thải không thải gây ô nhiễm phát sinh trong quá trình hao mòn má phanh và lốp xe vào ngày 10/11/2022 [3] và sự phát triển mạnh mẽ của các dòng xe điện. Những nhà nghiên cứu đã cho rằng đây là dấu hiệu “chấm hết” cho động cơ sử dụng nhiên liệu hoá thạch. Tuy nhiên theo như đoán của International Energy Agency, 70% các xe hạng nhẹ và du lịch vẫn là các kiểu xe sử dụng động cơ xăng hay Diesel trong năm 2020- 2024. Đến năm 2050, 58% xe du lịch vẫn sử dụng động cơ đốt trong, trong đó 85% là xe hybrid. Có thể thấy rằng động cơ đốt trong vẫn còn được sử dụng khá lâu trong tương lai gần. Bằng chứng là ở các nước ta hiện này vẫn chỉ áp dụng tiêu chuẩn Euro 4 và vừa được nâng lên mức 5 vào đầu năm 2022.
Do đó việc nghiên cứu cải thiện hiệu suất động cơ đốt trong vẫn đang và được chú
trọng ở các nhà sản xuất nhằm đưa ra những cải tiến, công nghệ mới có thể đáp ứng được tiêu 2
chuẩn khí thải và thu hút được khách hàng. Các hãng ô tô nhận ra điều này và chưa có kế hoạch loại bỏ việc dây chuyền sản xuất động cơ đốt trong. Tuy nhiên, một số người muốn cắt bỏ khoản đầu tư R&D của họ vào ICE và tập trung mọi nguồn lực của họ vào sự phát triển của EV [4].Đây sẽ là một cơ hội bị bỏ lỡ để nâng cao hiệu quả và giảm tác động đến môi trường của những phương tiện ICE vẫn được sản xuất, bán và vận hành trong nhiều năm tới. Thực tế nghiên cứu cải thiện hiệu suất và giảm lượng khí thải là đề tài xuyên suốt ở động cơ đốt trong. Trong thập kỷ qua nhiều chiến lược tiên tiến được đề xuất, các hoạt động nghiên cứu diễn ra liên tục. Tại Nhật Bản, ngành công nghiệp và học viện đã bắt đầu một dự án lấy tên là Research Association of Automotive Internal Combustion Engines (AICE), mục tiêu cải thiện hiệu suất của động cơ xăng lên mức chưa từng có là 50% vào năm 2020. Tuy nhiên, một trong những vấn đề quan trọng nhất để cải thiện hiệu suất nhiệt đó là xu hướng tự kích nổ của nhiên liệu, nó khiến động cơ không đạt được giai đoạn đốt cháy tối ưu và tỷ số nên cao hơn. Để đáp ứng các quy định nghiêm ngặt trong tương lai, ta cần hiểu rõ hiện tượng kích nổ và những ảnh hưởng của nó đến động cơ. Đây là một vấn đề ở động cơ đốt trong được nghiên cứu chuyên sâu trong nhiều thập kỷ qua. Do đó, chúng em chọn đề tài này, nhằm đem đến cho mọi người cái nhìn đầy đủ và chính xác nhất về ảnh hưởng của kích nổ cũng như là các nghiên cứu của hiện tượng đến động cơ đốt trong nói chung, động cơ xăng nói riêng.
1.2. Đặt vấn đề
Nghiên cứu về quá trình cháy kích nổ cực kỳ quan trọng vì nó quyết định đến độ bền động cơ, mức tiêu thụ nhiên liệu, công suất cũng như tiếng ồn và khí thải. Các động cơ đốt trong nói chung hay động cơ đánh lửa cưỡng bức (SI) nói riêng hiện tại bị ảnh hưởng bởi kích nổ thông thường và siêu kích nổ. Kích nổ thông thường là tác nhân giới hạn nâng cao tỷ số nén để cải thiện hiệu suất. Trong khi siêu kích là một trường hợp đặc biệt của cháy sớm xảy ra ở điều kiện tải trọng cao khi chạy tốc độ thấp, là một hiện tượng mới giới hạn công suất và tiết kiệm nhiên liệu ở động cơ phun trực tiếp hiện đại. Các nghiên cứu đã được tiến hành trong ít nhất 100 năm kể từ khi động cơ đốt trong xuất hiện tuy nhiên nó vẫn hiện đang là một trở ngại cho đến ngày nay. Để kiểm soát được hiện tượng họ tập trung nghiên cứu các yếu tố gây
ra kích nổ, những thông số ảnh hưởng tới các yếu tố đó. Sau đó, họ sẽ đưa ra nhiều phương 3
pháp để hạn chế sự xuất hiện kích nổ. Thời điểm hiện tại các vấn đề cơ bản về kích nổ đã được làm sáng tỏ tuy nhiên mối tương quan giữa chỉ số kích nổ hay hóa học của nhiên liệu, dao động áp suất và truyền nhiệt vẫn còn là các vấn đề còn được bỏ ngỏ. Nghiên cứu và cải thiện các phương pháp kiểm soát kích nổ như tuần hoàn khí xả EGR, phun phân tầng hay chiến lược phun cũng được đưa ra. Ngoài ra hiện tượng siêu kích cũng là một thách thức đối với các nhà nghiên cứu phát triển động cơ trong các năm tiếp theo. Bài nghiên cứu này sẽ đưa ra cái nhìn tổng quát và sâu sắc về các quá trình kích nổ xảy ra trong động cơ đốt trong và các biến pháp chống kích nổ ở động cơ đốt trong.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của bài nghiên cứu này là tìm ra được những ảnh hưởng của sự kích nổ đến động cơ cũng như mang lại cái nhìn tổng quát về những nghiên cứu phát triển để tối ưu hiệu suất.
- Tìm hiểu về hiện tượng: Nguyên nhân xuất hiện, các chỉ số ảnh hưởng, hậu quả gây ra bởi hiện tượng.
- Các biện pháp để chống kích nổ: Chủ động (điều khiển các thông số, kỹ thuật phun, kết cấu buồng đốt, chỉ số nhiên liệu,..), bị động (sử dụng cảm biến kích nổ gửi về ECU để điều chỉnh góc đánh lửa).
- Đảm bảo hiểu rõ về các kiến thức đã được học, nâng cao các kỹ năng mềm, biết chọc lọc sắp xếp các thông tin.
- Là một tài liệu cung cấp tổng quan hơn về hiện tượng kích nổ
1.4. Phương pháp nghiên cứu
- Tìm kiếm, tham khảo những lý thuyết về hiện tượng kích nổ (lịch sử nghiên cứu, nguyên nhân, ảnh hưởng...).
- Tìm kiếm các bài báo nghiên cứu về hướng phát triển để giảm thiểu kích nổ.
- Tổng hợp và phân tích các nội dung cần chú ý.
4
- Tìm hiểu về cảm biến kích nổ.
- Tham khảo thêm ý kiến của giáo viên hướng dẫn.
5
Chương 2. TỔNG QUAN NHIÊN LIỆU
Kích nổ ở động cơ, hiệu suất động cơ có liên quan mật thiết đến thành phần nhiên liệu sử dụng ở động cơ. Điển hình hai nhiên liệu phổ biến chủ yếu được sử dụng rộng rãi đối với ô tô là xăng và dầu Diesel. Ở chương này, ta sẽ phân tích về thành phần, tính chất của hai loại nhiên liệu trên làm tiền đề cho việc đưa ra các biện pháp chống kích nổ hay cao hơn là cải thiện hiệu suất động cơ.
2.1. Quy trình chưng cất nhiên liệu
Dầu lúc mới được khai thác là hỗn hợp của nhiều chất và các tạp chất khác có họ khoa học là những Hydrocacbon. Hỗn hợp này có màu đen giống như dầu mazut có thể ở dạng lỏng hay sệt sệt có khi đặc cứng. Trước khi bắt đầu chế biến cho ra các sản phẩm thì chúng cần được loại bỏ các tạp chất lẫn trong dầu như nước, các loại muối. Quy trình chế biến dầu thô có tên là quy trình chưng cất nhiên liệu dựa trên nhiệt độ sôi khác nhau giữa các chất có trong hỗn hợp để tách chúng ra thành những sản phẩm khác nhau. Thông thường quá trình được chia thành các phân đoạn sau [5]:
Phân đoạn xăng, với nhiệt độ sôi dưới 180 oC, bao gồm các thành phần từ C5- C10, C11.
Phân đoạn kerosen: Nhiệt độ sôi từ 180 oC đến 250 oC, chứa các hydrocacbon từ C11-C15,C16.
Phân đoạn gasoil nhẹ (Diesel): Nhiệt độ sôi từ 250 oC đến 350 oC, chứa các thành phần từ C16-C20,C21.
Phân đoạn gasoil nặng (phân đoạn dầu nhờn): Nhiệt độ sôi từ 350 oC đến 500 oC bao gồm C21-C25 thậm chí đến C40.
Phân đoạn cặn gurdron: Với nhiệt độ sôi trên 500 oC gồm các thành phần có số nguyên tử cacbon từ C41 trở lên giới hạn có thể lên tới C80.
6
Hình 2.1 Tháp chưng cất nhiên liệu dầu thô [6]
Phân đoạn chưng cất có sự khác nhau về nhiệt độ ở áp suất khí quyển tương ứng với xăng nhiệt độ sôi khoảng 35-180 oC, dầu hỏa từ 180-250 oC, dầu Diesel từ 250-350 oC. Các cặn còn sót lại trong chưng cất ở áp suất khí quyển sẽ được tiếp tục chưng cất ở áp suất chân không để lấy các phân đoạn có nhiệt độ sôi ở 400-550 oC. Được tiếp tục chế biến qua công nghệ Cr-acking xúc tác cho ra các sản phẩm nhẹ như xăng, dầu hỏa, Diesel hay các sản phẩm dầu nhờn.
Trong quá trình chưng cất sẽ có các khí lẫn trong dầu được tách ra ở nhiệt độ từ -161 đến -89 oC đó là các khí metan và etan dùng làm nhiên liệu cho nhà máy lọc dầu, ở nhiệt độ từ -42 đến 36 oC được các khí như butan và propan chúng được nén lại trong các bình chứa và chính là khí gas có tên gọi là khí dầu hóa lỏng LPG.
7
Hình 2.2 Bình chứa khí nén LPG
Để sản xuất dầu nhờn, paraffin, nhựa đường từ các cặn chưng cất khí quyển ở 350 oC còn sót lại. Để cặn này tiếp tục bay hơi không thể đun nóng thêm ở áp suất khí quyển sẽ làm phân hủy dầu, vì thế cần hạ áp suất để tiếp tục chưng cất. Khi áp suất hạ nhiệt độ sôi của các chất cũng sẽ giảm, nhờ đó có thể chưng cất ở các phân đoạn nặng hơn từ 400 oC đến trên 550 oC. Các sản phẩm được chưng cất ra từ phân đoạn này sẽ được tiếp tục trãi qua công nghệ tách paraffin, tách nhựa đường để sản xuất các dầu nhờn gốc. Các dầu nhờn gốc này được trộn với các loại phụ gia khác nhau để cho ra các chủng loại dầu nhờn khác
Độ từ thẩm của một vật liệu được ký hiệu là đặc trưng cho khả năng phản ứng của vật liệu dưới tác động của từ trường. Độ từ thẩm chỉ có giá trị đáng kể ở các vật liệu có trật tự
từ như lõi sắt từ và feri từ. Với độ lớn được xác định bằng công thức 0 (1 ) [39]
Trong đó 0 4..107 : độ từ thẩm chân không : độ cảm từ của vật liệu
Cảm biến sử dụng hiệu ứng áp điện:
Hiệu ứng áp điện là hiện tượng do hai anh em nhà khoa học người pháp, Jacques và Pierre Curie, phát hiện vào năm 1880. Các tinh thể sẽ trở nên điện phân cực khi chịu một lực cơ học. Lực căng và nén tạo sẽ làm cho vật liệu bị biến dạng và làm xuất hiện trên hai mặt đối diện của vật đó một lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu. Một vật liệu được cấu tạo bởi ba yếu tố PZT (chì Pb, Zirconi, Titan) sẽ mang tính chất áp điện (thạch anh).
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
TÓM TẮT
Tên đề tài nghiên cứu: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích nổ trên động cơ.
Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Tìm hiểu tổng quan về hiên tượng kích nổ xảy ra trên động cơ đốt trong.
- Nghiên cứu và thu thập các tài liệu liên quan đến hiện tượng kích nổ, tìm hiểu về cảm biến knock sensor và nguyên lý điều khiển chống kích nổ ở ECU động cơ.
- Biên soạn tập thuyết minh đề tài.
Các hướng tiếp cận:
- Tiến hành Nghiên cứu và thu thập tài liệu liên quan đến hiện tượng kích nổ, cảm biến kích nổ bằng nhiều nguồn thông tin khác nhau như giáo trình, các tài liệu của hãng và thông qua mạng internet.
- Phân tích hiện tượng, nguyên nhân xảy ra và hướng khác phục hiện tượng kích nổ, hiểu sâu về cơ chế hoạt động của cảm biến kích nổ và điều khiển chống kích nổ ở ECU động cơ
- Viết tập thuyết minh đề tài. Cách giải quyết vấn đề:
- Tham khảo, nghiên cứu và thu thập những tài liệu liên quan đến kích nổ trên động cơ đốt trong
- Thực hiên các vấn đề đặt ra và tiếp thu ý kiến từ thầy hướng dẫn. Khi không thể giải giải quyết được vấn đề thì tham khảo ý kiến từ giáo viên và sự hướng dẫn của một số giảng viên khác
- Thực hiện viết thuyết minh cho đề tài theo hướng dẫn của giáo viên
Kết quả của đề tài
- Sản phẩm: Bản thuyết minh về đề tài Nghiên cứu kích nổ trên động cơ đốt trong
ii
- Kiến thức: Hiểu rõ về hiện tượng, nắm bắt được các phương pháp hạn chế được ảnh hưởng cảu kích nổ đến động cơ.
- Kỹ năng: Cải thiện các kỹ năng mềm như kỹ năng làm việc nhóm, quản lý thời gian, nâng cao kỹ nănng thuyết trình và biết sự dụng các phần mềm công nghệ để hỗ trợ cho quá trình học tập
iii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................i TÓM TẮT ............................................................................................................................ii MỤC LỤC ..........................................................................................................................iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU...................................................... xiii DANH MỤC CÁC HÌNH..................................................................................................xv Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI......................................................................................1 1.1. Lí do chọn đề tài ...........................................................................................................1 1.2. Đặt vấn đề .....................................................................................................................3 1.3. Mục tiêu nghiên cứu .....................................................................................................4 1.4. Phương pháp nghiên cứu ..............................................................................................4 Chương 2. TỔNG QUAN NHIÊN LIỆU ............................................................................6 2.1. Quy trình chưng cất nhiên liệu......................................................................................6 2.2. Nhiên liệu xăng ..........................................................................................................10
2.2.1. Phương pháp chế tạo và phân loại xăng .............................................................. 11
2.2.2. Đặc tính của xăng ................................................................................................ 11 2.3. Nhiên liệu Diesel ........................................................................................................14
2.3.1. Thành phần và phân loại nhiên liệu Diesel ......................................................... 15
2.3.2. Đặc tính của Diesel.............................................................................................. 16 Chương 3. KÍCH NỔ Ở ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG..........................................................21 3.1. Lịch sử nghiên cứu......................................................................................................21 3.2. Kích nổ ở động cơ xăng..............................................................................................23
iv
3.2.1. Lịch sử phát triển động cơ xăng .......................................................................... 23 3.2.2. Kích nổ thông thường - Conventional knock ...................................................... 26 3.2.2.1. Quá trình cháy khi có kích nổ ...................................................................... 26 3.2.2.2. Chỉ số chống kích nổ.................................................................................... 31 3.2.2.3. Dao động áp suất và sự truyền nhiệt ............................................................ 35 3.2.2.4. Hư hỏng do hiện tượng gây ra ..................................................................... 41 3.2.3. Siêu kích nổ ở động cơ tăng áp (boosted SI engine) ........................................... 44 3.2.3.1. Mối liên hệ giữa cháy sớm và siêu kích ...................................................... 49 3.2.3.2. Nguyên nhân dẫn đến cháy sớm .................................................................. 52 3.2.3.3. Ảnh hưởng của thành phần dầu và đặc tính của nhiên liệu ......................... 55
3.3. Kích nổ ở động Diesel ................................................................................................61 3.3.1. Lịch sử nghiên cứu và khái niệm cháy kích nổ .................................................. 61 3.3.2. Nguyên nhân........................................................................................................ 65
3.4. Một số hiện tượng cháy bất thường khác ...................................................................68 3.4.1. Hiện tượng tự đốt cháy: ....................................................................................... 69 3.4.2. Hiện tượng cháy sau ............................................................................................ 69 3.4.3. Hiện tượng nổ ngược........................................................................................... 70 3.4.4. Hiện tượng nổ trên ống xả ................................................................................... 71
Chương 4. PHƯƠNG PHÁP NGĂN CHẶN KÍCH NỔ...................................................72 4.1. Chống kích nổ chủ động .............................................................................................72
4.1.1. Kích nổ thông thường.......................................................................................... 72 4.1.2. Siêu kích nổ ......................................................................................................... 76
v
4.2. Chống kích nổ bị động................................................................................................81 4.2.1. Phương pháp ........................................................................................................ 81 4.2.2. Cảm biến kích nổ................................................................................................. 82
Chương 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ...........................................................................100 5.1. Kết luận.....................................................................................................................100 5.2. Kết quả đạt được .......................................................................................................101 Danh mục tài liệu tham khảo ...........................................................................................102
vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Chữ viết tắt
ECU
EPA
EU
EC EGR LPG SUV TDC BDC LSPI HRR
HUCR
PRF RON MON CFR AKI BSFC SPI GDI EFI SSM
HSM
VVT ATDC
Chữ đầy đủ
Electronic Control Unit
United States Environmental Protection Agency
European Union
European Community
Exhaust Gas Recirculation
Liquified Petroleum Gas
Sport Utility Vehicle
top dead center
bottom dead cente
Low Speed Pre-Ignition
Heat
Highest Useful Compression Ratio
Primary Reference Fuel
Research Octane Number
Motor Octane Number Cooperative fuel research
Anti Knock Index
Brake-Specific Fuel Consumption Stochastic pre-ignition
Gasoline Direct Injection
Stratified Stoichiometric Mixture
Homogeneous Stoichiometric Mixture
Variable valve timing After top dead center
Nghĩa
Cục Bảo vệ Môi sinh Hoa Kỳ
Liên minh châu Âu
Cộng đồng châu Âu
Tuần hoàn khí xả
Khí đốt hóa lỏng
Dòng xe thể thao
Điểm chết trên
Điểm chết dưới
Cháy sớm ở tốc độ thấp
Tỉ số nén hữu ích cao nhất Nhiên liệu tiêu chuẩn
Phương pháp đo chỉ số octane Phương pháp đo chỉ số octane Nghiên cứu nhiên liệu phối hợp Chỉ số chống kích nổ
Mức tiêu hao nhiêu liệu Cháy sớm ngẫu nhiên Phun xăng trực tiếp
Phun phân tầng Phun hỗn hợp
Hệ thống điều khiển van biến thiên Sau điểm chết trên
Hộp điều khiển
Rate Release
Tải nhiệt
Electronic Fuel Injection
Phun nhiên liệu điện tử
xiii
PCM Power Control Module Hộp điều khiển hệ thống truyền động VOM Volt- Ohm- Miliammeter Đồng hồ đa năng
xiv
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Hàm lượng các chất độc hại cho phép theo từng chuẩn euro .............................2 Hình 2.1 Tháp chưng cất nhiên liệu dầu thô .......................................................................7 Hình 2.2 Bình chứa khí nén LPG.........................................................................................8 Hình 2.3: Dầu bôi trơn .........................................................................................................9 Hình 2.4: Mỡ bôi trơn ..........................................................................................................9 Hình 2.5: Nhựa đường .......................................................................................................10 Hình 2.6: Đường cong chưng cất Engler của phân đoạn xăng có Cr-acking xúc tác ..........13 Hình 2.7: Dầu Diesel là sản phẩm của quá trình chưng cất...............................................15 Hình 2.8: Đo độ nhớt động học .........................................................................................18 Hình 3.1: Chu trình otto ....................................................................................................21 Hình 3.2: Số lượng bài nghiên cứu về knock của một số tác giả .....................................22 Hình 3.3: So sánh hai loại động cơ....................................................................................23 Hình 3.4: Động cơ 4 kỳ của Nikolaus Otto ......................................................................24 Hình 3.5: Chu trình Atkinson ...........................................................................................24 Hình 3.6: Quá trình hoạt động của động cơ 4 kỳ ..............................................................25 Hình 3.7: Quá trình cháy trong động cơ xăng ...................................................................26 Hình 3.8: Quá trình cháy có kích nổ .................................................................................27 Hình 3.9: Tỷ số nén ở động cơ...........................................................................................29 Hình 3.10 Sự thay tỷ số nén ảnh hưởng đến áp suất cực đại.............................................29 Hình 3.11: n-heptan ...........................................................................................................32 Hình 3.12: 2, 4, 4-trimetylpentan.......................................................................................32
xv
Hình 3.13: So sánh điều kiện đo ở hai phương pháp ........................................................33
Hình 3.14: Các trị số thể hiện tính chống kích nổ của nhiên liệu......................................34
Hình 3.15: Thiết lập thí nghiệm quan sát dao động áp suất .............................................36
Hình 3.16: Tần số và biên độ của ba màu RGB ...............................................................37
Hình 3.17: Các chế độ dao động đầu tiên..........................................................................38
Hình 3.18 Biên độ và tần số dao động áp suất...................................................................39
Hình 3.19: Vận tốc khí trung bình trong xi lanh gần bề mặt piston có và không có sóng âm ............................................................................................................................................ 41
Hình 3.20: Hệ số truyền nhiệt trung bình gần bề mặt piston có và không có sóng âm ....41 Hình 3.21: Áp suất đỉnh và dao động áp suất của kích nổ ................................................42 Hình 3.22 Thanh truyền piston bị bẻ cong ........................................................................43 Hình 3.23 Biến dạng bề mặt piston ...................................................................................43 Hình 3.24 Bugi bị cháy .....................................................................................................43 Hình 3.25 Năng lượng của nhiên liệu bị chia tách sau khi cháy ......................................45 Hình 3.26 Biểu đồ tiêu thụ nhiên liệu ở động cơ 2GR-FSE..............................................45 Hình 3.27: Xu hướng giảm kích thước động cơ ...............................................................46 Hình 3.28: Các động cơ gần đây được thu nhỏ kích thước dần ........................................47 Hình 3.29 So sánh áp suất giữa các dạng cháy kích .........................................................48 Hình 3.30: chu kỳ xuất hiện ngẫu nhiên của siêu kích .....................................................48 Hình 3.31: Phân loại các dạng cháy mà cháy sớm có thể gây ra trong động cơ hiện đại..50 Hình 3.32: Phân tích quá trình xảy ra siêu kích ................................................................51 Hình 3.33: Quá trình làm ướt lớp lót cylinder đối diện ....................................................52 Hình 3.34: Quá trình giọt dầu lọt qua khe xecmang tạo thành điểm tự cháy ...................53
xvi
Hình 3.35 Quá trình hình thành “hot pot” từ giọt dầu ......................................................53
Hình 3.36: Quá trình hình điểm cháy sớm từ muội than ..................................................54
Hình 3.37: Phân tích mật độ và kích thước của muội than ảnh hưởng đến cháy sớm .....55
Hình 3.38: Ảnh hưởng của các gốc dầu đến tần số kích nổ .............................................56
Hình 3.39: Chỉ số đánh lửa ảnh hưởng đến xu hướng kích nổ .........................................57
Hình 3.40: Ảnh hưởng của hàm lượng chất thơm ............................................................58
Hình 3.41: Thành phần các chất phụ gia ...........................................................................58
Hình 3.42: Ảnh hưởng của tỷ lệ A/F và mức EGR ..........................................................59
Hình 3.43: Ảnh hưởng của độ bay hơi ..............................................................................61
Hình 3.44: Chu trình Brayton lý tưởng .............................................................................62
Hình 3.45: Thiết kế động cơ Diesel của Rudolf Diesel.....................................................62
Hình 3.46: Chu trình cháy ở động cơ Diesel .....................................................................63
Hình 3.47: Quá trình cháy ở động cơ Diesel ....................................................................65
Hình 3.48: Trị số xetan của một số hydrocacbon .............................................................66
Hình 3.49: Cấu tạo kim phun Diesel .................................................................................67
Hình 3.50: Vị trí bugi sấy .................................................................................................68
Hình 3.51: Bugi sấy ..........................................................................................................68
Hình 3.52: Đường ống xả ..................................................................................................71
Hình 4.1: Quá trình hình thành tiếng gõ ...........................................................................72
Hình 4.2: Hệ thống tuần hoàn khí xả.................................................................................73
Hình 4.3: Hai cơ chế nạp của hệ thống phun xăng trực tiếp .............................................74
Hình 4.4 So sánh hiệu quả của phun đồng nhất (HSM) và phun phân tần(SSM) đối với kích
nổ .......................................................................................................................................75 xvii
Hình 4.5: Phun kết hợp với đánh lửa trực tiếp...................................................................76 Hình 4.6: So sánh hiệu quả của EGR ................................................................................77 Hình 4.7: Hệ thống VVT trên Toyota................................................................................78 Hình 4.8: Phân tích ảnh hưởng của chiến lược phun ........................................................79 Hình 4.9: Chu trình Atkinson ...........................................................................................80 Hình 4.10: So sánh đồ thị P-V và T-S của 2 chu trình Otto và Atkinson..........................81 Hình 4.11: Nguyên lý điều khiển.......................................................................................82 Hình 4.12: Hệ thống điều khiển tự động ...........................................................................83 Hình 4.13: Phân loại cảm biến kích nổ .............................................................................84 Hình 4.14 Cảm biến từ giảo ..............................................................................................84 Hình 4.15 Hiệu ứng áp điện ..............................................................................................85 Hình 4.16: Hiệu ứng áp đảo ..............................................................................................86 Hình 4.17: Phân loại vật liệu áp điện.................................................................................86 Hình 4.18: Công thức tính điện áp ....................................................................................87 Hình 4.19: Công thức tính lực tác dụng ............................................................................87 Hình 4.20: Cấu tạo của cảm biến cộng hưởng ..................................................................88 Hình 4.21: Cảm biến cộng hưởng......................................................................................89 Hình 4.22: Cảm biến loại không cộng hưởng....................................................................89 Hình 4.23: So sánh dải tần số dao động của hai loại cảm biến .........................................90 Hình 4.24: Sơ đồ nguyên lý và tín hiệu của cảm biến kích nổ .........................................90 Hình 4.25: Tần số cộng hưởng của cảm biến ...................................................................91 Hình 4.26: Tín hiệu được gửi từ cảm biến ........................................................................91
xviii
Hình 4.27: Vị trí cảm biến .................................................................................................92 Hình 4.28: Đèn check engine sáng ....................................................................................93 Hình 4.29: Mã lỗi trên máy chẩn đoán ..............................................................................94 Hình 4.30: Điều khiển giảm chậm.....................................................................................95 Hình 4.31: Điều khiển giảm nhanh ...................................................................................95 Hình 4.32: Hệ thống nhiên liệu..........................................................................................97 Hình 4.33: Ống Common Rail ..........................................................................................97 Hình 4.34 Hệ thống điều khiên phun nhiên liệu ...............................................................98
xix
1.1. Lí do chọn đề tài
Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Hiện tượng nóng lên toàn cầu đang tăng nhanh hơn bất kỳ thời điểm nào trong suốt 2.000 năm qua, cùng với đó là những hệ lụy khôn lường từ thực trạng ô nhiễm môi trường trầm trọng. Theo EPA, tổ chức bảo vệ môi trường của Hoa Kỳ, phương tiện giao thông cơ giới là một trong những nguyên nhân dẫn tới tình trạng này. Chỉ tính riêng tại Mỹ, mỗi năm có tới 75% lượng khí CO, Pb, NOx... thải ra từ các phương tiện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, tác động xấu tới sức khỏe con người, thậm chí gây nhiều ca tử vong sớm mỗi năm. Ở Châu Âu, the European Green Deal kêu gọi giảm 90% lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính từ phương tiện giao thông vào năm 2050. Bên cạnh đó, EU đặt mục tiêu “fleet-wide” là 95g CO2/km trong năm 2020-2024 [1] và mục tiêu sẽ càng chặt chẽ hơn cho những năm sau. Để cắt giảm lượng khí thải này, từ năm 1990 các dòng xe mới được sản xuất trước khi bán ra thị trường phải đáp ứng các giới hạn về ô nhiễm khí thải, đây được gọi là tiểu chuẩn khí thải. Tiêu chuẩn khí thải là một loạt các quy định về nồng độ khí thải sinh ra từ quá trình hoạt động của xe như: nitrogen Oxide (NOx), carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC) và các hạt vật chất (PM). Trên thế giới có 3 tiêu chuẩn chính đó là Mỹ, Nhật, Liên minh châu Âu (Việt Nam sử dụng tiêu chuẩn châu Âu). Ngoài ra, các nước công nghiệp phát triển đều có 1 tiêu chuẩn đánh giá riêng.
1
Hình 1.1: Hàm lượng các chất độc hại cho phép theo từng chuẩn euro [2]
Mục đích của tiêu chuẩn khí thải nhằm bảo vệ môi trường và tạo động lực, ép các nhà sản xuất và chế tạo xe phải tạo ra những chiếc xe phát thải ít để đáp ứng được các tiêu chuẩn khí thải cao hơn. Điều đó đồng nghĩa việc hiệu suất nhiệt cần được cải thiện một cách đáng kể. Mặc dù mới đây uỷ ban Châu Âu (EC) đã thông qua việc áp dụng tiêu chuẩn khí thải Euro 7, nhằm thắt chặt giới hạn phát thải đối với các chất ô nhiễm chưa được kiểm soát trước đây như khí nitơ dioxide (NO2) từ các phương tiện vận tải hạng nặng, cũng như các chất dạng hạt mịn khác bao gồm cả khí thải không thải gây ô nhiễm phát sinh trong quá trình hao mòn má phanh và lốp xe vào ngày 10/11/2022 [3] và sự phát triển mạnh mẽ của các dòng xe điện. Những nhà nghiên cứu đã cho rằng đây là dấu hiệu “chấm hết” cho động cơ sử dụng nhiên liệu hoá thạch. Tuy nhiên theo như đoán của International Energy Agency, 70% các xe hạng nhẹ và du lịch vẫn là các kiểu xe sử dụng động cơ xăng hay Diesel trong năm 2020- 2024. Đến năm 2050, 58% xe du lịch vẫn sử dụng động cơ đốt trong, trong đó 85% là xe hybrid. Có thể thấy rằng động cơ đốt trong vẫn còn được sử dụng khá lâu trong tương lai gần. Bằng chứng là ở các nước ta hiện này vẫn chỉ áp dụng tiêu chuẩn Euro 4 và vừa được nâng lên mức 5 vào đầu năm 2022.
Do đó việc nghiên cứu cải thiện hiệu suất động cơ đốt trong vẫn đang và được chú
trọng ở các nhà sản xuất nhằm đưa ra những cải tiến, công nghệ mới có thể đáp ứng được tiêu 2
chuẩn khí thải và thu hút được khách hàng. Các hãng ô tô nhận ra điều này và chưa có kế hoạch loại bỏ việc dây chuyền sản xuất động cơ đốt trong. Tuy nhiên, một số người muốn cắt bỏ khoản đầu tư R&D của họ vào ICE và tập trung mọi nguồn lực của họ vào sự phát triển của EV [4].Đây sẽ là một cơ hội bị bỏ lỡ để nâng cao hiệu quả và giảm tác động đến môi trường của những phương tiện ICE vẫn được sản xuất, bán và vận hành trong nhiều năm tới. Thực tế nghiên cứu cải thiện hiệu suất và giảm lượng khí thải là đề tài xuyên suốt ở động cơ đốt trong. Trong thập kỷ qua nhiều chiến lược tiên tiến được đề xuất, các hoạt động nghiên cứu diễn ra liên tục. Tại Nhật Bản, ngành công nghiệp và học viện đã bắt đầu một dự án lấy tên là Research Association of Automotive Internal Combustion Engines (AICE), mục tiêu cải thiện hiệu suất của động cơ xăng lên mức chưa từng có là 50% vào năm 2020. Tuy nhiên, một trong những vấn đề quan trọng nhất để cải thiện hiệu suất nhiệt đó là xu hướng tự kích nổ của nhiên liệu, nó khiến động cơ không đạt được giai đoạn đốt cháy tối ưu và tỷ số nên cao hơn. Để đáp ứng các quy định nghiêm ngặt trong tương lai, ta cần hiểu rõ hiện tượng kích nổ và những ảnh hưởng của nó đến động cơ. Đây là một vấn đề ở động cơ đốt trong được nghiên cứu chuyên sâu trong nhiều thập kỷ qua. Do đó, chúng em chọn đề tài này, nhằm đem đến cho mọi người cái nhìn đầy đủ và chính xác nhất về ảnh hưởng của kích nổ cũng như là các nghiên cứu của hiện tượng đến động cơ đốt trong nói chung, động cơ xăng nói riêng.
1.2. Đặt vấn đề
Nghiên cứu về quá trình cháy kích nổ cực kỳ quan trọng vì nó quyết định đến độ bền động cơ, mức tiêu thụ nhiên liệu, công suất cũng như tiếng ồn và khí thải. Các động cơ đốt trong nói chung hay động cơ đánh lửa cưỡng bức (SI) nói riêng hiện tại bị ảnh hưởng bởi kích nổ thông thường và siêu kích nổ. Kích nổ thông thường là tác nhân giới hạn nâng cao tỷ số nén để cải thiện hiệu suất. Trong khi siêu kích là một trường hợp đặc biệt của cháy sớm xảy ra ở điều kiện tải trọng cao khi chạy tốc độ thấp, là một hiện tượng mới giới hạn công suất và tiết kiệm nhiên liệu ở động cơ phun trực tiếp hiện đại. Các nghiên cứu đã được tiến hành trong ít nhất 100 năm kể từ khi động cơ đốt trong xuất hiện tuy nhiên nó vẫn hiện đang là một trở ngại cho đến ngày nay. Để kiểm soát được hiện tượng họ tập trung nghiên cứu các yếu tố gây
ra kích nổ, những thông số ảnh hưởng tới các yếu tố đó. Sau đó, họ sẽ đưa ra nhiều phương 3
pháp để hạn chế sự xuất hiện kích nổ. Thời điểm hiện tại các vấn đề cơ bản về kích nổ đã được làm sáng tỏ tuy nhiên mối tương quan giữa chỉ số kích nổ hay hóa học của nhiên liệu, dao động áp suất và truyền nhiệt vẫn còn là các vấn đề còn được bỏ ngỏ. Nghiên cứu và cải thiện các phương pháp kiểm soát kích nổ như tuần hoàn khí xả EGR, phun phân tầng hay chiến lược phun cũng được đưa ra. Ngoài ra hiện tượng siêu kích cũng là một thách thức đối với các nhà nghiên cứu phát triển động cơ trong các năm tiếp theo. Bài nghiên cứu này sẽ đưa ra cái nhìn tổng quát và sâu sắc về các quá trình kích nổ xảy ra trong động cơ đốt trong và các biến pháp chống kích nổ ở động cơ đốt trong.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của bài nghiên cứu này là tìm ra được những ảnh hưởng của sự kích nổ đến động cơ cũng như mang lại cái nhìn tổng quát về những nghiên cứu phát triển để tối ưu hiệu suất.
- Tìm hiểu về hiện tượng: Nguyên nhân xuất hiện, các chỉ số ảnh hưởng, hậu quả gây ra bởi hiện tượng.
- Các biện pháp để chống kích nổ: Chủ động (điều khiển các thông số, kỹ thuật phun, kết cấu buồng đốt, chỉ số nhiên liệu,..), bị động (sử dụng cảm biến kích nổ gửi về ECU để điều chỉnh góc đánh lửa).
- Đảm bảo hiểu rõ về các kiến thức đã được học, nâng cao các kỹ năng mềm, biết chọc lọc sắp xếp các thông tin.
- Là một tài liệu cung cấp tổng quan hơn về hiện tượng kích nổ
1.4. Phương pháp nghiên cứu
- Tìm kiếm, tham khảo những lý thuyết về hiện tượng kích nổ (lịch sử nghiên cứu, nguyên nhân, ảnh hưởng...).
- Tìm kiếm các bài báo nghiên cứu về hướng phát triển để giảm thiểu kích nổ.
- Tổng hợp và phân tích các nội dung cần chú ý.
4
- Tìm hiểu về cảm biến kích nổ.
- Tham khảo thêm ý kiến của giáo viên hướng dẫn.
5
Chương 2. TỔNG QUAN NHIÊN LIỆU
Kích nổ ở động cơ, hiệu suất động cơ có liên quan mật thiết đến thành phần nhiên liệu sử dụng ở động cơ. Điển hình hai nhiên liệu phổ biến chủ yếu được sử dụng rộng rãi đối với ô tô là xăng và dầu Diesel. Ở chương này, ta sẽ phân tích về thành phần, tính chất của hai loại nhiên liệu trên làm tiền đề cho việc đưa ra các biện pháp chống kích nổ hay cao hơn là cải thiện hiệu suất động cơ.
2.1. Quy trình chưng cất nhiên liệu
Dầu lúc mới được khai thác là hỗn hợp của nhiều chất và các tạp chất khác có họ khoa học là những Hydrocacbon. Hỗn hợp này có màu đen giống như dầu mazut có thể ở dạng lỏng hay sệt sệt có khi đặc cứng. Trước khi bắt đầu chế biến cho ra các sản phẩm thì chúng cần được loại bỏ các tạp chất lẫn trong dầu như nước, các loại muối. Quy trình chế biến dầu thô có tên là quy trình chưng cất nhiên liệu dựa trên nhiệt độ sôi khác nhau giữa các chất có trong hỗn hợp để tách chúng ra thành những sản phẩm khác nhau. Thông thường quá trình được chia thành các phân đoạn sau [5]:
Phân đoạn xăng, với nhiệt độ sôi dưới 180 oC, bao gồm các thành phần từ C5- C10, C11.
Phân đoạn kerosen: Nhiệt độ sôi từ 180 oC đến 250 oC, chứa các hydrocacbon từ C11-C15,C16.
Phân đoạn gasoil nhẹ (Diesel): Nhiệt độ sôi từ 250 oC đến 350 oC, chứa các thành phần từ C16-C20,C21.
Phân đoạn gasoil nặng (phân đoạn dầu nhờn): Nhiệt độ sôi từ 350 oC đến 500 oC bao gồm C21-C25 thậm chí đến C40.
Phân đoạn cặn gurdron: Với nhiệt độ sôi trên 500 oC gồm các thành phần có số nguyên tử cacbon từ C41 trở lên giới hạn có thể lên tới C80.
6
Hình 2.1 Tháp chưng cất nhiên liệu dầu thô [6]
Phân đoạn chưng cất có sự khác nhau về nhiệt độ ở áp suất khí quyển tương ứng với xăng nhiệt độ sôi khoảng 35-180 oC, dầu hỏa từ 180-250 oC, dầu Diesel từ 250-350 oC. Các cặn còn sót lại trong chưng cất ở áp suất khí quyển sẽ được tiếp tục chưng cất ở áp suất chân không để lấy các phân đoạn có nhiệt độ sôi ở 400-550 oC. Được tiếp tục chế biến qua công nghệ Cr-acking xúc tác cho ra các sản phẩm nhẹ như xăng, dầu hỏa, Diesel hay các sản phẩm dầu nhờn.
Trong quá trình chưng cất sẽ có các khí lẫn trong dầu được tách ra ở nhiệt độ từ -161 đến -89 oC đó là các khí metan và etan dùng làm nhiên liệu cho nhà máy lọc dầu, ở nhiệt độ từ -42 đến 36 oC được các khí như butan và propan chúng được nén lại trong các bình chứa và chính là khí gas có tên gọi là khí dầu hóa lỏng LPG.
7
Hình 2.2 Bình chứa khí nén LPG
Để sản xuất dầu nhờn, paraffin, nhựa đường từ các cặn chưng cất khí quyển ở 350 oC còn sót lại. Để cặn này tiếp tục bay hơi không thể đun nóng thêm ở áp suất khí quyển sẽ làm phân hủy dầu, vì thế cần hạ áp suất để tiếp tục chưng cất. Khi áp suất hạ nhiệt độ sôi của các chất cũng sẽ giảm, nhờ đó có thể chưng cất ở các phân đoạn nặng hơn từ 400 oC đến trên 550 oC. Các sản phẩm được chưng cất ra từ phân đoạn này sẽ được tiếp tục trãi qua công nghệ tách paraffin, tách nhựa đường để sản xuất các dầu nhờn gốc. Các dầu nhờn gốc này được trộn với các loại phụ gia khác nhau để cho ra các chủng loại dầu nhờn khác
Độ từ thẩm của một vật liệu được ký hiệu là đặc trưng cho khả năng phản ứng của vật liệu dưới tác động của từ trường. Độ từ thẩm chỉ có giá trị đáng kể ở các vật liệu có trật tự
từ như lõi sắt từ và feri từ. Với độ lớn được xác định bằng công thức 0 (1 ) [39]
Trong đó 0 4..107 : độ từ thẩm chân không : độ cảm từ của vật liệu
Cảm biến sử dụng hiệu ứng áp điện:
Hiệu ứng áp điện là hiện tượng do hai anh em nhà khoa học người pháp, Jacques và Pierre Curie, phát hiện vào năm 1880. Các tinh thể sẽ trở nên điện phân cực khi chịu một lực cơ học. Lực căng và nén tạo sẽ làm cho vật liệu bị biến dạng và làm xuất hiện trên hai mặt đối diện của vật đó một lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu. Một vật liệu được cấu tạo bởi ba yếu tố PZT (chì Pb, Zirconi, Titan) sẽ mang tính chất áp điện (thạch anh).
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links