Tổng quan nghiên cứu

Động cơ đốt trong là nguồn động lực chủ yếu cho các phương tiện giao thông và máy móc công nghiệp, tuy nhiên, chúng tiêu thụ lượng nhiên liệu lớn và phát thải nhiều khí độc hại, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Theo thống kê đến cuối năm 2013, trên thế giới có khoảng một tỷ xe đang lưu hành, trong đó Việt Nam có khoảng 2 triệu ô tô và hơn 30 triệu xe máy, tập trung chủ yếu tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh. Tốc độ tăng số lượng xe ô tô trung bình khoảng 10% mỗi năm, dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng lượng tiêu thụ nhiên liệu và khí thải ô nhiễm. Đặc biệt, xe máy tuy có mức tiêu thụ và phát thải thấp hơn ô tô nhưng số lượng lớn và nhiều xe cũ, chất lượng kém đã trở thành nguồn phát thải khí độc hại đáng kể.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cháy nghèo đến hiệu suất và khí thải của động cơ đánh lửa nạp đồng nhất sử dụng nhiên liệu LPG trên động cơ xe máy 125cc. Mục tiêu chính là xác định khả năng giới hạn cháy nghèo, đánh giá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và khí thải ở hai chế độ tốc độ 4500 vòng/phút và 5300 vòng/phút. Nghiên cứu nhằm góp phần phát triển các giải pháp giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải độc hại, đồng thời giảm chi phí sản xuất bộ xúc tác khí thải cho xe máy. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh tăng trưởng phương tiện giao thông và yêu cầu bảo vệ môi trường ngày càng cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về quá trình cháy trong động cơ châm cháy cưỡng bức, đặc biệt là chế độ cháy nghèo và nạp hỗn hợp đồng nhất. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Lý thuyết quá trình cháy trong động cơ đánh lửa cưỡng bức: Quá trình cháy gồm ba thời kỳ chính là cháy trễ, cháy nhanh và cháy rớt, được mô tả qua biến thiên áp suất trong xilanh theo góc quay trục khuỷu. Tốc độ lan truyền màng lửa và tốc độ cháy là các khái niệm quan trọng quyết định hiệu suất và đặc tính cháy.

  • Lý thuyết về hỗn hợp cháy nghèo và hệ số dư lượng không khí (Lambda, λ): Hỗn hợp nghèo là hỗn hợp có tỷ lệ không khí/nhiên liệu cao hơn tỷ lệ lý thuyết, giúp giảm khí thải CO và NOx nhưng làm tăng HC. Giới hạn cháy nghèo được xác định khi dao động chu trình (COV) đạt 10%, đảm bảo tính ổn định của động cơ.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: hệ số dư lượng không khí λ, dao động chu trình COV, các thành phần khí thải CO, HC, NOx, và các phản ứng hóa học trong bộ xúc tác ba chức năng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm trên động cơ xe máy 125cc, 4 kỳ, 4 xupáp, 1 xilanh của hãng SANYANG, với hệ thống phun nhiên liệu LPG trên đường ống nạp. Động cơ được trang bị cảm biến áp suất Kistler 6051B và cảm biến góc quay Encoder BEI H25 để thu thập dữ liệu quá trình cháy. Lượng nhiên liệu và thời điểm đánh lửa được điều khiển bằng ECU 32bit 555-80 có khả năng lập trình thời gian thực.

Các chế độ thử nghiệm được thực hiện ở hai tốc độ 4500 vòng/phút (tương ứng 30 km/h) và 5300 vòng/phút (tương ứng 50 km/h), tại vị trí nửa tải. Giới hạn cháy nghèo được xác định dựa trên giá trị COV ≤ 10%. Các thông số thu thập gồm mômen động cơ, suất tiêu hao nhiên liệu, thành phần khí thải CO, HC, NOx và đặc điểm quá trình cháy.

Dữ liệu được phân tích bằng các đồ thị thể hiện quan hệ giữa hệ số dư lượng không khí λ với các chỉ tiêu hiệu suất và khí thải, từ đó đánh giá ảnh hưởng của chế độ cháy nghèo. Cỡ mẫu thử nghiệm đảm bảo độ tin cậy với nhiều chu kỳ đo liên tục, sử dụng băng thử công suất kiểu dòng xoáy FE150-S đã được kiểm chuẩn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng mở rộng giới hạn cháy nghèo: Động cơ sử dụng nhiên liệu LPG với hỗn hợp đồng nhất có thể đạt hệ số dư lượng không khí λ lên đến 1,4, vượt giới hạn cháy nghèo truyền thống. Ở λ = 1,4, dao động chu trình COV vẫn nằm trong giới hạn cho phép (<10%), đảm bảo tính ổn định vận hành.

  2. Hiệu suất động cơ tăng khi sử dụng hỗn hợp cháy nghèo: So với hỗn hợp tiêu chuẩn (λ = 1), suất tiêu hao nhiên liệu giảm khoảng 6% ở λ = 1,3 và có thể đạt hiệu suất nhiệt tăng lên đến 18% khi λ tăng từ 14,7 lên 21,9 theo ước tính. Mômen động cơ được duy trì hoặc tăng nhẹ nhờ quá trình cháy hiệu quả hơn.

  3. Ảnh hưởng đến khí thải: Khí thải CO và NOx giảm mạnh khi tăng λ từ 1 đến 1,4, với mức giảm CO lên đến 50% và NOx giảm khoảng 40%. Tuy nhiên, HC tăng lên đáng kể, đặc biệt ở vùng giới hạn cháy nghèo do cháy không hoàn toàn và hiện tượng cháy rớt.

  4. Đặc điểm quá trình cháy: Áp suất cực đại trong xilanh giảm nhẹ và xuất hiện muộn hơn khi λ tăng, giúp giảm va đập cơ khí và tiếng ồn. Tốc độ lan truyền màng lửa giảm nhưng vẫn đảm bảo đủ để duy trì công suất và hiệu suất. Các đồ thị biến thiên áp suất và góc đánh lửa sớm thể hiện rõ sự thay đổi này.

Thảo luận kết quả

Việc mở rộng giới hạn cháy nghèo đến λ = 1,4 trên động cơ LPG cho thấy tiềm năng lớn trong việc nâng cao hiệu suất và giảm khí thải độc hại. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về động cơ phun xăng trực tiếp và chế độ cháy nghèo, tuy nhiên áp dụng trên động cơ xe máy với hệ thống phun trên đường ống nạp là điểm mới và thực tiễn.

Giảm CO và NOx là do lượng oxy dư thừa trong hỗn hợp nghèo giúp quá trình oxy hóa hoàn toàn hơn và giảm nhiệt độ cháy cực đại, hạn chế phản ứng tạo NOx. Sự tăng HC phản ánh hiện tượng cháy không hoàn toàn và vùng cháy rớt, cần có biện pháp bổ sung như cải tiến buồng cháy hoặc sử dụng phụ gia nhiên liệu để khắc phục.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này khẳng định hiệu quả của việc sử dụng LPG và chế độ cháy nghèo trong việc giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải, đồng thời mở ra hướng phát triển các giải pháp thay thế bộ xúc tác khí thải đắt tiền cho xe máy.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa hệ thống phun nhiên liệu và đánh lửa: Điều chỉnh thời điểm phun và góc đánh lửa để duy trì ổn định quá trình cháy nghèo, giảm HC và tăng hiệu suất. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: các nhà sản xuất động cơ và trung tâm nghiên cứu.

  2. Phát triển buồng cháy và thiết kế xupáp: Tăng cường vận động dòng khí và tạo xoáy rối trong buồng cháy nhằm nâng cao tốc độ lan truyền màng lửa, giảm hiện tượng cháy rớt. Thời gian thực hiện: 1-2 năm, chủ thể: viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất.

  3. Sử dụng phụ gia nhiên liệu và vật liệu xúc tác trong buồng cháy: Áp dụng các phụ gia giúp tăng khả năng cháy và giảm HC, đồng thời nghiên cứu vật liệu xúc tác mới để thay thế bộ xúc tác ba chức năng đắt tiền. Thời gian thực hiện: 1-3 năm, chủ thể: công ty hóa chất và viện nghiên cứu.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn khí thải và kiểm soát chất lượng xe máy LPG: Áp dụng tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt tương đương EURO 3 hoặc EURO 4 cho xe máy sử dụng LPG, đồng thời kiểm tra định kỳ khí thải để đảm bảo hiệu quả môi trường. Thời gian thực hiện: 2-3 năm, chủ thể: cơ quan quản lý nhà nước và các tổ chức kiểm định.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu sâu về quá trình cháy, hiệu suất động cơ và khí thải, áp dụng phương pháp thực nghiệm và phân tích dữ liệu.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và phát triển động cơ xe máy: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến thiết kế động cơ, hệ thống nhiên liệu và giảm khí thải, nâng cao hiệu suất sản phẩm.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và giao thông vận tải: Tham khảo để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn khí thải và kiểm soát ô nhiễm từ phương tiện giao thông sử dụng LPG.

  4. Các tổ chức nghiên cứu và phát triển công nghệ nhiên liệu sạch: Tìm hiểu về tiềm năng sử dụng LPG và chế độ cháy nghèo trong việc giảm phát thải và tiêu hao nhiên liệu, phát triển công nghệ mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cháy nghèo là gì và tại sao nó quan trọng?
    Cháy nghèo là chế độ cháy với tỷ lệ không khí/nhiên liệu cao hơn tỷ lệ lý thuyết, giúp giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải CO, NOx. Tuy nhiên, nó làm tăng HC và đòi hỏi kiểm soát ổn định quá trình cháy.

  2. Làm thế nào để xác định giới hạn cháy nghèo?
    Giới hạn cháy nghèo được xác định khi dao động chu trình (COV) đạt 10%, tức là mức độ ổn định của động cơ vẫn được đảm bảo. Qua đó xác định được giá trị hệ số dư lượng không khí λ tối đa.

  3. Ảnh hưởng của cháy nghèo đến khí thải như thế nào?
    Cháy nghèo làm giảm đáng kể CO và NOx do lượng oxy dư thừa và nhiệt độ cháy thấp hơn, nhưng làm tăng HC do cháy không hoàn toàn và hiện tượng cháy rớt.

  4. Tại sao LPG được chọn làm nhiên liệu trong nghiên cứu này?
    LPG có đặc tính cháy sạch hơn xăng, ít phát thải CO2 và các chất độc hại, phù hợp với động cơ phun xăng trên đường ống nạp và có tiềm năng giảm khí thải hiệu quả.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các loại động cơ khác không?
    Kết quả chủ yếu áp dụng cho động cơ xe máy 125cc sử dụng LPG với hệ thống phun trên đường ống nạp. Tuy nhiên, nguyên lý và phương pháp có thể tham khảo để áp dụng cho các loại động cơ khác với điều chỉnh phù hợp.

Kết luận

  • Động cơ xe máy 125cc sử dụng nhiên liệu LPG có thể mở rộng giới hạn cháy nghèo đến λ = 1,4 mà vẫn đảm bảo ổn định vận hành.
  • Sử dụng hỗn hợp cháy nghèo giúp giảm tiêu hao nhiên liệu khoảng 6% và tăng hiệu suất nhiệt lên đến 18%.
  • Khí thải CO và NOx giảm mạnh, trong khi HC tăng do cháy không hoàn toàn.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ động cơ sạch, giảm chi phí bộ xúc tác khí thải cho xe máy.
  • Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hệ thống phun, thiết kế buồng cháy và phát triển phụ gia nhiên liệu để khắc phục nhược điểm HC tăng.

Luận văn khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp tiếp tục phát triển công nghệ cháy nghèo và sử dụng LPG nhằm hướng tới mục tiêu bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu suất động cơ. Để biết thêm chi tiết và ứng dụng thực tiễn, độc giả có thể liên hệ với Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.