Đồ án: Nghiên cứu chế tạo bộ trộn hòa khí cho xe máy sử dụng nhiệt khí thải

Đồ án nghiên cứu chế tạo bộ trộn hòa khí xe máy, tận dụng nhiệt khí thải để tối ưu hóa hỗn hợp nhiên liệu, giúp tiết kiệm xăng và giảm ô nhiễm.

• Tác giả: Lâm Văn Hưng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Văn Dũng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo bộ trộn hòa khí cho xe máy sử dụng nhiệt khí thải
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Bộ trộn hòa khí xe máy và vai trò của nó

Bộ trộn hòa khí là một thành phần quan trọng trong hệ thống nạp của động cơ xe máy, có chức năng hòa trộn nhiên liệu xăng với không khí để tạo thành hỗn hợp khí cháy tối ưu. Trên xe máy hiện nay, chế hòa khí được cấu tạo từ hợp kim nhôm và hoạt động dựa trên nguyên lý chân không. Khi piston chuyển động từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, không khí được hút vào xy lanh qua bộ lọc gió tới bình xăng con. Do tiết diện lưu thông bị thu hẹp, tốc độ dòng khí tăng lên, áp suất giảm và tạo độ chân không để hút xăng từ buồng phao. Nhiên liệu được hút lên qua đường xăng chính và tạo thành sương mù để hòa trộn với không khí. Tuy nhiên, chất lượng hòa trộn hòa khí trên các xe máy hiện nay vẫn chưa tối ưu, dẫn đến sót lại nhiên liệu chưa cháy hết, gây ô nhiễm môi trường và tiêu hao xăng không cần thiết.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Bình xăng con gồm các thành phần chính: ống xăng phụ (giclo phụ), ốc chỉnh hòa khí, ống xăng chính, ống kim xăng và lỗ từ bộ lọc khí. Khi động cơ hoạt động, xăng được hút từ buồng phao qua đường xăng chính để tạo sương mù hòa trộn với không khí. Quy trình này phụ thuộc vào độ chân không được tạo ra ở họng khuếch tán của chế hòa khí, từ đó tạo thành hỗn hợp khí cháy để đốt cháy trong buồng đốt.

1.2. Vấn đề hiện nay với hòa trộn xe máy

Hiện tại, hòa khí trên xe máy chưa tối ưu, dẫn đến lượng khí thải chứa nhiều xăng chưa cháy hết (gọi là "xăng sống"). Điều này gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và tiêu hao nhiên liệu không cần thiết. Cần thiết phải cải tiến bộ trộn hòa khí để nâng cao khả năng hòa trộn, giảm lượng khí thải và tiết kiệm xăng.

II. Ứng dụng nhiệt khí thải trong tiết kiệm xăng

Hiệu suất của động cơ đốt trong chỉ khoảng 30-35%, phần lớn sự thất thoát do tỏa nhiệt tự do. Khí thải nóng từ ống pô có thể được tận dụng để nâng cao nhiệt độ của hỗn hợp xăng không khí trước khi vào buồng đốt. Nguyên lý này dựa trên việc sử dụng nhiệt khí thải để hâm nóng xăng, giúp xăng bay hơi dễ dàng hơn và tạo hỗn hợp khí cháy tốt hơn. Khi nhiên liệu được nâng nhiệt độ, khả năng phun xịt thành sương mù cải thiện đáng kể, dẫn đến cháy hoàn toàn hơn và giảm tiêu hao xăng. Công nghệ này không chỉ tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường, góp phần bảo vệ sinh thái.

2.1. Nguyên lý tận dụng nhiệt từ khí thải

Nhiệt khí thải được dẫn qua một bộ trao đổi nhiệt để hâm nóng đường dẫn xăng trước khi vào bình xăng con. Khi xăng được nâng nhiệt độ, nó dễ bay hơi và tạo sương mù tốt hơn. Quy trình này tăng hiệu suất cháy nhiên liệu, đồng thời giảm lượng xăng sống trong khí thải.

2.1. Lợi ích tiết kiệm xăng

Khi hòa khí được tối ưu nhờ nhiệt khí thải, quá trình cháy hoàn toàn hơn dẫn đến tiết kiệm xăng đáng kể. Xe máy có bộ trộn hòa khí sử dụng nhiệt thải có thể giảm tiêu hao xăng từ 5-10%, vừa kinh tế vừa thân thiện với môi trường.

III. Thiết kế bộ trộn hòa khí sử dụng nhiệt khí thải

Đề tài nghiên cứu bộ trộn hòa khí sử dụng nhiệt khí thải tập trung vào việc thiết kế lại đường dẫn nhiên liệu xăng để tận dụng sức nóng của khí thải. Trên cơ sở xe máy Honda Wave RS, các nhà nghiên cứu đã nâng cấp cổ xăng và tái thiết kế hệ thống dẫn xăng. Phương pháp này sử dụng một bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn, được lắp trên ống xả, để tiếp nhận nhiệt từ khí thải nóng và truyền cho đường dẫn xăng. Khi xăng chảy qua đường dẫn được nâm nóng, độ bay hơi tăng, giúp chế hòa khí tạo ra hỗn hợp khí cháy đồng nhất hơn. Điều này cải thiện hiệu suất đốt cháy và giảm khí thải, đặc biệt là giảm lượng xăng sống thải ra môi trường.

3.1. Cấu tạo bộ trao đổi nhiệt

Bộ trao đổi nhiệt được thiết kế nhỏ gọn, gắn trên ống pô để tiếp nhận nhiệt từ khí thải. Nó bao gồm một buồng tiếp nhận khí nóng và một buồng dẫn xăng. Khi khí thải nóng đi qua, xăng trong buồng kia được nâng nhiệt độ, giúp xăng bay hơi tốt hơn trước khi vào bình xăng con.

3.2. Cải tiến cổ xăng

Cổ xăng được cải tiến để tương thích với hòa khí tối ưu. Các lỗ phun xăng được thiết kế lại để tạo sương mù đều hơn, kết hợp với xăng nóng từ trao đổi nhiệt, đảm bảo hỗn hợp khí cháy có chất lượng cao nhất.

IV. Kết quả và triển vọng ứng dụng

Những nghiên cứu về bộ trộn hòa khí sử dụng nhiệt khí thải cho thấy những kết quả rất tích cực. Xe máy được trang bị bộ trộn hòa khí cải tiến có khả năng tiết kiệm xăng từ 5-10%, đồng thời giảm lượng khí thải độc hại. Hiệu suất cháy tăng lên khi xăng được nâm nóng trước khi hòa trộn, tạo ra hỗn hợp khí cháy tốt hơn. Công nghệ này có thể được áp dụng rộng rãi trên các loại xe máy khác nhau, từ xe côn tay đến xe số, mang lại lợi ích kinh tế cho người dùng và bảo vệ môi trường. Với tình hình ô nhiễm không khí ngày càng trầm trọng và giá xăng biến động, bộ trộn hòa khí tối ưu là một giải pháp tiên tiến, vừa giảm chi phí vận hành vừa bảo vệ lồi sống.

4.1. Kết quả thực nghiệm

Các thử nghiệm trên xe máy Honda Wave RS với bộ trộn hòa khí sử dụng nhiệt khí thải cho thấy tiết kiệm xăng đáng kể và giảm khí thải có hại. Hỗn hợp khí cháy đồng nhất hơn dẫn đến cháy hoàn toàn, giảm lượng xăng sống thải ra.

4.2. Triển vọng phát triển

Công nghệ bộ trộn hòa khí sử dụng nhiệt khí thải có tiềm năng phát triển cao, có thể áp dụng trên các xe máy hiện nay. Đây là giải pháp hiệu quả để tiết kiệm xăng, giảm ô nhiễm và nâng cao hiệu suất động cơ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU VÀ GIỚI HẠN VẤN ĐỀ 1. Hiện nay trên thị trường tồn tại rất nhiều phương tiện khác nhau để đáp ứng nhu cầu đi lại của người tiêu dùng. Và, chúng ta không thể không kể đến một phương tiện phổ biến đó chính là xe máy. Xe máy được sử dụng rất rộng rãi ở Châu Á và các nước Châu Âu vì tính thuận lợi và năng động khi tham gia mô hình giao thông với những cung đường vừa và hẹp điển hình như ở Việt Nam.

Chính vì nhu cầu sử dụng xe máy rất lớn của người dân hiện nay nên rất nhiều loại xe máy được du nhập vào Việt Nam nhằm thỏa mãn mức nhu cầu của người tiêu dùng. Xe máy bắt đầu du nhập vào Việt Nam từ năm 1951 tới nay rất nhiều, đồng thời nhu cầu sử dụng ngày càng cao, yêu cầu môi trường khắt khe, đòi hỏi xe máy phải được cải tiến. Hiện nay, dù đã được cải tiến rất nhiều nhưng vẫn chưa hoàn toàn tối ưu. Đặc biệt là sự hòa trộn hòa khí nhiên liệu trên xe máy có bộ chế hòa khí vẫn chưa được tốt, lượng khí thải thải ra môi trường vẫn còn sót lại nhiên liệu chưa cháy hết (hay còn gọi là “xăng sống”) gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và tiêu hao nhiên liệu.

Vì vậy, vấn đề cải tiến về hòa trộn trên xe máy là cần thiết để giảm tiêu hao nhiên liệu và bảo vệ môi trường. Giới hạn vấn đề. Trên cơ sở đó, chúng em được giao đề tài “nghiên cứu chế tạo bộ trộn hòa khí cho xe máy sử dụng nhiệt khí thải”. Đề tài nghiên cứu này được chúng em thực hiện làm trực tiếp trên xe máy Honda Wave RS.

Trong đề tài nghiên cứu này, chúng em đã tập trung thiết kế lại đường dây dẫn nhiên liệu dùng sức nóng của khí thải để nâng cao khả năng hòa trộn trên xe đồng thời cải tiến cổ xăng nâng cao khả năng trộn hòa khí nhằm giảm lượng khí thải thải ra môi trường. 1 2 CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ XE MÁY VÀ ỨNG DỤNG CỦA NHIỆT DO KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ. Hệ thống nạp thải trên xe máy. Hệ thống nạp.

Hệ thống nạp của động cơ xe máy gồm các bộ phận chính: bộ lọc gió, bình xăng con, cổ hút.Bộ lọc gió.1: Bộ lọc gió xe máy. Cấu tạo: Gồm các bộ phận chính : 2 miếng nhựa bọc xung 2 bên và màng giấy lọc bụi bẩn chính giữa. Công dụng: Lọc gió có chức năng lọc luồng không khí vào trong buồng đốt, giúp loại bỏ bụi bẩn, nước. các tạp chất ra khỏi không khí, để có một luồng không khí sách vào buồng đốt, làm tăng hiệu suất đốt cháy nhiên liệu hơn.

Bình xăng con[1]. - Cấu tạo Hình 2.2: Cấu tạo bình xăng con Chú thích: 1:Ống xăng phụ (giclo phụ). 2: Ốc chỉnh hòa khí. 7: Lỗ của cục ga.

3: Ống xăng chính. 9: Lỗ từ bộ lọc khí. 5: Ống kim xăng. - Nguyên lí hoạt động: Khi động cơ hoạt động, piston từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, không khí được hút vào xy lanh qua bộ lọc gió tới bình xăng con.

Tại đây, do tiết diện lưu thông bị thu hẹp lại, tốc độ của dòng khí tăng lên làm áp suất giảm xuống tạo độ chân không 4 hút nhiên liệu từ trong buồng phao qua đường xăng chính chạy lên giclo tạo nên nhiên liệu dạng sương mù để hòa trộn với không khí đi vào. Như vậy, xăng bị hút lên bởi lực chân không tạo ra ở họng khuếch tán và hoà trộn với không khí và bay hơi để tạo thành hỗn hợp khí cháy. - Cấu tạo: Được đúc bằng một khối hợp kim nhôm. - Chức năng: Dùng để dẫn hòa khí từ bình xăng con vào buồng đốt của động cơ.

Hệ thống thải[2]: Gồm đường ống thải dẫn ra ống pô và bộ xử lí khí thải (AIS : Air Induction System.4: Sơ đồ bộ xủ lí khí thải AIS. - Cấu tạo của bộ xử lí khí thải 1. Lọc không khí. Ống cao su dẫn không khí vào từ cụm van AIS.

Cụm van AIS. Ống cao su lấy áp suất âm để điều khiển van AIS. Ống dẫn không khí đến đầu cửa xả. 6 Nguyên lí hoạt động: - Khi chạy ga bình thƣờng: Áp chân không do lực hút của động cơ tác động lên màng da của bệ van không lớn chưa thắng được lực nén của lò xo, nên bệ van luôn mở cung cấp không khí đến cửa xả để tạo phản ứng với CO trong khí thải.

Trong cấu tạo của cụm van AIS, van lưỡi gà được bố trí dưới bệ van ( trên đường không khí ra cửa xả) nhằm ngăn ngừa không cho khí thải nóng đi vào cụm van AIS từ phía cửa xả, có thể gây hư hỏng cụm van của bộ AIS. 7 - Khi hạ ga đột ngột ở tốc độ cao: Lúc này, quả ga đã hạ xuống và đóng gần hết họng của chế hòa khím nên áp suất chân không ở cổ hút phía sau chế hòa khí rất lớn, thắng được lực lò xo và kéo màng da đi lên, làm bệ van đóng lại. Dòng không khí qua bộ AIS sẽ bị ngắt, không được cấp tới cửa xả, để ngăn hiện tượng cháy nổ sau tại cổ bô do có thêm oxy để đốt lượng xăng chưa kịp cháy trong buồng đốt. Nhiệt khí thải trong việc hâm nóng nhiên liệu xăng.

Hiệu suất của động cơ đốt trong chỉ khoảng 30-35% và phần lớn sự thất thoát của hiệu suất do tỏa nhiệt mà ra, chính vì thể, tận dụng được lượng nhiệt mà khí thải thải ra là 1 việc cần thiết. Tìm hiểu về xăng. - Thành phần cấu tạo của xăng: 8 Xăng là hỗn hợp của các chất hydrocarbon không thơm (aliphatic hydrocarbon). Nói cách khác, xăng là nhóm hợp chất hữu cơ có công thức phân tử CnH2n+2, gồm mạch carbon thẳng chứa từ 7 – 11 nguyên tử C, và các nguyên tử hydrogen.

Khi chúng ta đốt xăng cháy hoàn toàn, trong điều kiện đủ oxigen, nó sẽ tạo ra khí carbonic (CO2 ) từ các nguyên tử C, và hơi nước (H2O) từ các nguyên tử H, đồng thời phản ứng cháy này sẽ tỏa ra rất nhiều nhiệt. - Nguồn gốc của xăng: Xăng là sản phẩm của quá trình chưng cất dầu thô. Dầu thô được khoan và bơm lên từ lòng đất, là một chất lỏng hơi sệt, màu nâu sẫm, nó là một hỗn hợp của rất nhiều loại hydrocarbon có công thức cấu tạo khác nhau. Mỗi loại hydrocarbon có chiều dài và cấu tạo phân tử khác nhau sẽ có các tính chất hóa, lý khác nhau.

Mạch carbon càng dài, trọng lượng phân tử càng lớn hơn. Hợp chất hydrocarbon có từ 1 đến 4 nguyên tử C như Methane (CH4), Ethane (C2H6), Propane (C3H8), và Butane (C4H10) là các chất khí ở nhiệt độ thường. Với số nguyên tử C từ 5 – 18, là các hydrocarbon ở dạng lỏng. Với số nguyên tử C ≥ 19, hợp chất hydrocarbon là các chất rắn ở nhiệt độ thường.

Tất nhiên chúng ta dễ suy luận là các hydrocarbon có mạch carbon càng dài sẽ có độ sôi càng cao. - Trị số octan của xăng[3] Trị số octan (Octane Number) là một đại lượng quy ước đặc trưng cho tính chống kích nổ của nhiên liệu. Trị số này được đo bằng % thể tích của iso-octan (2,2,4-trimetylpentan) có trong hỗn hợp của nó với n-heptan và có khả năng chống kích nổ tương đương khả năng chống kích nổ của nhiên liệu thí nghiệm ở điều kiện chuẩn. - Tại sao cần trị số Octan? Khả năng xăng được đốt cháy hoàn hảo trong buồng đốt của động cơ mà không gây nổ, làm hỏng động cơ đã trở thành một yếu tố hết sức quan trọng trong việc đánh giá và phân loại xăng.

Từ năm 1920, khi chất lượng xăng tốt hơn, đồng nghĩa với việc chúng sinh 9 công nhiều hơn, nhiều động cơ đã bị hư hại do xăng phát nổ trong buồng đốt. Nhất là những động cơ có tỉ số nén cao. Các thí nghiệm thời đó đã chỉ ra rằng những vụ nổ lớn, gây hại nhiều nhất đều do xăng heptane trong khi xăng iso-octan thường không gây nổ trong buồng đốt. Chính điều này đã dẫn đến việc người ta quy định trị số octan như một một thông số định lượng xác định tính chất chống kích nổ của xăng.

Để đơn giản, có thể hiểu rằng trong động cơ xăng có hiện tượng cháy không bình thường gọi là hiện tượng cháy kích nổ (do hiện tượng tự cháy của xăng mà không phải do bugi bật tia lửa điện). Thành phần của xăng gồm nhiều hydrocacbon no nhưng có dạng mạch nhánh và cacbuahydro thơm là các kết cấu bền vững. Xăng có cấu trúc càng bền vững thi tính tự cháy càng kém, do đó khó xảy ra kích nổ và ngược lại. Để đánh giá tính chống kích nổ của xăng, người ta dùng một thông số gọi là trị số OCTAN.

- Cách tính trị số Octan Trị số Octan được tính theo tỉ lệ phần trăm lượng xăng iso-octan trong toàn bộ hỗn hợp xăng giữa xăng iso-octan và xăng heptane. Những nghiên cứu đã chỉ ra rằng với tỉ lệ 90% xăng iso-octan và 10% xăng heptane, động cơ làm việc với hiệu suất tương đương với các loại xăng sử dụng cùng thời kì. Do đó, người ta đưa ra tỉ lệ octan là 90. - Các loại trị số Octan Có 2 phương pháp đã được ASTM (American Society for Testing Materials - Hiệp hội thử nghiệm vật liệu Hoa Kỳ) đề nghị sử dụng, dần trở nên thông dụng và cuối cùng các nhà kiểm định chất lượng đã thống nhất sử dụng để đo chỉ số Octan tiêu chuẩn mang tính toàn cầu đó là: •Chỉ số Octan nghiên cứu: RON (Research Octane Number) 10 •Chỉ số Octan động cơ: MON (Motor Octane Number) Chỉ số RON được tính khi cho động cơ hoạt động ở điều kiện nhẹ, nhiệt độ 49oC (120oF) và động cơ quay 600 vòng/ phút.

Trong khi đó, chỉ số MON được tính ở điều kiện khắc nghiệt hơn rất nhiều, nhiệt độ hoạt động là 149oC(300oF) và tốc độ quay của động cơ là 900 vòng/phút. Sau nhiều năm tính toán, chỉ số RON được công nhận là chỉ số có tính chính xác cao hơn khi xác định tới hiệu năng làm việc của động cơ và thường được dùng đơn lẻ khi nhắc tới chỉ số chống kích nổ của xăng. Khi xăng không chì được phát triển, và động cơ có nhiều cải tiến, thay đổi về mặt thiết kế, người ta phát hiện ra rằng chỉ số MON hạn chế hiệu năng làm việc thực tế của động cơ. Và người ta phát triển một chỉ số mới bằng giá trị trung bình của chỉ số RON và MON để phân loại chất lượng xăng.Thông thường, các phương tiện giao thông sử dụng xăng có giá trị octane trung bình cộng của RON và MON từ 87-100.1: Nhiệt độ, LFL, UFL, Ta, Tl của xăng.

- Tính bay hơi thích hợp.