TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT T.P HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ Ô TÔ
TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP
TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN
LIỆU KÉP HYDROGEN-XĂNG GVHD : Th.S. Võ Xuân Thành
SVTH : Nguyễn Bùi Tính 10905075 TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 12/2014
Bộ Giáo Dục và Đào Tạo Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Khoa Cơ Khí Động Lực
NHIỆM VỤ TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:
TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP
HYDROGEN-XĂNG
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
Tp.HCM, ngày tháng năm 2014
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
Tp.HCM, ngày tháng năm 2014
GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU………………………………………………………….…………1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU……………………………………………….…………1
PHẦN NỘI DUNG……………………………………………………….…………5
CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ XĂNG…………………………………………….…… 5
1.1. Nguyên lý hoạt động của động cơ xăng 4 kỳ kiểu piston………….……… 6
1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ xăng 2 kỳ kiểu piston….…….………… 8
1.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ Wankel………………………….………10
CHƯƠNG 2: NHIÊN LIỆU HYDROGEN-XĂNG…………………… ……… 11
2.1. Xăng……………………………………………………………………… 11
2.2. Hydrogen……………………………………………………………………11
2.3. Hỗn hợp nhiên liệu Hydrogen-xăng……………………………………… 13
CHƯƠNG 3: ĐỘNG CƠ NHIÊN LIỆU KÉP HYDROGEN-XĂNG……… … 14
3.1. Hệ thống phân phối nhiên liệu…………………………………………… 15
3.1.1. Bộ chế hòa khí……………………………………………………… 15
3.1.2. Phun nhiên liệu trên đường ống nạp……………………………… 16
3.1.3. Phun nhiên liệu trực tiếp…………………………………………… 19
3.2. Các thông số quan trọng của động cơ Hydrogen-xăng…………………… 21
3.2.1. Momen xoắn………………………………………………………….21
3.2.2. Năng lượng phanh……………………………………… ………… 21
3.2.3. Tiêu thụ nhiên liệu……………………………… ………………….22
3.2.4. Hiệu suất nhiệt…………………………………………………… 23
3.2.5. Tốc độ sinh nhiệt…………………………………………………… 23
3.2.6. Tốc độ gia tăng áp suất……………………………………………….24
3.2.7. Áp suất nén……………………………………………………… …24
sự gián đoạn nguồn cung.
Hình 1: Dân số thế giới 1950-2050
3 Nhanh chóng làm cạn kiệt nguồn dầu mỏ dự trữ và giảm chất lượng không khí
đặt ra câu hỏi về tương lai, cùng với nhận thức của thế giới để tích cực bảo vệ môi
trường thì việc tìm kiếm các giải pháp thay thế cho nhiên liệu xăng dầu đã và đang
được tiến hành. Nhiên liệu thay thế như CNG, HCNG, LPG, LNG, bio-diesel, khí
sinh học, hydrogen, ethanol, methanol, di-methyl ether, khí sản xuất đã được thử
nghiệm trên toàn thế giới. Nhiên liệu thay thế có nguồn gốc từ các nguồn khác ngoài
dầu khí. Lợi ích của các loại nhiên liệu này là chúng sinh ra các chất ô nhiễm môi
trường ít hơn so với xăng dầu và hầu hết trong số đó có nhiều khả thi về mặt kinh tế
so với xăng dầu và có thể tái tạo. Hình 3 cho thấy tỷ lệ phần trăm của các loại nhiên
liệu thay thế, sử dụng theo tổng mức tiêu thụ nhiên liệu ô tô trong thế giới như là một
cái nhìn tương lai.
Hình 2: Tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch 1983 – 2008
4
6
1.1. Nguyên lý hoạt động của động cơ xăng 4 kỳ kiểu piston Hình 4: Nguyên lý làm việc của động cơ xăng 4 kỳ
Đối với động cơ 4 kỳ, để hoàn thành một chu trình công tác piston động cơ phải
thực hiện 4 hành trình tương ứng với các quá trình xảy ra trong xy lanh lần lượt: nạp,
nén, cháy giãn nở và thải. Trong đó công có ích chỉ do quá trình cháy giãn nở sinh ra.
1.1.1. Kỳ nạp
Là quá trình nạp hòa khí mới vào lòng xy lanh động cơ.
Vào đầu kỳ nạp, piston ở vị trí điểm chết trên. Toàn bộ thể tích buồng cháy chứa
đầy sản vật cháy do hành trình trước để lại với áp suất cao hơn áp suất khí trời, áp suất
này gọi là áp suất khí sót. Khi trục khuỷu quay theo chiều mũi tên, thông qua thanh
truyền làm cho piston dịch chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, cơ cấu
phân phối khí điều khiển supap nạp mở thông đường ống nạp với không gian trong
xy lanh.
Với chuyển động đi xuống của piston, độ chân không trong xy lanh hình thành
làm cho áp suất trong long xy lanh nhỏ hơn áp suất trên đường ống nạp. Mức độ chênh
lệch áp suất này khoảng 0,01-0,03 MPa, tạo nên quá trình nạp môi chất mới từ đường
ống nạp vào xy lanh.
1.1.2. Kỳ nén
7
Piston di chuyển từ điểm chết dưới lên điểm chết trên, cơ cấu phân phối khí điều
khiển supap nạp và thải đóng lại, môi chất được nén trong xy lanh. Vào cuối quá trình
nạp, khi piston ở vị trị điểm chết dưới áp suất trong xy lanh còn nhỏ hơn áp suất trên
đường ống nạp. Tận dụng điều này, để hoàn thiện quá trình nạp, cơ cấu phân phối khí
điều khiển supap nạp đóng muộn sau khi piston qua khỏi điểm chết dưới. Việc đóng
Nhận xét:
- Chu trình công tác được hoàn thành trong 4 hành trình của piston hay trong
2 vòng quay của trục khuỷu.
- Trong 4 kỳ thì chỉ có kỳ cháy giãn nở là kỳ sinh công, các kỳ còn lại thực
hiện được là nhờ quán tính quay của bánh đà và các chi tiết chuyển động
hoặc nhờ công của các xy lanh khác đối với động cơ nhiều xy lanh.
Đối với động cơ 4 kỳ, để nâng cao được công suất và hiệu suất của động cơ phải
bảo đảm được 2 điều sau: Thải càng sạch và nạp càng nhiều. Điều này được thực hiện
bằng cách phối hợp mở sớm và đóng muộn các supap nạp, supap thải hình thành nên
quy luật phối khí nhất định tùy thuộc vào từng loại động cơ.
1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ xăng 2 kỳ kiểu piston Hình 5: Nguyên lý làm việc của động cơ xăng 2 kỳ
Trong động cơ 2 kỳ, để hoàn thành một chu trình công tác piston thực hiện hai
hành trình và trục khuỷu động cơ phải quay 1 vòng. Khác với động cơ 4 kỳ, trên động
cơ 2 kỳ quá trình thay đổi môi chất công tác được thực hiện khi piston ở lân cận điểm
9
chết trên, không có quá trình xả và nạp riêng biệt. Khi đó việc thải sản vật cháy ra
khỏi xy lanh động cơ được thực hiện nhờ hòa khí được nén trước tới một áp suất nhất
định, không nhờ vào sức đẩy cưỡng bức của piston như động cơ 4 kỳ. Chính vì điều
này đã làm cho quá trình thay đổi môi chất của động cơ 2 kỳ xảy ra tổn thất do môi
chất mới chưa tham gia vào quá trình cháy cùng với khí xả đi ra ngoài theo đường
ống thải.
Trên động cơ 2 kỳ, người ta dung máy nén khí đặt bên ngoài động cơ hoặc dung
không gian cacte kết hợp với cơ cấu piston trục khuỷu thanh truyền để làm bơm quét
khí.
khuỷu, thanh truyền làm bơm quét khí thì không gian này phải đảm bảo độ
kín khít tốt để động cơ có thể làm việc bình thường.
1.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ Wankel
Hình 6: Nguyên lý làm việc của động cơ Wankel
Động cơ Wankel được phát triển bởi một nhà phát minh người Đức tên là Felix
Wankel vào năm 1920. Phát minh đầu tiên của ông về động cơ Wankel được công
nhận vào năm 1936. Đến năm 1950, khi ông cộng tác với các nhà máy sản xuất ô tô
của Đức thì động cơ này được phát triển hoàn chỉnh và được lắp trên xe motor.
Trong quá trình làm việc piston của động cơ chuyển động quay, các đỉnh của nó
quét quanh thành của xy lanh có dạng đường cong.
Động cơ Wankel có piston hình tam giác, chuyển động hành tinh quanh bánh
rang trung gian. Mỗi cạnh của rotor tương ứng với một piston của động cơ một xy
lanh. Các đỉnh của rotor luôn luôn tiếp xúc với thành xy lanh có dạng đường cong.
Động cơ Wankel truyền công suất ra ngoài bằng một trục có bánh lệch tâm lắp trong
lòng của rotor tam giác.
11
CHƯƠNG 2: NHIÊN LIỆU HYDROGEN-XĂNG SỬ DỤNG
TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.1. Xăng
Xăng là một loại dung dịch chứa Hyđrocacbon, dễ bay hơi, dễ bốc cháy, được
chưng cất từ dầu mỏ. Xăng được chế biến từ dầu mỏ bằng phương pháp chưng cất
trực tiếp và Cracking, có tỷ trọng d15= từ 0.07 đến 0.75, dễ bay hơi, dễ cháy, có mùi
đặc trưng, nhiệt độ sôi từ 35-200 °C. Xăng động cơ được dùng làm nhiên liệu cho
động cơ đốt trong.
Để đảm bảo động cơ hoạt động bình thường, xăng phải đạt được những yêu
cầu về chất lượng dưới đây:
hoặc khí hóa sinh khối và nhiệt phân; Điện phân nước, phương pháp này dùng dòng
điện để tách nước thành khí hydrogen và oxygen và phương pháp sinh học.
Về cơ bản có các phương thức lưu trữ hydrogen như: Lưu chứa hydrogen trong
các bình khí nén áp suất cao: Các bình áp suất chứa khí nén thường làm bằng thép nên
rất nặng và cồng kềnh, ngày nay các bình áp suất được làm từ những vật liệu
composite nhẹ hơn nhiều. Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng: Hạ nhiệt độ
xuống dưới 200K hay âm 2350C để hydrogen tồn tại ở thể lỏng, phương pháp
này thích hợp với các ứng dụng di động dùng trên các phương tiện giao thông. Nhược
điểm của quá trình hóa lỏng hydrogen tiêu tốn khá nhiều năng lượng (khoảng 30%).
Tuy nhiên, ưu điểm của việc lưu trữ hydrogen dưới dạng lỏng là tốn ít không gian
nhất, do hydrogen có tỉ trọng năng lượng theo thể tích cao.
Lưu chứa hydrogen trong hợp chất khác: Lưu chứa hydrogen nhờ hấp thụ hóa
học, lưu chứa hydrogen trong các hydrua kim loại (metal hydride); Lưu chứa
hydrogen trong ống carbon nano rỗng (hiện nay công nghệ này đang được quan tâm
nghiên cứu rất nhiều trên thế giới. Ứng dụng cho các pin nhiên liệu di động và nhỏ
gọn như máy tính xách tay, máy ảnh, điện thoại di động…).
Ngoài ra, còn một phương pháp lưu trữ hydrogen khác đó là nghiên cứu của các
nhà khoa học của Trường Bách khoa Liên bang Lausanne (Ecole Polytechnique
Fédérale de Lausanne) của Thụy Sỹ đã khám phá ra rằng: Chuyển đổi hydrogen thành
axit formic sẽ giúp khâu vận chuyển và lưu trữ trở nên dễ dàng hơn và an toàn hơn.
Đồng thời axit formic có thể giải phóng liên tục những lượng khí hydro đủ để chuyển
hóa thành điện năng đáp ứng nhu cầu về điện cho người sử dụng, đây thực sự là một
giải pháp lý tưởng thuận tiện trong quá trình lưu trữ, phân phối và sử dụng.
Đặc tính của Hydrogen:
- Giới hạn cháy rộng: từ 4%-75%, nghĩa là hỗn hợp hydrogen rất dễ cháy, do
đó có thể mở cánh bướm ga rộng để không khí nạp vào càng nhiều càng tốt
mà không sợ mất cân bằng hóa học.
- Năng lượng đánh lửa thấp: chỉ cần một năng lượng 0,02 mJ để đánh lửa
cháy hỗn hợp Hydrogen.
14
CHƯƠNG 3: ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP
HYDROGEN-XĂNG
Có một số tính chất đặc biệt của hydro mà làm cho nó khá tốt phù hợp với nguyên
tắc, để ứng dụng làm nhiên liệu động cơ. Khả năng phân tán cao, chỉ số octan cao
cùng với tốc độ cháy cao là mốt số ưu điểm của hydrogen so với các loại nhiên liệu
khác. Do sự phân tán cao của hydrogen mà hỗn hợp nhiên liệu rất loãng nhưng vẫn
đạt được trạng thái cân bằng hóa học để quá trình cháy diễn ra hiệu quả.
Tất nhiên, việc đốt cháy nhiên liệu loãng và tốc độ cháy rất nhanh sẽ sinh ra
năng lượng thấp hơn so với một động cơ xăng cùng kích thước.
Một trong những tính năng quan trọng nhất của động cơ sử dụng nhiên liệu
hydrogen-xăng là lượng khí thải độc hại sinh ra ít hơn so với các động cơ sử dụng loại
nhiên liệu khác.
Để cải thiện hiệu suất động cơ, tính kinh tế nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi
trường thì việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu hydrogen-xăng trong động cơ đốt trong là
một hướng đi khả quan nhưng vẫn còn nhiều thách thức đang cần giải quyết.
Bộ hòa trộn kiểu họng Venturi được sử dụng phổ biến cho tất cả những
loại nhiên liệu khí vì việc hòa trộn đơn giản, phù hợp đối với nhiên liệu khí.
Vì vậy kết cấu của hệ thống cung cấp sử dụng bộ hòa trộn sẽ đơn giản làm cho
giá thành rẻ.
3.1.2. Phun nhiên liệu trong đường ống nạp
Trong hệ thống phun nhiên liệu trong đường ống nạp, động cơ được cung cấp
nhiên liệu bởi một hệ thống phun nhiên liệu tuần tự, nhiên liệu được phun vào đường
nạp sau các supap nạp bằng các cơ cấu điều khiển bằng cơ khí hay điện tử không nhờ
17
độ chân không tại họng khuếch tán như chế hòa khí. Đối với hệ thống phun xăng điều
khiển điện tử, lượng phun lệ thuộc vào lượng khí nạp, nhiệt độ khí nạp, tốc độ động
cơ, vị trí bướm ga, và các điều kiện quan trọng khác. Máy tính sẽ điều khiển lượng
phun thích hợp nhất vào động cơ để tạo hỗn hợp tối ưu đáp ứng mọi chế độ làm việc
động cơ. Giúp động cơ phát huy công suất, hiệu suất và giảm ô nhiễm.
Hình 10: Hệ thống phân phối nhiên liệu hydrogen-xăng bằng phương pháp phun
nhiên liệu trên đường ống nạp
Hình 11: Hệ thống phân phối nhiên liệu hydrogen bằng phương pháp phun nhiên
liệu trên đường ống nạp
18
Nhiên liệu Hydrogen được nén trong bình chứa với áp suất 200 bar. Khi bật khoá
điện khởi động động cơ, dòng điện qua cuộn dây sinh ra một từ tính làm van điện từ
mở ra cho Hydrogen nén từ bình chứa đến bộ giảm áp. Tại bộ giảm áp, áp suất nhiên
liệu được giảm xuống giá trị làm việc, sau đó nhiên liệu qua bộ lọc áp suất thấp trước
khi dẫn đến vòi phun. Vòi phun được bộ vi xử lý điều khiển một cách tự động, thời
gian phun được điều khiển tương ứng tỷ lệ với phần trăm vị trí tay ga thông qua cảm
biến vị trí bướm ga. Hệ thống phun Hydrogen trên đường nạp bao gồm các hệ thống
19
trong đường ống nạp do tốc độ lan truyền màng lửa nhanh của Hydrogen khi supap
nạp mở sớm.
3.1.3. Phun nhiên liệu trực tiếp
Nhiên liệu được cung cấp bởi hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp tuần tự, nhiên
liệu được bơm trực tiếp vào buồng đốt. Trên động cơ phun nhiên liệu trực tiếp, kết
cấu buồng cháy, đường ống nạp thải và quá trình phun được thực hiện tốt nhờ hệ
thống kim phun áp suất cao. Hỗn hợp nhiên liệu có độ đậm đặc tốt xếp thành từng lớp
ngay ở điện cực bugi. Ngoài ra do đặc điểm ưu việt về kết cấu đường ống nạp thải
làm nâng cao hệ số nạp và tạo điều kiện cho hòa khí hình thành đều hơn. Kết quả là
quá trình cháy được thực hiện với sự hình thành hỗn hợp rất loãng, nâng cao công
suất, hiệu suất, giảm nhiên liệu, giảm ô nhiễm.
Hình 12: Hệ thống phân phối nhiên liệu xăng bằng phương pháp phun nhiên liệu
trực tiếp
Copyright: Tài liệu đại học ©