KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn
Công ty TNHH Hệ Sinh Học
62 KHAI THÁC
HỆ ĐỘNG LỰC CHƯƠNG III:
CƠ SỞ KHAI THÁC
ĐIÈU KHIỂN CẤP NHIÊN LIỆU VÀ KIỂM
SOÁT QUÁ TRÌNH CHÁY Ở ĐỘNG CƠ
XĂNG VÀ DIESEL 63
CHƯƠNG III: ĐIỀU KHIỂN CẤP NHIÊN
LIỆU VÀ CHÁY Ở ĐỘNG CƠ
3.1 Cơ sở vận hành khai thác động cơ
3.1.1 Công suất chỉ thị, công suất có ích
Các quá trình hút, nén, nổ-giãn nở, xả của động cơ bốn kỳ
được tiến hành trong hai vòng quay trục khuỷu tương ứng với bốn
hành trình chuyển động lên xuống của piston trong xi lanh. Các quá
trình trao đổi khí, nén, nổ-giãn nở của động cơ hai kỳ thực hiện trong
một vòng quay trục khuỷu với đặc điểm khác biệt so với động cơ
bốn kỳ là không dành trọn vẹn hành trình chuyển động của piston
riêng cho từng quá trình. Hình 3.1 thể hiện rõ các quá trình động cơ
trộn trước còn ở động cơ diesel thì nhiên liệu được phun buồng đốt
chứa không khí áp suất cao, nhiệt độ cao và tự cháy. Hình 4.1 sơ đồ nguyên lý động cơ bốn kỳ 65
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý động cơ diesel hai kỳ quét vòng.
KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn
Công ty TNHH Hệ Sinh Học
66
Ở động cơ diesel không tăng áp hoặc loại động cơ tăng áp cơ
giới do động cơ truyền động, khi động cơ làm việc theo đặc tính tốc
độ, lượng nhiên liệu và không khí cấp vào cho động cơ tỷ lệ với mô
men của động cơ. Khi động cơ diesel này làm việc theo đặc tính tải
(vòng quay không đổi), chỉ có lượng nhiên liệu tỷ lệ với mô men
động cơ, còn lượng không khí cấp vào động cơ gần như không đổi
theo thời gian.
Với động cơ diesel tăng áp turbine khí xả thì lượng nhiên liệu
và lượng không khí cấp vào cho động cơ đều quan hệ với mô men
động cơ. Tuy nhiên việc điều khiển động cơ chỉ quan hệ với lượng
Hình 3.3 Hình ảnh động cơ diesel hai kỳ cỡ lớn quét thẳng
Công cơ học nói trên ứng với mỗi chu trình còn gọi là công
chu trình phụ thuộc vào diện tích chu trình như trên hình 3.4 thể hiện
dành cho động cơ 4 kỳ và hình 3.4 thể hiện dành cho động cơ 2 kỳ.
Hình 3.4 Chu trình động cơ bốn kỳ
KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn
Công ty TNHH Hệ Sinh Học
68
Giá trị w
i
có thể được quyết định bằng cách đo áp suất trong
xi lanh ở mỗi quá trình. Công chỉ thị riêng tính bằng J/cm
3
sẽ tương
đương với áp suất trung bình là
_
p
=10 bar ( =10
6
Pa). Khi thao tác
với động cơ bốn kỳ, việc đo phải tiến hành cho hai vòng quay
(720
0
gqtk) còn với động cơ hai kỳ thì chỉ tiến hành cho một vòng
quay (360
0
gqtk). Việc chuyển đổi mô men do cháy giãn nở thành mô
men quay động cơ theo góc quay trục khuỷu có thể được tiến hành từ
lr
sr
rl
αα α
=− +−−
3.3
Hình 3.5 Chu trình động cơ hai kỳ 69Ghi chú hình 3.6: S- hành trình piston, r- bán kinh tay quay
α
- góc trục khuỷu l- thanh truyền
Ở điểm chết trên, chúng ta có 0
α
= ,
()
0s
Và
Hình 3.6 Chuyển dịch piston- khuỷu trục
KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn
Công ty TNHH Hệ Sinh Học
70
()
2
22 4
2
2
3
2
2
2
2
cos sin sin
cos
1sin
rr
ds
ll
r
d
dt d dt d d
α
αω
ααα
== = = =
2 2
''
2 2
ds
d
ds ddsd ddsd d
as
dt dt d dt dt d dt dt
α
ααα
αα
== = = +
2
2'
2
.
p
p
a
=−
∑
3.7 71
Hành trình thứ j trong các xi lanh khác nhau được dịch pha đi
()
4
() 1
j
ssj
N
π
αα
=−−
, j=1,…M 3.8
Mô men cháy trung bình là _
i
C
p
P
T
_
2
22
2
ii
iS C
p
P
P
P
wV T
NN
π
ππ
ωπ
== ==
Do vậy, công chỉ thị đơn vị sẽ là:
2
.
i
i
S
P
w
NV
=
cho động cơ bốn kỳ 3.10
m
–tổn thất cơ giới, P
i
–công
suất chỉ thị.
Hiệu suất chỉ thị
i
η
và hiệu suất có ích
e
η
của động cơ:
4 kỳ:
'
.
11
2 2
iiS iS
i
ff f f ff
PwVN wV
mH m NH M mH M
η
== = 3.11
2 kỳ:
'
.
11
iiS iS
== = 3.12*
Ở đây
i
w -công chỉ thị riêng cho một đơn vị thể tích xi lanh [J/m
3
]
e
w -công có ích riêng cho một đơn vị thể tích xi lanh [J/m
3
]
P
i
– công suất chỉ thị [W]
P
e
– công suất có ích [W]
N – vòng quay động cơ [ vg/s]
f
m -lượng nhiên liẹu cấp cho mỗi xi lanh [kg]
'
f
m -Lưu lượng nhiên liệu cấp tính bằng [kg/s]
f
H
-nhiệt trị thấp của nhiên liệu [J/kg]
M – số xi lanh.
V
S
điều kiện áp suất bình thường p
0
=1.013 bar và khối lượng riêng
3
0
1.29 /kg m
ρ
= được thể hiện theo công thức:
,0ath S
mV
ρ
= .
Tỷ số giữa giá trị thực và lý thuyết được gọi là lượng cấp không khí
tương đối:
,
a
a
ath
m
m
λ
= 3.13
Tương tự, tỷ số lượng nhiên liệu thực m
f
với lượng nhiên liệu
lý thuyết m
f,th
được gọi là lượng cấp nhiên liệu tương đối:
=
= 14.66 3.15
Tỷ số không khí - nhiên liệu được xác định:
a
f
λ
λ
λ
= 3.16
Nó có thể được mở rộng thành:
,
,
1
afth
a
f
ath st f
mm
m
mm L m
λ
== 3.17
Trong điều kiện cháy lý tưởng, tỷ số 1
λ
= .
Tỷ số không khí-nhiên liệu có ảnh hưởng đến công có ích w
e
có màu vàng đặc trưng. Muội than được tạo ra. 75
-Ngọn lửa khởi đầu cháy từ một vị trí.
Quá trình hình thành ngọn lửa phụ thuộc vào áp suất p, nhiệt
độ T, tỷ số nhiên liệu-không khí và năng lượng kích hoạt E của nhiên
liệu. Đối với
λ
<1 khí xả được tạo ra theo tỳ số nồng độ:
2
22
CO H O
CO H
nn
k
nn
= 3.20
Tỷ số này phụ thuộc nhiệt độ. Giá trị tiêu biểu k=3.6 khi
nhiệt độ T=1850
0
K.
Các phát thải gây ô nhiễm như CO, HC, NO
X
và monoxid
carbon CO.
λ
<1: phát Hydrocarbon HC và Carbon monoxide CO tăng
76
3.2.2 Định lượng nhiên liệu
Tỷ số nhiên liệu-không khí là biến quan trọng điều chỉnh
lượng cấp nhiên liệu trên các cơ sở điều khiển khác nhau:
Hỗn hợp “giàu”
λ
<1: Công suất trên đơn vị thể tích cực đại
do lượng cấp nhiên liệu tương đối
f
λ
tăng lên. Trước 1970 cơ sở
này được sử dụng cho các tải động cơ cao. Ngày nay nó chỉ được sử
dụng khi khởi động động cơ ở trạng thái nguội lạnh. Đặc điểm của
nó là mức phát thải cao.
Hỗn hợp tiêu chuẩn
λ
=1: Công suất chấp nhận được. Tỷ số
này được yêu cầu dành cho khai thác các bộ biến đổi xúc tác three-
way. Tại tải cao, có sự phù hợp tốt giữa công suất phát ra và phát
thải khí xả.
Hỗn hợp tương đối “nghèo”
11.5
λ
<<
: Hiệu suất cao
do tăng lượng cấp khí tương đối
a
λ
, nhưng có phát thải NO
khiển hoặc là lượng cung cấp không khí tương đối qua góc quay
bướm ga của động cơ đánh lửa cưỡng bức hoặc lượng cấp nhiên liệu
tương đối
f
λ
ở động cơ diesel. Lượng nhiên liệu hỗn hợp với không
khí được điều chỉnh bởi hệ thống điều khiển nhiên liệu để có tỷ số
không khí – nhiên liệu
λ
định trước. Có hai hệ thống phun nhiên
liệu khác nhau
1. Phun nhiên liệu ống góp: Nhiên liệu được phun vào các
ống nạp riêng biệt trước cửa nạp. Có ít nhất một súp páp nạp cho mỗi
xi lanh. Có thể xảy ra các vấn đề ở chế độ chạy không tải là do sự
bay hơi không hoàn toàn vì tốc độ dòng khí lưu động vào xi lanh
thấp. Thêm vào nữa, sự phân bố lưu động khí vào các ống khác nhau
có thể thay đổi. Lượng phun nhiên liệu ít chính xác hơn khi ở chế độ
không tải do định thời các vòi phun phun điện tử: sai số do thời điểm
nâng hay hạ khác nhau có ảnh hưởng lớn hơn về lượng phun nhiên
liệu tại thời gian phun nhỏ. Ưu điểm của phun nhiên liệu vào khoang
góp là tạo phân bố đồng thể nhiên liệu trong xi lanh khi
λ
=1. Điều
này tạo ra sự cháy ngọn lửa màu xanh. Trong thực tế có một số hạn
chế đối với việc thiết kế các ống nạp. Sự trao đổi khí có thể được tối
ưu không làm ảnh hưởng lớn đến hệ thống phun nhiên liệu là do vị
trí của nó là ở súp páp nạp. Các ống nạp được thiết kế để tạo ra các
cộng hưởng sóng âm ở tốc độ thấp của động cơ. Điều này làm tăng
lượng cấp không khí tương đối
a
cháy tới khi đánh lửa. Việc phun liên tiếp theo sau đó tạo ra hỗn hợp
phân bố theo lớp dày đặc, hỗn hợp này sẽ cháy nhanh chóng có ít sự
khác biệt giữa từng chu kỳ. Nếu lượng nhiên liệu phun phân lớp
giảm, nhiệt độ cực đại trong buồng cháy cũng giảm xuống. Sự cháy
có đặc điểm là hỗn hợp đồng thể “nghèo” được tạo ra trước sẽ cháy
sau đó. Vì hỗn hợp rất “nghèo”, thời gian cháy sẽ tương đối dài nên
sẽ hạn chế tốc độ cực đại cho phép của động cơ. Trong quá trình
cháy nhiên liệu phun phân lớp, muội than được tạo ra. Khi hỗn hợp
đồng thể cháy có ngọn lửa màu xanh thì điều này có thể được giảm
đi một cách hiệu quả.
Tổng lượng nhiên liệu phun phụ thuộc vào các tham số sau:
-lưu lượng không khí được hút tự nhiên theo thời gian
'
a
m
-áp suất khoang góp đường nạp ở động cơ đánh lửa cưỡng
bức
m
p
-góc nghiêng bướm ga và tốc độ mở của nó ở động cơ đánh
lửa cưỡng bức.
-tốc độ động cơ cơ N
-góc quay trục khuỷu
α
và tín hiệu điểm chết trên của xi
lanh làm chuẩn
-nhiệt độ động cơ T
e
-nhiệt độ môi trường T
-Sự bù về động học khoang góp nạp ở động cơ đánh lửa
cưỡng bức.
-Sự bù động học màng nhiên liệu khi phun nhiên liệu vào
khoang góp nạp. Hiện tượng này cũng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ.
-Nhiên liệu ngắt khi xuống dốc. Điều này làm giảm tiêu thụ
nhiên liệu khoảng 5%.
-Lưu lượng không khí đo được được hiệu chỉnh lần cuối đối
với các thay đổi của nhiệt độ không khí môi trường T
a
và áp suất môi
trường p
0
.
-Điều khiển tốc độ không tải động cơ.
-Ngừng cấp nhiên liệu giới hạn tốc độ động cơ cực đại
-Điều khiển lambda của tỷ số không khí-nhiên liệu.
-Điều khiển tái tuần hoàn khí xả.
3.2.3 Phun nhiên liệu gián đoạn
Phun nhiên liệu gián đoạn đã trờ nên kinh tế hơn so với phun
nhiên liệu liên tục, do yêu các độ chính xác khác nhau được yêu cầu
trong các hệ thống đó. Công suất của động cơ thay đổi trong một
khoảng rộng. Tỷ số giữa công suất chạy nhỏ nhất P
min
và công suất
cực đại P
max
là 1:100
KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn
Công ty TNHH Hệ Sinh Học
m
, sai số tương
đối của giá trị đo nhiên liệu mạch hở tại tải nhỏ là
'
'
min
m
m
∆
3.23
Điều này sẽ gây nên sai số tuyệt đối liên quan lưu lượng
nhiên liệu cực đại
'' ' '
4
min min
''' '
max max min max min
3.10
mm mP m
mmmPm
−
∆∆∆
==<
3.24
Do đó, sai số tuyệt đối tại lúc chạy không tải thấp hơn sai số
tương đối 100 lần. Khi thiết kế hệ thống phun nhiên liệu nên dùng
sai số tuyệt đối. Nó yêu cầu phải cực kỳ chính xác và tất nhiên, giá
cả, chi phí sản xuất cao là tất nhiên.
Có thể tiến hành phun nhiên liệu vào xi lanh theo cách khác
nghĩa là lớn hơn 10 lần. Các hệ thống phun nhiên liệu gián
đoạn có thể được thực hiện với các yêu cầu độ chính xác thấp hơn so
với kiểu cấp nhiên liệu liên tục và do vậy chi phí sản xuất sẽ giảm
hơn.
3.2.4 Mô hình hóa hệ thống điều khiển động cơ xăng
Để bạn đọc dễ hình dung quá trình điều khiển động cơ xăng
và có điều kiện tự mình kiểm tra một vài đặc tính quan trọng ở của
hệ thống điều khiển động cơ xăng, chúng tôi xin giới thiệu mô phỏng
hệ thống cấp nhiên liệu cho phép chạy trên máy tính có cài đặt trên
MATLAB. Bạn đọc có thể tự mình điều chỉnh một số tham số trong
mô hình máy tính này để có kết quả mong muốn mà không cần dùng
mô hình thí nghiệm.
Ví dụ này thể hiện mô hình động cơ đánh lửa cưỡng bức 4 xi
lanh và trình bày các khả năng mô phỏng đối với mô hình động cơ
đốt trong điều khiển công suất trục khuỷu ra qua bướm ga. Người ta
sử dụng các nguyên lý vật lý được xác định cẩn trọng để thể hiện
một cách thích hợp với quan hệ thực nghiệm mô tả đặc tính động học
hệ thống tránh sự phô diễn phức tạp không cần thiết.
1. Phân tích và bản chất vật lý
Ví dụ này mô tả nguyên lý và chi tiết quanh việc tạo dựng
các mô hình động cơ bằng kỹ thuật mô hình hóa mô phỏng cốt lõi.
Bằng mô phỏng này, các mô hình hệ thống phụ điều khiển thể hiện
sự biến đổi hỗn hợp không khí nhiên liệu từ khoang nạp vào xi lanh
qua các thời kỳ tương ứng khi súp páp được mở từng mức nhỏ một.
Điều này xảy ra đồng thời với các quá trình liên tục của lưu động
nạp khí, sinh mô men quay và gia tốc. Các mô hình này có thể được
dùng như các mô phỏng động cơ độc lập. Chúng có thể được dùng 83
= = lưu lượng khối lượng (g/s)
()
23
2.81 0.05231. 0.10299. 0.00063.f
θθθθ
=− + −
()
1
m
gP = nếu / 2
mamb
PP<
()
2
2
mmambm
amb
gP PP P
P
=− nếu
amb m amb
PPP≤≤
()
2
2
mmambamb
m
gP PP P
P
'''
maiao
m
RT
Pmm
V
=−
R- hằng số khí lý tưởng
T – nhiệt độ (K)
V
m
– thể tích khoang gió (m
3
)
'
ao
m -lưu lượng khối lượng của khí ra khỏi khoang góp (g/s)
'
ai
m -lưu lượng khối lượng của khí vào khoang góp (g/s)
'
m
P
-tốc độ thay đổi của áp suất khoang góp (bar/s)
4. Lưu lượng khối lượng khí nạp vào xi lanh
Lưu lượng khí nạp mô hình đưa vào xi lanh từ khoang góp
được mô tả theo phương trình 3 thuộc loại phương trình hình thành
từ thực nghiệm. Lưu lượng khối lượng này là hàm số của áp suất
khoang góp và tốc độ động cơ
lượng khí nạp, tỷ số hỗn hợp không khí/nhiên liệu, góc đánh lửa sớm
được sử dụng để tính mô men (xem phương trình 4).
Phương trình 4.
2
2
181.3 379.36. 21.91. 0.85. 0.26. 0.0028.
ea ii
AA
Tm
FF
αα
=− + + − + − +
22
0.027. 0.000107. 0.00048. . 2.55. . 0.05. ,
iiaia
NN Nmm
αα α
+− ++−
a
m - lượng không khí trong xi lanh dành cho sự cháy (g)
A
F
λ
= -tỷ số không khí /nhiên liệu;
i
α
ga’ và hệ thống phụ ‘khoang nạp’. Có thể Click chuột vào đối tượng
mở ‘bướm ga‘ và ‘khoang nạp’ để xem thành phần của chúng. Khi
Click vào từng đối tượng, thành phần phụ của chúng mở ra như ở
hình 3.30 cho thấy lưu lượng khí qua bướm ga quan hệ với góc
nghiêng bướm ga và áp suất. Hình 3.31 cho thấy quan hệ áp suất
Hình 3.28 Đáp ứng của tốc độ và độ mở bướm gió theo thời gian
Hình 3.29 Bướm ga và khoang nạp
KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn
Công ty TNHH Hệ Sinh Học
88
trong khoang với lưu lượng khí nạp. Vùng trong ống nạp hiện là
vùng áp suất chân không. Các mô hình mô phỏng dành cho hệ thống phụ bướm ga và
khoang gió được thể hiện trên hình 3.29 tới 3.32. Bướm ga có đặc
tính phi tuyến và được mô hình hóa thành hệ thống phụ có ba tín
hiệu vào. Mô phỏng dùng các khối chức năng thực hiện các phương
trình 1. Những khối chức năng này là cách thích hợp mô tả phương
Vung chan khong khoang nap
2
Ap suat khoang nap,
Pm (bar)
1
mdot
vao xi lanh
(g/s)
1
s
à á
p
suấ
t
Copyright: Tài liệu đại học ©