CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ DIESEL Động cơ Diesel hiện đại cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị trên thế giới và đáng chú ý nhất là động cơ thường có mặt trong các phương tiện vận tải ngày nay. Giữa cá nhân và thương mại động cơ Diesel chiếm thị phần đáng kể trên toàn thế giới. Và của họ chia sẻ và phổ biến đều đang tăng lên. Theo truyền thống, động cơ Diesel chạy bằng Diesel khoáng, được sản xuất từ dầu thô.
Thực tế này đi kèm với một số hệ quả, làm phát sinh nhiều mối quan tâm không thể bị bỏ ngỏ. Trên thực tế, trong nhiều lĩnh vực những mối quan tâm này đã được giải quyết dứt khoát để đảm bảo lâu dài và bền vững sử dụng những máy móc tuyệt vời này trong tương lai. Mối quan tâm đầu tiên là trữ lượng dầu thô hạn chế. Dầu thô chiếm khoảng 37% nhu cầu năng lượng của thế giới (Hình 1.1) (Asif và Muneer 2007; Dorianet al.
2006; Kegl - Năm 2012; Kjrstad và Johnsson 2009). Dự trữ dầu mỏ cuối cùng của thế giới ước tính khoảng 2 nghìn tỷ thùng, trong đó 900 tỷ thùng đã được tiêu thụ (Bentley 2002). Đây là tổng số khối lượng đáng lẽ đã được sản xuất cuối cùng trước khi ngừng hoạt động. Các lượng dầu tiêu thụ hàng ngày trên toàn cầu tương đương khoảng 75 triệu thùng.
Nhiều nước khác nhau đang ở các giai đoạn khác nhau của đường cong suy giảm dự trữ của dầu thô. Nhiều nước trong số họ, chẳng hạn như Hoa Kỳ, đã vượt qua điểm giữa của đường cong suy giảm và đang ở giai đoạn cuối suy giảm, trong khi những người khác ở gần trung tâm chẳng hạn như Vương quốc Anh và Na Uy. May mắn thay, năm nhà sản xuất lớn của vùng Vịnh — Saudi Ả Rập, Iraq, Iran, Kuwait và Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất — vẫn đang ở giai đoạn đầu của sự suy kiệt. Nhưng dù sao, một tính toán nhanh cho thấy rằng hiện tại tỷ lệ sản xuất dầu nguồn cung được dự đoán chỉ kéo dài khoảng 40 năm.
Ước tính này có thể không chính xác, nhưng điều này không thay đổi gì trên thực tế là chúng ta phải tìm kiếm nhiên liệu mà động cơ Diesel sẽ dùng chạy trong tương lai. Tất nhiên, những thay thế này nhiên liệu tốt nhất nên thân thiện với môi trường và được sản xuất từ năng lượng tái tạo các nguồn. 13 Luận văn tốt nghiệp Thái Thanh Toàn Mối quan tâm thứ hai là lượng nhiên liệu khổng lồ, được tiêu thụ bởi động cơ Diesel trên toàn thế giới. Phần lớn các động cơ Diesel tham gia vào vận tải đường bộ, chiếm khoảng 81% tổng năng lượng được sử dụng cho giao thông vận tải (Hình 1.
Bên cạnh vận tải đường bộ, động cơ Diesel cũng tham gia vào vận tải đường sắt, vận tải hải quân, phát điện, v. Dù sao, ngay cả nếu chúng ta quản lý để phát triển sản xuất nhiên liệu thay thế hiệu quả, thì nhiên liệu khối lượng, được tiêu thụ hàng ngày bởi động cơ Diesel trên thế giới, vẫn sẽ là một vấn đề. Đối với điều này lý do, cố gắng giảm mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ Diesel đến giới hạn có thể nên có giá trị của mọi nỗ lực. Mối quan tâm thứ ba liên quan đến quá trình chuyển hóa hóa học của nội năng lượng nhiên liệu vào công cơ học hay chính xác hơn là vào khí thải của quá trình này.
Một động cơ Diesel đốt cháy nhiên liệu dưới áp suất cao và phát ra sản phẩm cháy ra môi trường. Do đó, động cơ Diesel là một trong những đóng góp đáng kể vào ô nhiễm môi trường trên toàn thế giới, với sự gia tăng lớn dự kiến về số lượng xe và số km xe đã đi. Một động cơ Diesel sản xuất chủ yếu là CO2, NOx, CO, HC chưa cháy, và PM / khói thải. Những khí thải này đóng góp tiêu cực vào: • Biến đổi khí hậu toàn cầu • Ô nhiễm chung như là không khí, nước và đất • Ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe (ung thư, tim mạch, hô hấp,.) 14 Luận văn tốt nghiệp Thái Thanh Toàn Hình 1.1: Thị phần tài nguyên năng lượng toàn cầu Hình 1.2: Tỷ trọng tiêu thụ năng lượng trong lĩnh vực giao thông vận tải 1 1 Hình 1.1: Gas ( n ): khí Hình 1.1: Sun, wind, thermal biofuel n): Mặt trời, gió, nhiên liệu sinh học nhiệt Hình 1.1: Water ( n ): nước Hình 1.2: Water ( n ): Nước Hình 1.2: Air ( n ): Hàng Không Hình 1.1: Coal ( n ): than đá Hình 1.2: Road ( n ) Đường Hình 1.1: Biomass ( n ): sinh khố Hình 1.2: Rail ( n ) Đường sắt 15 Luận văn tốt nghiệp Thái Thanh Toàn Hình 1.3: Tính năng động cơ Diesel sạch2 Trong nhiều năm, lượng khí thải động cơ Diesel không được coi là yếu tố chính của vấn đề vì điều này đã thay đổi đáng kể.
Ngày nay, những nỗ lực đáng trân trọng là đưa vào phát triển động cơ Diesel và các công nghệ bổ sung mới với nhằm mục đích giảm lượng khí thải độc hại này. Sự chú ý đặc biệt được tập trung vào động cơ quản lý, phun nhiên liệu và kiểm soát quá trình đốt cháy, tuần hoàn khí thải, xúc tác sau khi xử lý và lọc khí thải, và nhiên liệu thay thế sử dụng. Thuật ngữ động cơ Diesel sạch được sử dụng ở đây để biểu thị động cơ Diesel có liên kết cả ba mối quan tâm chính trong phạm vi có thể. Do đó, động cơ Diesel sạch nên có thể chạy bằng nhiên liệu thay thế, với mức tiêu thụ nhiên liệu và phát thải tối thiểu (Hình 1.
Chính vì lẽ đó mà luận văn này ra đời nhằm thúc đẩy các bước tiếp theo trong sự phát triển của động cơ Diesel.3: Green Diesel Engine: Động cơ Diesel sạch Hình 1.3: Fuel: Nhiên liệu Hình 1.3: Fuel consumtion: Tiêu thụ nhiên liệu Hình 1.3: Harmful emissions: Phát thải gây hại 16 Luận văn tốt nghiệp Thái Thanh Toàn CHƯƠNG II: ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL Động cơ Diesel là động cơ đánh lửa nén kiểu 2 hoặc 4 kỳ. Từ Biểu đồ p V (Hình 2.1), có thể thấy rằng thời gian của toàn bộ chu trình động cơ Diesel là 360 Ca cho động cơ hai thì và 720 Ca cho động cơ bốn thì.Trong đó toàn bộ quá trình bao gồm các giai đoạn sau: nạp không khí, nén không khí, phun nhiên liệu, hình thành hỗn hợp, đánh lửa, đốt cháy, giãn nở và xả. Giai đoạn nạp bắt đầu bằng việc mở van nạp và kéo dài cho đến khi nạp đóng van. Sau đó, khí nạp được nén đến mức tương ứng với tỷ lệ nén từ 14: 1 đến 25: 1 (Bauer 1999) hoặc hơn thế nữa.
Nén tỷ lệ ε là một đại lượng hình học, được định nghĩa là Trong đó Vmax và Vmin biểu thị thể tích cực đại và cực tiểu phía trên Piston, Vc là khe hở hoặc thể tích nén, và Vh biểu thị độ dịch chuyển của piston — thể tích giữa tâm điểm chết dưới cùng (BDC) và tâm điểm chết trên (TDC) của pít-tông. Khi kết thúc quá trình nén, nhiên liệu được phun vào hệ thống đốt trước (gián tiếp phun) hoặc buồng đốt (phun trực tiếp) dưới áp suất cao. Nhiên liệu trong hỗn hợp phun trộn với không khí nóng nén, bay hơi, và sau đó hỗn hợp bốc cháy bởi chính bản thân nó. Và phải biết được rằng quá trình phát triển phun, các quá trình hình thành hỗn hợp, đánh lửa, đốt cháy và hình thành khí thải được tiến hành phần lớn đồng thời và tương tác với nhau.
Trong quá trình đốt cháy nhiệt được giải phóng và cả áp suất trong xi lanh và nhiệt độ trong xi lanh tăng lên. Khi kết thúc giai đoạn giãn nở, van xả mở ra và xả giai đoạn bắt đầu. Giai đoạn này và toàn bộ quá trình kết thúc khi van xả đóng lại. Ngoài ra, trong ứng dụng ô tô, động cơ Diesel thực tế luôn là loại động cơ 4 thì loại (Bauer 1999), hút khí tự nhiên hoặc tăng áp.
17 Luận văn tốt nghiệp Thái Thanh Toàn Trong động cơ Diesel hút khí tự nhiên (Hình 2.2), áp suất Pk trong khí nạp ống nhỏ hơn áp suất môi trường xung quanh Po. Kể từ khi kết thúc quá trình xả - quá trình áp suất Pr của các khí dư cao hơn Pk, điều này có nghĩa là khí nạp chỉ bắt đầu sau khi Piston đi được một khoảng cách đáng kể về phía tâm đỉnh đáy. Điều này nghĩa là áp suất trong xi lanh ở cuối quá trình thu nhận luôn thấp hơn Pk. Trên thực tế, trong động cơ Diesel hút khí tự nhiên các quan hệ sau luôn hợp lệ: Pr> Pk> Pa và VF <Vh, trong đó ký hiệu VF biểu thị thể tích thực của không khí sạch.1 Biểu đồ p V của động cơ Diesel hai kỳ và bốn kì3 3 Hình 2.1: Ignition: Đánh lửa Hình 2.1: Expansion: Sự giản nở Hình 2.1: Compression: Sự nén Hình 2.1: Exhaust: Sự thải Hình 2.1: Intake: Nạp vào Hình 2.1: 2 stroke Diesel engine: Động cơ Diesel 2 kì Hình 2.1: 4 stroke Diesel engine: Động cơ Diesel 4 kì 18 Luận văn tốt nghiệp Thái Thanh Toàn Hình 2.2 Biểu đồ p V của động cơ diesel tăng áp và hút khí tự nhiên4 Hình 2.3 Hệ thống buồng trước và buồng xoáy5 Trong động cơ Diesel tăng áp (Hình 2.2), áp suất trong các ống nạp là cao hơn áp suất của các khí dư, tức là Pk> Pa> Pr.
Điều này có nghĩa rằng bất chấp các khí dư và tổn 4 Hình 2.2: Naturally aspirated diesel engine: Động cơ hút khí tự nhiên Hình 2.2: Turbocharged diesel engine: Động cơ tăng áp 5 Hình 2.3: Pre-chamber system: Hệ thống buồng trước Hình 2.3: Whirl- chamber system: Hệ thống buồng xoáy 19 Luận văn tốt nghiệp Thái Thanh Toàn thất thủy lực, thể tích VF của không khí trong lành có thể cao hơn Vh. Nói cách khác, hiệu suất thể tích ηv, được định nghĩa là có thể cao hơn 1,0. Việc phun nhiên liệu vào xi lanh được thực hiện bởi hệ thống phun nhiên liệu, có thể là loại điều khiển điện tử (áp suất cao) hoặc cơ khí. Các hệ thống phun điều khiển điện tử gần đây hơn cho thấy nhiều ưu điểm trên các hệ thống điều khiển cơ học cũ hơn.
Bất chấp điều đó, chúng ta phải thừa nhận rằng hiện tại có một số lượng lớn các động cơ Diesel với cơ khí các hệ thống được kiểm soát vẫn đang hoạt động trên khắp thế giới. Hơn nữa, về mặt cơ học hệ thống phun được kiểm soát đi kèm với một tính năng hấp dẫn: chúng rất mạnh mẽ và tương đối không nhạy cảm với các đặc tính và chất lượng của nhiên liệu. Nếu động cơ phải chạy nhiên liệu sinh học khác nhau, đây có thể là một lợi thế đáng chú ý.