Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Dẫn nhập Động cơ đốt trong ra đời, đó là một bước tiến lớn của nhân loại khi đã thay thế sức lao động của con người bằng các máy móc. Điều này làm cho năng suất lao động tăng lên vượt bậc. Động lực của động cơ đốt trong tạo ra góp một phần rất lớn vào sự phát triển sản xuất, cũng như ngành giao thông. Động cơ đốt trong thay thế các cỗ máy hơi nước chạy bằng than, củi cồng kềnh hiệu suất thấp.
Nhân loại tiếp tục nghiên cứu và phát triển các loại đời động cơ mới với rất nhiều ưu điểm như hiệu suất cao hơn động cơ thế hệ trước đó. Động cơ đốt trong luôn được cải tiến không ngừng theo hướng tăng công suất và giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Hàng loạt các cải tiến có thể nhắc đến ở các hệ thống nạp, hệ thống xả, hệ thống nhiên liệu …v. Các nghiên cứu này phải được dựa trên các đường đặc tính của động cơ, cũng như tình trạng làm việc thực tế.
Vì thế việc nghiên cứu đặc tính động cơ cũng như các cải tiến cho động cơ tối ưu hơn được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm. Một trong những mối quan tâm hàng đầu của việc thiết kế động cơ là giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn phát thải của động cơ. Muốn làm được điều đó trước tiên phải làm sao cho hoà khí trước khi vào trong buồng đốt phải được trộn đều, nghĩa là quá trình xoáy lốc phải tốt và quá trình cháy phải triệt để, sinh ít khí độc hại nhất. Vì vậy, các nhà thiết kế động cơ không chỉ chú trọng đơn thuần về công suất hay tính kinh tế của động cơ mà phải cân nhắc giữa các chỉ tiêu đó và mức độ phát sinh ô nhiễm.
Tình hình ô nhiễm ở các thành phố lớn ở Việt Nam như: Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội trong những năm gần đây ngày càng tăng, ô nhiễm không khí chủ yếu là do phát thải từ động cơ đốt trong. Động cơ xe máy là động cơ đánh lửa cưỡng bức do đó đối với động cơ này ba HVTH: Đặng Như Phúc 1 MSHV: 1820509 Luận văn cao học GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng chất ô nhiễm chính cần quan tâm là: NOx, HC và CO. Trong kết quả của các phản ứng hoá học những HydroCacbon của nhiên liệu với không khí, cùng với những thành phần cơ bản của sản vật cháy khi cháy hoàn toàn: CO2, H2O và N2 thì ba chất NOx, HC và CO là thành phần gây phát thải cao nhất. Thành phần và khối lượng của chúng phụ thuộc vào đặc trưng thực hiện quá trình đốt cháy hỗn hợp trong buồng đốt, phụ thuộc vào kết cấu buồng đốt, thời điểm đánh lửa, thời gian cháy và năng lượng tia lửa…Do vậy, cần sử dụng tất cả các biện pháp hữu hiệu tác động đến quá trình hình thành hoà trộn hoà khí và quá trình cháy nhằm loại bỏ bớt thành phần độc hại trong khí thải.
Các chất độc hại này hình thành từ các thành phần sau: Oxit Cacbon có trong khí thải do thiếu Oxy nên Cacbon cháy không hoàn toàn, hoạt động với hoà khí đậm ( 1 ), tuy nhiên ( 1 ) vẫn xảy ra hiện tượng cháy không hoàn toàn CO có thể tới 0,5%. Với ba chất ô nhiễm này có những tác hại sau đây: Bảng 1.1: Tác hại chính của khí thải động cơ đốt trong Chất ô nhiễm Tác hại chính CO -Làm cản trở quá trình trao đổi Oxy trong máu và gây ra ngộ độc CO. Nếu nồng độ CO trong máu từ 30 đến 40 PPM sẽ làm tê liệt hệ thần kinh thực vật. Ở nồng độ 500 PPM hay cao hơn sẽ gây đau đầu.
Khi cao hơn nữa sẽ gây chết người. HC -Kích thích thành bên trong của cơ quan hô hấp. -Một nguyên nhân gây hiện tượng mù quang hoá. Khói quang hoá gây cản tầm nhìn, kích thích mắt và là nguyên nhân gây bệnh ung thư và tàn rụi rừng.
NOx -Nếu nồng độ NOx trong khí quyển từ 10 đến 30 PPM thì làm cho con người bắt đầu bị kích thích mắt, mũi, họng. Nếu từ 30 đến 50 PPM thì có thể gây ho, đau đầu và hại phổi. -Nguyên nhân chính của khói quang hoá. HVTH: Đặng Như Phúc 2 MSHV: 1820509 Luận văn cao học GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng Ở động cơ thế hệ mới làm việc với hỗn hợp nghèo, người ta khống chế thêm vận động rối của hỗn hợp nhiên liệu - không khí trong quá trình cháy để làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm, đặc biệt là HC.
Sự tăng cường chuyển động rối sẽ làm tăng tốc độ lan tràn màng lửa và hạn chế việc xuất hiện những vùng “chết” (gần thành buồng cháy). Gia tăng vận động rối có thể thực hiện bằng cách gia tăng dòng xoáy của hỗn hợp trên đường ống nạp.2 Lý do chọn tài Thế giới ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghệ ứng dụng trong lĩnh vực giao thông, góp phần vào sự phát triển nền kinh tế. Thời gian vận chuyển hàng hoá thương mại và nhu cầu đi lại con người ngày càng được rút ngắn. Sự phát triển công nghệ trong động cơ đốt trong đã làm thay đổi điều này.
Trong ba loại phương tiện đường bộ, đường biển và đường hàng không thì số lượng phương tiện đường bộ chiếm số lượng lớn nhất. Nhu cầu sử dụng phương tiện cá nhân để đi lại và chuyên chở hàng hoá thiết bị tăng cao. Ở các nước đang phát triển, đặc biệt là các quốc gia tại châu Á, nhu cầu sử dụng xe gắn máy ngày càng tăng. Sự tiện dụng, cơ động cũng như giá thành giúp người dân dễ dàng sở hữu một phương tiện cá nhân riêng biệt cho nhu cầu di chuyển.
Không nằm ngoài quy luật phát triển của châu Á, ở nước ta hiện nay xe máy là phương tiện chiếm đa số trong giao thông đường bộ. Bởi sự phù hợp của phương tiện này trong đi lại, lao động sản xuất của người dân. Sự gia tăng nhanh về số lượng xe máy ở nước ta bên cạnh những ưu điểm mà phương tiện này đem tới thì không ít những vấn đề lo ngại. Một trong những vấn đề đó là sự ô nhiễm môi trường do một lượng khí xả lớn thải ra từ động cơ xe máy.
Động cơ xe máy thải ra một lượng khí thải lớn gây ô nhiễm môi trường sống, gây ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính. Lượng khí thải này ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người, khói bụi nơi thành phố lớn do số lượng xe máy lớn. Một vấn đề nữa là hiện nay hiệu suất trên động cơ đốt trong là chưa cao, quá trình hoà trộn và cháy chưa hoàn thiện nên chưa tạo ra công suất tối ưu. Thế giới chúng ta đang lo ngại về vấn đề cạn kiệt HVTH: Đặng Như Phúc 3 MSHV: 1820509 Luận văn cao học GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng nguồn nhiên liệu hoá thạch cũng như phương hướng tìm nguồn nhiên liệu thay thế.
Động cơ đốt trong hiện nay thì có hiệu suất thấp và chưa tiết kiệm nhiên liệu tối ưu, vẫn còn một phần nhiên liệu cháy chưa sạch thải ra môi trường, gây tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm. Trước khi tìm ra nguồn nhiên liệu mới thì vấn đề nghiên cứu cải tiến động cơ đốt trong nhằm mục đích nâng cao hiệu suất và giảm tiêu hao nhiên liệu mang tính chất cấp thiết. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: 1.1 Nghiên cứu trong nước Trần Xuân Dung [1] đã nghiên cứu mô phỏng đặc tính động cơ xăng đề xuất biện pháp tăng hiệu suất. Đề tài được thực hiện mô phỏng trên động cơ Toyota 1 NZ – FE.
Xây dựng cơ sở lý thuyết các đặc tính của động cơ và mô hình toán cho việc mô phỏng các quá trình của động cơ. Trên cơ sở đó nghiên cứu hệ thống VVT-i việc thay đổi thời điểm đóng mở xu-páp đến khả năng cải tiến hiệu suất động cơ. Qua nghiên cứu cho thấy việc thay đổi thời điểm đóng mở xu-páp ảnh hưởng đến công suất động cơ. Làm tối ưu hoá quá trình cháy, giảm được lượng khí thải động cơ và nâng cao được công suất.
Tạo một cơ sở lý thuyết tin cậy cho việc nghiên cứu đặc tính động cơ xăng, mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab/Simulink. Lê Thanh Quang [2] đã nghiên cứu, đề xuất biện pháp nâng cao hiệu suất động cơ xe máy thông qua mô phỏng. Đề tài được thực hiện mô phỏng trên động cơ xe máy 125 cc. Sử dụng phần mềm Catia xây dựng mô hình hình học dùng trong mô phỏng quá trình cháy của động cơ đốt trong đánh lửa 4 kỳ 1 xy-lanh với các góc nghiêng cổ nạp khí khác nhau (từ 15o đến 45o với gia số là 5o).
Dùng phần mềm Ansys Fluent (với mô-đun ICE đặc trưng cho phân tích động cơ đốt trong) mô phỏng cải tiến hệ thống nạp HVTH: Đặng Như Phúc 4 MSHV: 1820509 Luận văn cao học GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng thông qua các hệ số xoáy lốc dọc (Tumble) và xoáy lốc ngang (Swirl) tương ứng với các trường hợp khác nhau. Qua nghiên cứu cho thấy ở góc nghiêng của cổ nạp 300 có hệ số xoáy lốc dọc (Tumble) và xoáy lốc ngang (Swirl) là tối ưu nhất. Đồng thời, đặc tính công suất, mô-men xoắn của động cơ có hệ thống nạp cải tiến (góc nghiêng 300) là cao nhất, trong khi suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ là thấp nhất so với các trường hợp khác. Nguyễn Phụ Thượng Lưu và Nguyễn Thành Nhân [3] đã nghiên cứu đặc tính dòng chảy không khí nạp trong động cơ dựa trên mô phỏng CFD.
Bài báo này trình bày nghiên cứu quá trình nạp của động cơ xăng bằng phương pháp mô phỏng số sử dụng chương trình mô phỏng AVL-Fire từ thời diểm pít-tông ở điểm chết trên đến khi đóng van nạp hoàn toàn (220o CA) để xem xét đặc tính của dòng khí nạp trong xy-lanh. Mô hình rối k-e tiêu chuẩn, cho sự xác định vận tốc, áp suất tại các vùng thể tích số cùng với những điều kiện dòng chảy nhớt, không đều của lưu chất nạp được áp dụng trong suốt quá trình mô phỏng. Nghiên cứu thể hiện rằng, thông qua phương pháp mô phỏng cho quá trình nạp động cơ, đặc tính của khí nạp thể hiện một cách trực quan và có ý nghĩa cao trong công tác nghiên cứu, tìm hiểu ứng xử phức tạp của khí nạp. Sự hình thành của những vùng xoáy lốc ngang (Swirl) và sự xoáy lốc dọc (Tumble) của khí nạp bởi ảnh hưởng của van nạp lên đặc tính dòng khí nạp.