Giáo trình Hệ thống nhiên liệu động cơ ô tô (Trình độ Cao đẳng)

n: ThS. Trần Hoàng Luân Thành viên: ThS. Lê Văn Nghĩa ThS. Phạm Văn Tám ThS. Đoàn Văn Hai Lƣu hành nội bộ - Năm 2018 GIÁO TRÌNH HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ Ô TÔ GIỚI THIỆU VỀ MÔN HỌC 1. Vị trí: Môn học được thực hiện sau khi sinh viên đã học xong các môn học/mô đun thuộc khối kiến thức cơ sở ngành như: Cơ kỹ thuật, Vật liệu và công nghệ kim loại, Vẽ kỹ thuật, Dung sai lắp ghép và đo lường kỹ thuật, An toàn lao động, Thực tập nguội cơ bản ... Môn học này được bố trí giảng dạy ở học kỳ 2 năm thứ nhất của khóa học và có thể bố trí dạy song song với các môn học, mô đun sau: Điện kỹ thuật; Điện tử cơ bản; Nguyên lý chi tiết máy; khung gầm ô tô .. 2. Tính chất: Là môn học chuyên môn thực hành nghề rất quan trọng và là kiến thức trong kỳ thi tốt nghiệp. 3. Mục tiêu mô đun: a. Về kiến thức: ✓ Trình bày được cấu tạo và nguyên lý làm việc của các hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ đốt trong; ✓ Trình bày được cấu tạo và nguyên lý làm việc của các kết cấu, bộ phận trong hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ đốt trong; ✓ Đồng thời qua môn học này tạo điều kiện tốt nhất để sinh viên thực hành động cơ ở xưởng. b. Về kỹ năng: Kỹ năng cứng: Qua mô đun này, sinh viên có khả năng: ✓ Kỹ năng lắng nghe; kỹ năng làm việc nhóm; kỹ năng lập kế hoạch và tổ chức công việc; ✓ Kỹ năng tìm kiếm, tổng hợp, phân tích và đánh giá thông tin; ✓ Kỹ năng sử dụng công nghệ thông tin. Kỹ năng mềm: - Có khả năng giao tiếp xã hội, làm việc hiệu quả theo nhóm. - Có khả năng tự học, tự nghiên cứu và tiếp thu các thành tựu khoa học kỹ thuật nhằm nâng cao trình độ phù hợp với công việc, thích nghi với sự phát triển của xã hội. - Sử dụng tiếng Anh hiệu quả trong công việc. - Ứng dụng được các kiến thức thông dụng về công nghệ thông tin trong công tác. c. Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: - Có đạo đức nghề nghiệp, ý thức tổ chức kỷ luật lao động và tôn trọng nội quy của cơ quan, doanh nghiệp. - Ý thức cộng đồng và tác phong công nghiệp, trách nhiệm công dân, có thể làm việc theo nhóm và làm việc độc lập. - Có tinh thần cầu tiến, hợp tác và giúp đỡ đồng nghiệp. - Có lối sống lành mạnh, chân thành, khiêm tốn giản dị; Cẩn thận và trách nhiệm trong công việc; 4. Nội dung môn học. A. HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ XĂNG Chương 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Chương 2: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng điều khiển điện tử (EFI) B. HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL Chương 3: Hệ thống phun xăng trực tiếp (GDI) Chương 4: Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel điều khiển cơ khí Chương 5: Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel điều khiển điện tử C. HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI Chương 6: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng LPG Chương 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG LỜI NÓI ĐẦU Động cơ ô tô là nguồn động lực chính trên các phương tiện giao thông ngày nay. Hệ thống nhiên liệu động cơ ô tô là một trong những yếu tố quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến công suất và hiệu suất của động cơ. Để thiết kế, chế tạo, khai thác, bảo dưỡng và sử dụng một cách hiệu quả động cơ, người làm công tác kỹ thuật phải có những hiểu biết nền tảng về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các vấn đề lý thuyết liên quan đến hệ thống trên. Đặc biệt khi sự khan hiếm nhiên liệu sử dụng và sự ùn tắc giao thông gây ô nhiễm môi trường đang được quan tâm thì những kiến thức cơ bản về động cơ đốt trong luôn rất cần thiết. Đồng thời giáo trình này giới thiệu thêm các hệ thống nhiên liệu sử dụng các nhiên liệu mới nhằm đáp ứng được các vấn đề nêu trên. Giáo trình HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ Ô TÔ được biên soạn nhằm đáp ứng các yêu cầu trên. Giáo trình gồm có 15 chương, làm tài liệu học tập cho sinh viên hệ cao đẳng chính quy và làm tài liệu tham khảo cho sinh viên cùng nhóm ngành. A. HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ XĂNG Chương 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Chương 2: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng điều khiển điện tử (EFI) B. HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL Chương 3: Hệ thống phun xăng trực tiếp (GDI) Chương 4: Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel điều khiển cơ khí Chương 5: Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel điều khiển điện tử C. HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI Chương 6: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng LPG Chương 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Các tác giả chân thành cảm ơn thầy cô Khoa Kỹ Thuật ÔTô đã đóng góp những ý kiến có ích và khích lệ chúng tôi trong quá trình biên soạn giáo trình này. Tuy rất cố gắng nhưng giáo trình không tránh khỏi một số sai sót nhất định, kính mong quý đồng nghiệp và độc giả cho ý kiến để hoàn thiện hơn. Nhóm tác giả TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. Trang i LỜI NÓI ĐẦU Động cơ ô tô là nguồn động lực chính trên các phương tiện giao thông ngày nay. Hệ thống nhiên liệu động cơ ô tô là một trong những yếu tố quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến công suất và hiệu suất của động cơ. Để thiết kế, chế tạo, khai thác, bảo dưỡng và sử dụng một cách hiệu quả động cơ, người làm công tác kỹ thuật phải có những hiểu biết nền tảng về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các vấn đề lý thuyết liên quan đến hệ thống trên. Đặc biệt khi sự khan hiếm nhiên liệu sử dụng và sự ùn tắc giao thông gây ô nhiễm môi trường đang được quan tâm thì những kiến thức cơ bản về động cơ đốt trong luôn rất cần thiết. Đồng thời giáo trình này giới thiệu thêm các hệ thống nhiên liệu sử dụng các nhiên liệu mới nhằm đáp ứng được các vấn đề nêu trên. Giáo trình HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ Ô TÔ được biên soạn nhằm đáp ứng các yêu cầu trên. Giáo trình gồm có 15 chương, làm tài liệu học tập cho sinh viên hệ cao đẳng chính quy và làm tài liệu tham khảo cho sinh viên cùng nhóm ngành. A. HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ XĂNG Chương 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Chương 2: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng điều khiển điện tử (EFI) B. HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL Chương 3: Hệ thống phun xăng trực tiếp (GDI) Chương 4: Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel điều khiển cơ khí Chương 5: Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel điều khiển điện tử C. HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NGUỒN NĂNG LƢỢNG MỚI Chương 6: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng LPG Chương 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Các tác giả chân thành cảm ơn thầy cô Khoa Kỹ Thuật ÔTô đã đóng góp những ý kiến có ích và khích lệ chúng tôi trong quá trình biên soạn giáo trình này. Tuy rất cố gắng nhưng giáo trình không tránh khỏi một số sai sót nhất định, kính mong quý đồng nghiệp và độc giả cho ý kiến để hoàn thiện hơn. Các tác giả Trang ii MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Biên soạn giáo trình “Hệ thống nhiên liệu động cơ ô tô” phù hợp với chương trình đào tạo của nhà trường đã được phê duyệt. Nội dung giáo trình bám sát được chương trình đào tạo nhằm cung cấp cho sinh viên các kiến thức về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các hệ thống nhiên liệu được trang bị trên ô tô hiện nay, đồng thời giới thiệu một số hệ thống nhiên liệu sự dụng nguồn năng lượng sạch phù hợp với thực tiễn đang được áp dụng trên thực tế. Đây là môn học lý thuyết chuyên ngành, cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản phục vụ cho nghề nghiệp của sinh viên sau khi ra trường. Và đặc biệt là phù hợp với các máy móc, thiết bị được trang bị cho xưởng thực tập của khoa. Trang iii MỤC LỤC TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN ................................................................................. LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................... i MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ............................................................................................. ii MỤC LỤC ............................................................................................................ iii CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG .......................................................................................... viii DANH MỤC HÌNH............................................................................................. ix A. HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ XĂNG ........................ 1 Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí ........... 1 1.1. Nhiệm vụ – Yêu cầu – Phân loại ................................................................ 1 1.2. Hỗn hợp cháy trong động cơ xăng ............................................................. 3 1.3. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động ..................................................... 13 1.4. Các bộ phận chính trong hệ thống ........................................................... 13 1.5. Công tác bảo dưỡng - sửa chữa ............................................................... 34 Câu hỏi ôn tập ................................................................................................. 43 Chƣơng 2: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng điều khiển điện tử (EFI) ....... 44 2.1. Lịch sử phát triển của hệ thống phun xăng .............................................. 44 2.2. Hệ thống phun xăng điện tử EFI .............................................................. 45 2.3. Công tác bảo dưỡng sửa chữa ............................................................... 104 Câu hỏi ôn tập ............................................................................................... 121 Chƣơng 3: Hệ thống phun xăng trực tiếp (GDI) ........................................... 122 3.1. Giới thiệu hệ thống phun xăng trực tiếp GDI ........................................ 122 3.2. Kết cấu của hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ GDI ................ 134 3.3. Các loại kim phun trong động cơ GDI .................................................. 140 3.4. Các dạng buồng cháy trong động cơ GDI ............................................. 144 3.5. Quá trình hình thành hỗn hợp trong động cơ GDI ................................ 149 Câu hỏi ôn tập ............................................................................................... 157 Trang iv B. HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL ................. 158 Chƣơng 4: Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel điều khiển cơ khí ................ 158 4.1. Nhiệm vụ - Yêu cầu – Phân loại ............................................................. 157 4.2. Kết cấu và nguyên lý hoạt động ............................................................. 160 4.3. Các bộ phận trong hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ diesel .......... 166 4.4. Công tác bảo dưỡng sửa chữa ............................................................... 223 Câu hỏi ôn tập ............................................................................................... 242 Chƣơng 5: Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel điều khiển điện tử ............... 243 5.1. Lịch sử phát triển của hệ thống nhiên liệu diesel điện tử ...................... 243 5.2. Phân loại hệ thống nhiên liệu diesel điện tử .......................................... 245 5.3. Đặc điểm các hệ thống nhiên liệu diesel điện tử ................................... 247 5.4. Công tác bảo dưỡng sửa chữa ............................................................... 287 Câu hỏi ôn tập ............................................................................................... 296 C. HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NGUỒN NĂNG LƢỢNG MỚI ....................................................................................... 297 Chƣơng 6: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng LPG ........................... 297 6.1. Giới thiệu chung về nhiên liệu LPG ....................................................... 297 6.2. Sự hình thành hỗn hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng nhiên liệu LPG ......................................................................................................... 303 6.3. Nghiên cứu cải tạo động cơ sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng LPG ....... 306 6.4. Mô hình hệ thống sử dụng nhiên liệu PLG trên động cơ diesel/xăng.... 316 6.5. Hệ thống nhiên liệu động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng LPG .......... 317 Câu hỏi ôn tập ............................................................................................... 322 Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG ................................................ 323 7.1. Giới thiệu chung về nhiên liệu CNG ...................................................... 323 7.2. Hệ thống nhiên liệu động cơ DIESEL – CNG ....................................... 327 7.3. Chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ dùng nhiên liệu kép Diesel - CNG ....................................................................................................... 331 7.4. Quá trình cháy trong động cơ Diesel 4 kỳ sử dụng nhiên liệu CNG ..... 337 Trang v Câu hỏi ôn tập ............................................................................................... 345 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 346 Trang vi CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT I. CÁC TỪ TIẾNG VIỆT Từ viết tắt Ý nghĩa BCHK Bộ chế hòa khí. KK/NL không khí/nhiên liệu. BCA Bơm cao áp. BKLH Bơm kim liên hợp. HTNL Hệ thống nhiên liệu. II. CÁC TỪ TIẾNG ANH Từ viết tắt Ý nghĩa A/F Tỉ lệ không khí/nhiên liệu. A/C Điều hòa nhiệt độ. ATDC Sau điểm chết trên. BDC Điểm chết dưới. BTDC Trước điểm chết trên. CPU Bộ xử lý trung tâm. ECU Bộ điều khiển điện tử. EDU Bộ dẫn động bằng điện tử. EGR Hệ thống tuần hoàn khí xả. EFI, FI Hệ thống phun xăng điện tử. FSI Quá trình tạo hòa khí phân lớp. G Tín hiệu góc quay trục khuỷu GDI Hệ thống phun xăng trực tiếp. GM General Motor. MAFS Cảm biến khối lượng khí nạp. MAPS Cảm biến áp suất tuyệt đối khí nạp. MPI Hệ thống phun xăng đa điểm. Trang vii Từ viết tắt Ý nghĩa NE Tín hiệu tốc độ động cơ. ISC Điều khiển tốc độ không tải. PE Bơm cao áp gồm nhiều tổ bơm PF Bơm cao áp phân bơm riêng. PFI Hệ thống phun xăng trước xupáp nạp. SPI Hệ thống phun xăng đơn điểm. PLG Khí đốt hóa lỏng SCV Van điều khiển hút. SCV Van điều khiển hút. SPV Van điều khiển lượng phun (van xả áp). TCV Van điều khiển thời điểm phun. VRV Van điều chỉnh chân không. VSV Van chuyển mạch chân không. VVT Hệ thống phân phối khí cam biến thiên. VE Bơm cao áp kiểu phân phối Trang viii DANH MỤC BẢNG Bảng 5.1: Bảng triệu chứng hư hỏng và khoanh vùng sửa chữa ................................ 287 Bảng 6.1: Tính chất các cấu tử chính của LPG .......................................................... 298 Bảng 6.2: Hiệu suất thu hồi LPG từ các quá trình chế biến trong nhà máy lọc dầu. 300 Bảng 6.3: Lý tính của CNG và LPG ............................................................................ 304 Bảng 6.4: Chỉ số octance một số chất khí ................................................................... 304 Bảng 7.1: Thành phần của CNG ................................................................................. 326 Bảng 7.2: So sánh đặc tính của CNG với Xăng và Diesel .......................................... 326 Bảng 7.3: So sánh momen cực đại và hiệu suất của động cơ Diesel và CNG ............ 342 Bảng 7.4: Mức độ phát ô nhiễm của động cơ dùng CNG ........................................... 342 Bảng 7.5: So sánh mức độ phát sinh khí gây hiệu ứng nhà kính đối với động cơ dùng xăng, diesel và CNG (gCO2/Km), theo chu trình ECE ............................................... 343 Trang ix DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Phân loại theo kiểu họng khuyếch tán ............................................................ 2 Hình 1.2: Phân loại theo hướng hút của họng khuyếch tán ............................................ 2 Hình 1.3: Phân loại theo số họng khuyếch tán ............................................................... 3 Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu dùng BCHK ........................................................... 3 Hình 1.5: Phương pháp hình thành hỗn hợp phân lớp.................................................... 6 Hình 1.6: Các đặc tính điều chỉnh thành phần hòa khí ................................................... 8 Hình 1.7: Đặc tính lý tưởng của BCHK .......................................................................... 9 Hình 1.8. Các đặc tính của BCHK lý tưởng ở tốc độ khác nhau (n1>n2>n3>n4) ....... 10 Hình 1.9: Đặc tính nhiên liệu tiêu thụ ........................................................................... 12 Hình 1.10: Đặc tính công suất tại số vòng quay không đổi .......................................... 12 Hình 1.11:Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ BCHK ................................. 13 Hình 1.12: Cấu tạo thùng nhiên liệu ............................................................................. 14 Hình 1.13:Cấu tạo bầu lọc xăng ................................................................................... 14 Hình 1.14: Bầu lọc không khí. (1. Thân; 2.Lõi lọc; 3.Nắp) .......................................... 15 Hình 1.15: Bơm màng kiểu cơ khí ................................................................................. 15 Hình 1.16: Cấu tạo bơm màng kiểu điều khiển điện ..................................................... 16 Hình 1.17: Bơm điện kiểu rôto ...................................................................................... 17 Hình 1.18: Bộ chế hòa khí đơn giản .............................................................................. 18 Hình 1.19: Hệ thống phao và hệ thống điều khiển mở van kim .................................... 18 Hình 1.20: Hệ thống van kim điều khiển mức nhiên liệu trong buồng phao ................ 19 Hình 1.21: Vòi phun chính và lỗ hạn chế ...................................................................... 19 Hình 1.22: Ống khuyếch tán kiểu cố định và thay đổi .................................................. 20 Hình 1.23: Vị trí bướm ga ............................................................................................. 20 Hình 1.24:Buồng phao và ống thông khí ....................................................................... 20 Hình 1.25: Mạch khởi động và không tải ...................................................................... 22 Hình 1.26: Mạch chạy tốc độ thấp ................................................................................ 23 Hình 1.27: Cấu tạo mạch tăng tốc ................................................................................ 24 Hình 1.28: Cấu tạo mạch làm đậm ................................................................................ 25 Hình 1.29: Cơ cấu vòi phun chính và quá trình hoà trộn giữa xăng và không khí ....... 26 Trang x Hình 1.30: Cơ cấu hạn chế tốc độ tối đa....................................................................... 27 Hình 1.31: Các hệ thống của BCHK hai họng .............................................................. 28 Hình 1.32: Mạch tốc độ thấp sơ cấp và quá trình tạo hoà khí vị trí bướm ga đóng ..... 28 Hình 1.33: Mạch tốc độ thấp sơ cấp vị trí bướm ga hé mở .......................................... 29 Hình 1.34: Mạch tốc độ cao sơ cấp .............................................................................. 29 Hình 1.35: Mạch tốc độ cao sơ cấp và quá trình hoà trộn hỗn hợp ............................. 30 Hình 1.36: Cấu tạo mạch thứ cấp ................................................................................. 30 Hình 1.37: Cơ cấu chạm mở thứ cấp ............................................................................ 31 Hình 1.38: Nguyên lý mạch tốc độ cao thứ cấp ............................................................ 32 Hình 1.39: Mạch toàn tải và nguyên lý van toàn tải ..................................................... 32 Hình 1.40: Cấu tạo – nguyên lý bơm tăng tốc kiểu piston và kiểu màng ...................... 33 Hình 1.41: Cơ cấu điều khiển bướm gió tự động .......................................................... 34 Hình 1.42: Hiện tượng khoá hơi ................................................................................... 41 Hình 1.43: Nguyên nhân tràn xăng ............................................................................... 42 Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống phun xăng điện tử EFI.......................................................... 46 Hình 2.2:Các bộ phận hệ thống phun xăng điện tử EFI ............................................... 48 Hình 2.3:Hệ thống phun xăng đơn điểm và đa điểm ..................................................... 50 Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống phun xăng điện tử L-EFI và D-EFI ...................................... 52 Hình 2.5: Cấu tạo tổng quát hệ thống phun xăng EFI .................................................. 53 Hình 2.6: Sơ đồ tổng quát khối điều khiển .................................................................... 55 Hình 2.7: Sơ đồ khối tín hiện các cảm biến................................................................... 56 Hình 2.8:Mạch ổn áp dùng IC ....................................................................................... 56 Hình 2.9: Mạch điện điều khiển kim phun .................................................................... 58 Hình 2.10:Sơ đồ hệ thống phun xăng kiểu K – Jetronic ............................................... 60 Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng kiểu K – Jetronic ...... 61 Hình 2.12: Cấu tạo của bơm nhiên liệu ........................................................................ 62 Hình 2.13: Cấu tạo và hoạt động của bộ tích năng ...................................................... 63 Hình 2.14: Lọc nhiên liệu .............................................................................................. 64 Hình 2.15: Cấu tạo và nguyên lý bộ điều áp ................................................................. 64 Hình 2.16: Kim phun nhiên liệu .................................................................................... 65 Hình 2.17: Bộ đo lưu lượng không khí .......................................................................... 66 Hình 2.18: Sơ đồ nguyên lý bộ định lượng và phân phối nhiên liệu ............................. 67 Trang xi Hình 2.19: Mạch điều khiển áp suất bằng thủy lực ...................................................... 68 Hình 2.20:Hoạt động cửa van một chiều ...................................................................... 69 Hình 2.21: Hoạt động của thiết bị điều chỉnh chạy ấm máy ......................................... 69 Hình 2.22: Cấu tạo của kim phun khởi động lạnh và công tắc nhiệt thời gian ............ 70 Hình 2.23: Van không khí .............................................................................................. 72 Hình 2.24: Ống khuếch tán cửa thiết bị đo lưu lượng với tiết diện thay đổi ................ 73 Hình 2.25: Hệ thống phun xăng Mono-Jetronic ........................................................... 74 Hình 2.26: Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng kiểu L – Jetronic .............................. 76 Hình 2.27: Sơ đồ khối hệ thống cung cấp nhiên liệu L – Jectronic .............................. 78 Hình 2.28: Cấu tạo bơm nhiên liệu ............................................................................... 78 Hình 2.29: Lọc nhiên liệu .............................................................................................. 79 Hình 2.30: Cấu tạo bộ dập dao động ............................................................................ 79 Hình 2.31: Cấu tạo van điều áp .................................................................................... 80 Hình 2.32: Cấu tạo kim phun ........................................................................................ 81 Hình 2.33: Cấu tạo kim phun khởi động lạnh ............................................................... 82 Hình 2.34: Sơ đồ hệ thống điều khiển ........................................................................... 83 Hình 2.35: Cấu tạo – nguyên lý bộ đo gió kiểu cánh trượt ........................................... 84 Hình 2.36: Cấu tạo – nguyên lý bộ đo gió kiểu cảm biến chân không.......................... 85 Hình 2.37: Nguyên lý cảm biến Cyl và TDC ................................................................. 86 Hình 2.38: Cảm biến nhiệt độ không khí và các cực điều khiển ................................... 87 Hình 2.39: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát và các cực điều khiển ............................ 88 Hình 2.40: Cảm biến vị trí bướm ga kiểu tiếp điểm ...................................................... 89 Hình 2.41: Cấu tạo cảm biến oxy .................................................................................. 90 Hình 2.42: Sơ đồ làm việc của tín hiệu STA .................................................................. 91 Hình 2.43: Sơ đồ hệ thống nạp không khí ..................................................................... 92 Hình 2.44: Hộp cảm biến bướm ga ............................................................................... 92 Hình 2.45: Tốc độ cầm chừng được điều chỉnh bằng van ISC ..................................... 93 Hình 2.46: Van không khí kiểu Wax .............................................................................. 94 Hình 2.47: Cấu tạo van không khí kiểu lưỡng kim nhiệt............................................... 95 Hình 2.48:Buồng nạp và đường ống nạp ...................................................................... 95 Hình 2.49: Sơ đồ cấu tạo hệ thống phun xăng điện tử đa điểm Motronic .................... 97 Hình 2.50: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun xăng điện tử Motronic ........................ 98 Trang xii Hình 2.51: Cảm biến lưu lượng gió loại xoáy Karman ............................................... 100 Hình 2.52:Cảm biến lưu lượng gió loại dây sấy ......................................................... 100 Hình 2.53: Cảm biến vị trí bướm ga ............................................................................ 101 Hình 2.54: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát .............................................................. 102 Hình 2.55: Cảm biến tốc độ động cơ tín hiệu G .......................................................... 102 Hình 2.56: Cảm biến tốc độ động cơ tín hiệu NE ....................................................... 103 Hình 2.57: Dùng ống nghe để chẩn đoán tính trạng hoạt động của vòi phun ............ 106 Hình 2.58: Xung điện áp giữa hai cực của vòi phun ở chế độ không tải chạy chậm (a) và chạy nhanh (b). Độ dài thời gian phun tpb > tpa ................................................... 110 Hình 2.59: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát .............................................................. 112 Hình 2.60: Cảm biến MAP và phương pháp kiểm tra ................................................. 113 Hình 2.61: Sơ đồ cảm biến độ mở bướm ga ................................................................ 114 Hình 2.62: Kiểm tra tín hiệu điện áp của cảm biến lamda bằng vôn kế số ................ 116 Hình 2.63: Các loại cảm biến lưu lượng khí nạp ........................................................ 118 Hình 2.64: Cảm biến điện từ (a) và tín hiệu đo bằng oscilloscope (b) ....................... 119 Hình 2.65: Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang (a) và tín hiệu ra (b) .............. 119 Hình 3.1: Sự khác nhau giữa hệ thống phun xăng GDI và MPI ................................. 122 Hình 3.2: Các kiểu hệ thống phun xăng điện tử .......................................................... 123 Hình 3.3: Các kiểu ống nạp tạo xoáy lốc không khí.................................................... 124 Hình 3.4: Hình dạng piston ảnh hưởng quá trình hoà trộn hoà khí ........................... 124 Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ GDI ...................................................... 126 Hình 3.6: Sơ đồ điều khiển hệ thống GDI ................................................................... 126 Hình 3.7: Hình dạng piston ảnh hưởng tới quá trình hoà trộn hoà khí ...................... 130 Hình 3.8: Các giai đoạn hình thành hỗn hợp nhiên liệu trong buồng đốt .................. 130 Hình 3.9: So sánh về hiệu suất của động cơ và trị số octan, tỉ số nén cho phép  ..... 131 Hình 3.10: Sự khác nhau về vị trí vòi phun GDI và EFI ............................................. 133 Hình 3.11: Ảnh hưởng của góc phun sớm đối với việc tạo thành hòa khí phân tầng. 136 Hình 3.12: Ảnh hưởng của hướng ống nạp đến việc tạo xoáy lốc trong xy lanh ........ 137 Hình 3.13: Biên dạng của đỉnh piston ảnh hưởng đến sự hình thành hỗn hợp phân lớp ................................................................................................................................ 138 Hình 3.14: Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ GDI ............................. 139 Hình 3.15: Cấu tạo và nguyên lý hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ GDI ..... 140 Trang xiii Hình 3.16: Vị trí kim phun trong buồng đốt động cơ GDI .......................................... 141 Hình 3.17: Hình dạng tia phun của kim phun một lỗ và nhiều lỗ ............................... 142 Hình. 3.18: Kết cấu kim phun một lỗ .......................................................................... 143 Hình 3.19: Sơ đồ góc phun của kim phun nhiều lỗ ...........................lưu lượng không khí Gk tương ứng với mỗi đường đó đều là hằng số. Như vậy nhờ các đường a, b rất dễ xây dựng sự biến thiên của thành phần hòa khí trên tọa độ -Gh hoặc -∆ph theo công suất cực đại hoặc theo suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất. 1.2.5.3. Đặc tính lý tƣởng của BCHK Hình 1.7: Đặc tính lý tưởng của BCHK I- Giới hạn không tải; 1 – Khi bướm ga mở hoàn toàn; 2 – Khi công suất cực đại; 3 – Khi suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất; 4 – Quan hệ lý tưởng của  và Gk. Đồ thị -Gk thể hiện sự biến thiên của  theo Gk (theo % lưu lượng không khí khi mở hoàn toàn bướm ga) ở chế độ công suất cực đại (đường 2) và suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất (đường 3). Trong thực tế sử dụng, người ta chỉ đòi hỏi công suất cực đại khi mở 100% bướm ga (điểm 1 trên đồ thị), còn lại tất cả các vị trí đóng nhỏ bướm ga cần điều chỉnh động cơ hoạt động với thành phần hòa khí đảm bảo tiết kiệm nhiên liệu. Vì vậy, mối quan hệ lý tưởng nhất giữa  và Gk sẽ là đường 4, đó chính là đặc Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 10 tính của BCHK lý tưởng khi chạy ở một số vòng quay nhất định. Lặp lại thử nghiệm với số vòng quay khác đều thu được đặc tính lý tưởng mới có dạng tương tự. Vẽ tất cả các đường cong thu được ở các tốc độ quay khác nhau trên một đồ thị (hình 1. 8) sẽ được một họ đặc tính của một BCHK lý tưởng. Đường bao của hai họ đặc tính trên thể hiện các chế độ làm việc tiết kiệm nhất của động cơ ở mọi số vòng quay khi mở hết bướm ga và đường 1 là đường nối các điểm công suất cực đại của họ đặc tính trên ở các số vòng quay khác nhau, khi mở 100% bướm ga. Trên thực tế, để giảm bớt mức độ phức tạp về mặt cấu tạo của BCHK, người ta dùng một đường trung bình thay cho họ đặc tính lý tưởng -Gk được xác định qua thực nghiệm trong khu vực có thành phần tiết kiệm nhất đối với mọi tốc độ động cơ. Hình 1.8. Các đặc tính của BCHK lý tưởng ở tốc độ khác nhau (n1>n2>n3>n4) 1 – Các chế độ Nemax khi mở hết bướm ga; 2 – Các chế độ gemin khi mở hết bướm ga. Các đặc tính của BCHK hoạt động ở tốc độ khác nhau (n1> n2> n3> n4). So sánh đặc tính của các BCHK đơn giản và BCHK lý tưởng thấy rằng: BCHK đơn giản không thể chuẩn bị hòa khí cho động cơ với thành phần tốt nhất ở mọi chế độ hoạt động. Do đó muốn hiệu chỉnh để được hình dạng sát với đặc tính của BCHK lý tưởng thì trên cơ sở BCHK đơn giản cần bổ sung thêm một số cơ cấu và hệ thống đảm bảo thỏa mãn các yêu cầu sau: − Ở chế độ không tải, muốn động cơ chạy ổn định cần có hòa khí đậm (  0,4 – 0,8) và phải tạo điều kiện để phun xăng tơi, phân bố đều và dễ bay hơi trong Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 11 khí nạp. − Khi bướm ga mở tương đối rộng cần cung cấp hòa khí tương đối loãng (  1,07 – 1,15). − Để đạt công suất cực đại khi mở bướm ga 100% cần đảm bảo (  0,75 – 0,9). Ngoài ra cần có các yêu cầu phụ, đảm bảo động cơ làm việc tốt trong các chế độ làm việc sau: − Khi khởi động lạnh cần hòa khí đậm (  0,3 – 0,4 hoặc đậm hơn) để dễ khởi động. − Khi ôtô bắt đầu lăn bánh hoặc khi cần tăng tốc nhanh phải mở nhanh bướm ga để hút nhiều hòa khí vào xyanh, những lúc ấy thường làm cho hòa khí bị nhạt (do quán tính của xăng nhỏ hơn nhiều so với không khí làm cho tốc độ xăng đi vào động cơ chậm hơn). Vì vậy khi mở nhanh bướm ga cần có biện pháp tức thời phun xăng thêm tới mức cần thiết đề hòa khí khỏi nhạt, qua đó rút ngắn thời gian bắt đầu lăn bánh cũng như thời gian tăng tốc của ôtô. Những yêu cầu trên được thực hiện trong các hệ thống phun chính và hệ thống phụ của BCHK. 1.2.6. Tỉ lệ khí - nhiện liệu và hỗn hợp khí nhiên liệu Đối với động cơ xăng, tỉ lệ nhiên liệu và khí phải vừa đủ để đảm bảo quá trình cháy tốt trong xylanh. Động cơ không hoạt động không hiệu quả nếu lượng nhiên liệu quá lớn hoặc quá nhỏ khi hoà trộn với không khí. Một lượng không khí hoà trộn với một nhiên liệu được gọi là tỉ lệ khí – nhiên liệu. Tỉ lệ này rất quan trọng, bởi vì tỉ lệ khí nhiên liệu đúng sẽ được yêu cầu với mọi chế độ làm việc của động cơ. Ngoài ra, đặc tính công suất của động cơ được điều khiển bởi lượng hỗn hợp khí – nhiên liệu nạp vào xylanh. 1.2.6.1. Tỉ lệ khí - nhiện liệu lý thuyết Tỷ lệ khí – nhiên liệu lý thuyết là tỷ lệ hỗn hợp bao gồm lượng khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu. Tỷ lệ không khí/ nhiên liệu thông thường vào khoảng 14,7g không khí/1g xăng (Tỷ lệ trọng lượng) và tỷ lệ Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí thể tích là 9000/1 (không khí 1lít  1,3g; xăng 1lít 780g). Thông thường khi nói đến tỷ lệ khí – nhiên liệu được hiểu là tỷ lệ trọng lượng. − Nếu tỷ lệ khí – nhiên liệu xăng < 14,7/1 không khí hỗn hợp được gọi là hỗn hợp giàu, được dùng khi động cơ khởi động hoặc đang tăng ga, tăng tải. − Nếu tỷ lệ khí – nhiên liệu xăng > 14,7/1 không khí hỗn hợp được gọi là hỗn hợp nghèo, sinh ra do điều chỉnh các thông số bị sai lệch, các đường nạp xăng bị bẩn hoặc tắt. 1.2.6.2. Tỉ lệ khí - nhiên liệu kinh tế Tỷ lệ khí – nhiên liệu kinh tế là tỷ lệ tiêu thụ lượng nhiên liệu ít nhất trong phạm vi công suất nhất định. Tỷ số này lớn hơn hỗn hợp lý thuyết. Để đảm bảo cho nhiên liệu cháy hoàn toàn, cần thiết phải tăng tỷ lệ khí và tạo điều kiện cho nhiên liệu hoà trôn với khí. Điều này làm giảm công suất động cơ nên tỷ lệ này chỉ được dùng cho một số động cơ nhất định và dưới tải trọng nhỏ. Hình 1.9: Đặc tính nhiên liệu tiêu thụ. 1.2.6.3. Tỉ lệ khí - nhiên liệu toàn tải Tỷ lệ khí – nhiên liệu toàn tải là tỷ lệ cung cấp đặc tính công suất lớn nhất tại số vòng quay không đổi. Tỷ lệ này nhỏ hơn tỷ lệ lý thuyết (hỗn hợp giàu) và có thể sử dụng toàn bộ lượng khí được hút vào xylanh. Ngoài việc tăng thêm công suất, nó còn làm giảm nhiệt buồng đốt do sự ẩn nhiệt của nhiên liệu bay hơi. Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 12 Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 13 Hình 1.10: Đặc tính công suất tại số vòng quay không đổi. 1.3. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động 1.3.1. Sơ đồ Hình 1.11:Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ BCHK 1.3.2. Nguyên lý làm việc Khi động cơ làm việc, bơm xăng chuyển động nhờ bánh cam lệch tâm dẫn động cần bơm xăng, bơm xăng hoạt động hút xăng từ thùng xăng qua ống dẫn và bầu lọc (có thể làm liền trên bơm xăng) tới bơm xăng. Tại bơm, xăng được đưa lên bộ chế hòa khí vào bình giữ mực (buồng phao). Tại kỳ hút, piston di chuyển trong lòng xy lanh tạo chênh lệch áp suất (độ chân không) hút xăng ra khỏi vòi phun của bộ chế hòa khí, đồng thời không khí qua bầu lọc không khí đi vào bộ chế hòa khí hòa trộn với xăng tạo thành hỗn hợp khí tại họng khuyếch đại của bộ chế hòa khí. Hỗn hợp khí theo các ống hút qua các xupap hút đi vào lòng xy lanh, được nén và đốt cháy trong buồng đốt. Hỗn hợp khí sau khi cháy, sẽ theo các xupap xả đến các ống giảm thanh bằng các ống góp xả để thải ra bên ngoài động cơ. 1.4. Các bộ phận chính trong hệ thống 1.4.1. Thùng chứa nhiên liệu − Dùng để chứa xăng cung cấp cho động cơ đủ làm việc trong thời gian nhất định. Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 14 − Thùng xăng làm bằng thép (pha Pb) dày 0.8 - 1.5mm. Bên trong có các vách ngăn (tránh dao động, khi xe lên dốc). Miệng đổ xăng có nắp, có thể lắp ống đổ xăng, trong ống có lưới lọc bằng đồng. Trên thùng có bộ phận thông hơi. Ở đáy thùng có lỗ xả xăng. Miệng ống dẫn xăng vào đặt cao hơn đáy thùng khoảng 2 – 3cm để chống cặn và nước trong xăng bị hút vào ống. Hình 1.12: Cấu tạo thùng nhiên liệu. 1.4.2. Bầu lọc xăng - Có nhiệm vụ lọc cặn bẩn và tạp chất lẫn trong xăng, giữ cho hệ thống làm việc liên tục, đầu đủ. - Nó bao gồm 3 phần chính: Nắp, bầu chứa và bộ phận lọc. Bộ phận lọc có nhiều kiểu: Kiểu lưới, giấy thấm... Bầu lọc chứa thường được làm bằng vật liệu trong (thủy tinh) để dễ thấy nước và cặn bẩn. Xăng được lọc chủ yếu ở đây, ngoài ra nó còn được lọc ở thùng xăng, bơm xăng, bộ chế hòa khí. Hình 1.13:Cấu tạo bầu lọc xăng. 1.4.3. Bầu lọc không khí Bầu lọc không khí được đặt trước họng khuyếch tán của bộ chế hòa khí để lọc sạch không khí trước khi đi vào xy lanh nhằm bảo đảm tuổi thọ cho các chi tiết máy của động cơ. Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 15 Bầu lọc không khí: thông thường hiện nay có các loại: loại lọc thô, bầu lọc gió ướt (có thấm dầu) và bầu lọc có chứa dầu (thường sử dụng cho xe tải, xe động cơ cỡ lớn...), bầu lọc ly tâm... 1.4.4. Bơm chuyển nhiên liệu Hình 1.14: Bầu lọc không khí. (1. Thân; 2.Lõi lọc; 3.Nắp) - Có tác dụng hút xăng từ thùng chứa đưa lên bộ chế hòa khí. - Bơm xăng thường được dẫn động bằng cơ khí hay bằng điện. Nó có nhiều kiểu: kiểu màng, kiểu piston, kiểu bánh răng. Trong hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ xăng thường dùng kiểu bơm màng được điều khiển bằng cơ khí hay bằng điện. 1.4.4.1. Bơm màng điều khiển bằng cơ khí a) Cấu tạo: Bơm gồm có các phần chính: - Thân bơm: được lắp chặt vào thân máy. Thân bơm có cốt bơm và cần bơm, lò xo cần bơm ép cần bơm tiếp xúc với bánh lệch tâm trên trục cam. Trên cần bơm có lắp cần bơm tay. Hình 1.15: Bơm màng kiểu cơ khí Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 16 - Nắp bơm: được lắp với thân bơm bằng các vít, có đường xăng vào và ra, van hút và van thoát. - Màng bơm: lắp giữa nắp và thân bơm. Ở giữa màng bơm có trục cốt bơm, phía dưới có làm khớp hay xẻ rãnh để lắp với đầu cần bơm. Phía dưới màng bơm có lò xo, luôn đẩy màng bơm về phía trên. b) Nguyên lý làm việc: - Hút xăng vào bơm: Khi động cơ làm việc, bánh lệch tâm đẩu vào cần bơm, kéo cốt bơm và màng bơm đi xuống hút xăng qua van hút vào bơm. - Bơm xăng ra: Khi bánh lệch tâm không đội cần bơm lò xo đẩy màng bơm đi lên, đóng van hút và mở van thoát để đẩy xăng lên bộ chế hòa khí. 1.4.4.2. Bơm màng điều khiển bằng điện a) Cấu tạo: Hình 1.16: Cấu tạo bơm màng kiểu điều khiển điện. b) Nguyên lý hoạt động: Bình thường khi chưa bật công tắt điện, lò xo R đẩy màng bơm và cần bơm đi lên phía trên, làm cho hai tiếp điểm của bơm tiếp xúc với nhau làm mạch điện được thông. Khi bật công tắt điện, dòng điện từ (+) ắc quy qua công tắt, qua tiếp điểm đi vào cuộn dây từ cảm và trở về mass, sẽ sinh ra lực từ trong cuộn dây, làm cho lõi sắt biến thành nam châm điện, hút đế lò xo, kéo màng bơm đi lên. Lúc này, thể tích trong buồng bơm tăng, làm áp suất giảm, làm van hút vào Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 17 mở - van thoát ra đóng, xăng sẽ được hút vào trong buồng bơm. Đồng thời lúc đó do màng bơm bị hút lên kéo theo cần bơm đi lên làm hai tiết điểm rời nhau và dòng điện bị ngắt, lực từ cả trong cuộn dây bị triệt tiêu, lò xo lại đẩy màng bơm đi xuống và quá trình hoạt động lại tiếp tục như trên. Trường hợp áp suất trên đường ống thoát tăng cao quá mức qui định, làm cho áp lực trong bơm cũng tăng theo. Nếu áp lực này thắng được sức căn của lò xo thì màng bơm bị đẩy lên và hai tiếp điểm rời nhau và dòng điện ngắt, đến khi nào áp lực trong bơm giảm xuống đến qui định thì lò xo lại đẩy màn bơm trở về vị trí cũ và quá trình lại tiếp tục bình thường. 1.4.4.3. Bơm chuyển nhiên liệu bằng điện a) Cấu tạo: Hình 1.17: Bơm điện kiểu rôto b) Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý hoạt động bơm điện: khi bật công tắc qua vị trí ON thì đòng điện từ ắc quy đến làm rôto bơm quay, nhiên liệu được hút vào ở cửa hút và thoát ra qua van thoát đến bộ chế hoà khí. Khi nhiên liệu dư làm cho áp suất trong bơm tăng lên và mở van an toàn cho xăng trở về lại thùng xăng. 1.4.5. Bộ chế hoà khí một họng 1.4.5.1. Bộ Chế Hòa Khí Đơn Giản Cấu tạo bộ chế hòa khí đơn giản bao gồm các bộ phận sau: Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 18 1. Bầu phao. 2. Lỗ hạn chế xăng chính. 3. Ống dẫn xăng. 4. Gíclơ gió. 5. Lỗ cấp khí. 6. Vòi phun chính. Hình 1.18: Bộ chế hòa khí đơn giản. a) Hệ thống phao: (bình giữ mực) Dự trữ xăng và giữ xăng ở mức quy định thấp hơn vòi phun (2 - 5mm). Bên trong có phao, cần phao và kim, bệ kim ba cạnh để giữ mực xăng. Trên buồng phao có ống thông khí có tác dụng cân bằng áp suất bên trong buồng phao cổ nạp của BCHK. Hình 1.19: Hệ thống phao và hệ thống điều khiển mở van kim. Nhiên liệu được hút ra khỏi vòi phun chính nhờ áp suất chân không tạo ra bởi dòng khí qua họng khuếch tán. Nếu sự chênh lệch độ cao (h) giữa miệng vòi phun và mức nhiên liệu trong buồng phao thay đổi thì lượng xăng cung cấp từ vòi phun cũng thay đổi và tỷ lệ hỗn hợp cũng thay đổi theo. Do vậy, mức xăng trong buồng phao phải giữ ở vị trí cố định. Điều này thực hiện bởi hệ thống phao. Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 19 Khi xăng từ bơm nhiên liệu đi qua van kim vào buồng phao, phao nổi lên đóng van kim lại và dừng việc cấp xăng. Khi xăng trong buồng phao bị tiêu thụ, mức xăng sẽ giảm và van kim mở, xăng chảy vào buồng phao. Bằng cách này xăng ở trong buồng phao được giữ ở mức cố định. b) Van kim Khi xe chuyển động trên đường, mức xăng trong buồng phao sẽ thay đổi. Do đó phao xăng được nâng lên hay hạ xuống, làm ảnh hưởng đến lượng xăng ra vòi phun. Để khắc phục hiện tượng này, chuyển động của phao xăng được truyền tới van kim qua cần đẩy tác dụng lên lò xo. Lò xo chống mở van kim và giữ van luôn đóng khi có sự chuyển động lên xuống của phao để giữ cho mức nhiên liệu trong buồng phao không đổi. Hình 1.20: Hệ thống van kim điều khiển mức nhiên liệu trong buồng phao. c) Vòi phun và lỗ hạn chế: − Có tác dụng không chế sự tiêu hao nhiên liệu. − Giữ cho xăng không tràn ra khi động cơ không làm việc. − Nơi để phun xăng kết hợp không khí tạo thành hỗn hợp khí. Hình 1.21: Vòi phun chính và lỗ hạn chế. d) Ống khuyếch tán: Là ống ở giữa tạo chân không, có đặt miệng vòi phun xăng. Chỗ thắt lại để tốc độ không khí đi qua tăng nhanh, xăng dễ phun ra. Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 20 Hình 1.22: Ống khuyếch tán kiểu cố định và thay đổi. e) Bƣớm ga: Dùng thay đổi lưu lượng lưu thông qua họng BCHK để cho lượng hỗn hợp khí vào xy lanh nhiều hay ít, để thay đổi tốc độ và công suất động cơ. Nó được dẫn động bởi bàn đạp ga trên buồng lái. Hình 1.23: Vị trí bướm ga. f) Ống thông khí: Lượng xăng cung cấp cho vòi phun chính được xác định nhờ sự chênh lệch áp suất không khí ở họng khuyếch tán (A) và áp suất khí trong buồng phao (B). Ống thông khí giữ áp suất trong buồng phao (B) cân bằng với áp suất ở họng gió (C). Hình 1.24:Buồng phao và ống thông khí. − Nếu ống thông khi bị tắt và sau đó bầu lọc không khí bị tắt, áp suất áp suất ở họng gió sẽ nhỏ hơn áp suất buồng phao làm cho lượng xăng cung cấp cho Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 21 vòi phun chính tăng. Hỗn hợp hoà khí quá đậm, ảnh hưởng xấu đến tính năng của động cơ. − Nếu bulông giữ họng gió bị lỏng hoặc gioăng họng gió bị hỏng, áp suất trong buồng phao bằng áp suất khí quyển, hỗn hợp hoà khí cũng trở nên quá đậm. ❖ Nguyên lý làm việc: - Khi động cơ ở kỳ hút, piston di chuyển tạo độ chân không ở họng khuyếch tán tăng nhanh, tạo ra sự chênh lệch áp suất với buồng phao, xăng được phun ra khỏi vòi phun và gặp luồng không khí đi vào, sẽ bị xé thành những hạt nhỏ hòa trộn với không khí thành hỗn hợp khí cháy đi vào xy lanh. - Khi bướm ga mở càng lớn thì không khí vào càng nhiều sức cản của không khí ở cổ hút càng lớn làm cho không khí tăng nhanh, độ chênh lệch áp suất tăng, xăng phun vào càng nhiều. - Khi xăng trong buồng phao cạn dần, phao chìm kim 3 cạnh mở để xăng vào buồng phao đến mức quy định. ❖ Nhƣợc điểm của bộ chế hòa khí đơn giản − Ở tốc độ cao sức hút trong lòng xy lanh mạnh, thành phần hỗn hợp khí được hút vào có khuynh hướng dư xăng, ở tốc độ thấp lại thiếu xăng. − Động cơ chạy không tải (cầm chừng) không được. − Khởi động động cơ khó khăn vì hỗn hợp thiếu xăng. − Khi tăng tốc độ đột ngột động cơ bị khựng lại vì bướm ga mở quá nhanh, do không khí nhẹ vào nhanh và nhiều hơn làm cho hỗn hợp khí quá loãng. − Động cơ không thể đạt công suất tối đa vì không tạo được hỗn hợp khí đậm. 1.4.5.2. Các mạch của bộ chế hòa khí 1 họng Để khắc phục những nhược điểm của bộ chế hòa khí đơn giản và đáp ứng yêu cầu làm việc của động cơ được tốt trong các điều kiện khác nhau, hiện nay các bộ chế hòa khí đều xuất phát từ nguyên tắc bộ chế hòa khí đơn giản nhưng Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 22 có thêm: hệ thống tự động điều chỉnh vòi phun chính, bộ tăng tốc, bộ hạn chế tốc độ, bộ chạy toàn tải... a) Mạch khởi động (không tải) ❖ Nhiệm vụ: Lúc mới khởi động, tốc độ quay của động cơ thấp nên sức hút trong xy lanh yếu, mặt khác nhiệt độ động cơ còn thấp. Do đó, cần có mạch khởi động để cung cấp hỗn hợp khí đậm để động cơ khởi động dễ dàng. ❖ Cấu tạo: Có 2 hình thức để khởi động được dễ dàng là dùng tia xăng riêng và dùng bướm gió. − Vòi phun khởi động được đặt phía dưới bướm ga. Trong lúc khởi động áp suất dưới bướm ga thấp nên vòi phun khởi động làm việc, thành phần hòa khí khởi động được điều chỉnh bởi vít điều chỉnh không tải. − Bướm gió đặt trước họng khuyếch tán, được dẫn động bởi cơ cấu truyền động ở buồng lái. Trên bướm gió có lắp van tự động, van này luôn đóng bởi lò xo. Hình 1.25: Mạch khởi động và không tải. Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 23 ❖ Nguyên lý làm việc: Khi khởi động động cơ, bướm gió được đóng lại, tạo ra độ chân không lớn phía dưới bướm gió vòi phun chính và đường xăng chạy không tải đồng thời phun xăng, cung cấp hỗn hợp khí đậm để dễ khởi động. Khi sức hút phía dưới bướm gió mạnh, thì nó tạo lực hút không khí ép van mở để bổ sung 1 lượng không khí trước khi bướm gió mở hoàn toàn. b) Mạch chạy tốc độ thấp ❖ Nhiệm vụ: Mạch chạy tốc độ thấp có nhiệm vụ cung cấp hỗn hợp khí tương đối đậm cho động cơ làm việc ở chế độ không tải với tốc độ thấp nhất và ở mức tiết kiệm xăng nhất. ❖ Cấu tạo: Ở bầu phao có lắp thêm đường xăng (xăng không tải và tốc độ thấp) thông với Jiclơ chính và có lắp thêm Jiclơ chạy cầm chừng. Phía trên đường xăng chạy cầm chừng có Jiclơ không khí, cạnh bướm ga có hai lỗ phun cầm chừng, có vít điều chỉnh ở lỗ phun dưới bướm ga. Hình 1.26: Mạch chạy tốc độ thấp. ❖ Nguyên lý làm việc: − Khi động cơ chạy không tải, bướm ga mở ít, làm không khí lưu thông qua vòi phun tốc độ thấp và vòi phun khởi động. Lúc này, độ chân không tập trung ở hai vòi phun này, nên xăng được hút từ ống phun chính qua Jiclơ không tải và trộn với không khí đi qua Jiclơ không khí để tạo thành hỗn hợp khí tương đối đậm cung cấp cho động cơ. − Khi mở dần bướm ga, lượng không khí nạp tăng dần, lúc này vòi phun tốc độ thấp phía trên bướm ga bắt đầu phun bổ sung, cùng phun với lỗ Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 24 khởi động (cầm chừng), đảm bảo cho động cơ được cung cấp hỗn hợp hòa khí tăng dần. c) Mạch tăng tốc ❖ Nhiệm vụ: Mạch tăng tốc có nhiệm vụ khi cần gấp rút cung cấp số nhiên liệu ngoài mức trong một thời gian ngắn để làm đậm hỗn hợp khí, tăng tốc độ động cơ nhanh chóng. ❖ Cấu tạo: Bơm tăng tốc (cơ khí) gồm có: xy lanh và piston di chuyển ăn khớp với cần ép trên trục bướm ga, đầu piston có lò xo và rảnh gài. Cần ép piston lắp vào rảnh đó và ép lò xo. Cán piston thông qua cần truyền lực và truyền động với trục bướm ga. Hình 1.27: Cấu tạo mạch tăng tốc. ❖ Nguyên lý làm việc: − Khi bướm ga mở đột ngột, cần ép piston đi xuống truyền lực ép qua lò xo làm piston đi xuống, xăng trong xy lanh tạo ra một áp suất lớn làm van xăng vào bị đóng lại, đồng thời mở van xăng ra. Xăng phun ra ở vòi phun tăng tốc. − Khi đóng bướm ga, piston đi lên, van xăng ra đóng lại, van xăng vào mở, xăng từ buồng phao vào trong xy lanh bơm tăng tốc. Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 25 − Nếu bướm ga mở từ từ, van xăng vào đóng không kín, xăng sẽ đi qua van xăng vào trở về bầu phao. d) Bộ làm đậm (toàn tải, tăng lực) ❖ Nhiệm vụ: Khi động cơ chạy toàn tải, mạch làm đậm sẽ cung cấp thêm một lượng xăng ngoài mức để làm đậm thêm hỗn hợp khí và khi bình thường vẫn chạy với mức tiết kiệm nhất. ❖ Cấu tạo: mạch làm đậm bao gồm: Van làm đậm thông với vòi phun chính qua lỗ hạn chế xăng. Ở phía trên van có piston, lò xo. Phía trên piston thông với phía dưới của bướm ga, phía dưới xy lanh thông với đầu ép piston. ❖ Nguyên lý làm việc: − Khi động cơ chạy bình thường, bướm ga mở giữa chừng nên sức hút xăng phun bình thường. − Khi bướm ga mở 85 - 90 % thì van làm đậm bắt đầu mở, đường tác động của hệ thống cần nối với trục bướm ga, xăng qua van đến Jiclơ làm đậm và đi vào ống phun, để tăng lượng xăng hỗn hợp đậm thêm. Hình 1.28: Cấu tạo mạch làm đậm. Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 26 e) Điều chỉnh vòi phun chính ❖ Nhiệm vụ: Bảo đảm cho bộ chế hòa khí có hỗn hợp khí thành phần thích hợp: tránh hiện tượng dư xăng tốc độ cao và thiếu xăng ở tốc độ thấp ở vòi phun chính. ❖ Cấu tạo: (điều chỉnh sự chênh lệch áp suất ở vòi phun chính) Trên đường ống phun chính có ống thông khí ăn thông với ống phun, trên miệng ống thông khí có jiclơ không khí. Hình 1.29: Cơ cấu vòi phun chính và quá trình hoà trộn giữa xăng và không khí. ❖ Nguyên lý làm việc: - Khi động cơ chưa làm việc, mức xăng trong ống thông khí bằng mức xăng trong bầu phao. - Khi bướm ga mở nhỏ, lượng không khí đi qua Jiclơ không khí không đáng kể và không ảnh hưởng đến vòi phun chính. - Khi bướm ga mở càng lớn thì lượng không khí đi qua Jiclơ không khí càng tăng, không khí đi vào tạo ra những bọt khí càng nhiều, làm cản bớt lượng xăng phun ở vòi phun, hạn chế được tình trạng dư xăng, đồng thời mức xăng trong ống không khí hạ thấp. f) Cơ cấu hạn chế tốc độ ❖ Nhiệm vụ: Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 27 Đối với mỗi loại động cơ đều có một tốc độ giới hạn của nó, nếu quá tốc độ đó, công suất của động cơ sẽ giảm và các chi tiết bộ phận sẽ mau hư hỏng. Do đó ở bộ chế hòa khí có bộ phận hạn chế tốc độ để giữ cho động cơ không vượt quá tốc độ cố định. ❖ Cấu tạo (kiểu cánh bƣớm): Bộ hạn chế này bao gồm một cánh bướm đặt trên một trục lệch tâm sau cánh bướm ga. Lò xo luôn kéo bướm hạn chế tốc độ mở, sức căng của lò xo được điều chỉnh bởi vít điều chỉnh. ❖ Nguyên lý làm việc: Khi động cơ chạy quá tốc độ quy định, sức hút trong xy lanh mạnh thắng lực căng lò xo, kéo cánh bướm hạn chế tốc độ đóng bớt lại, hỗn hợp khí được hút vào ít đi, tốc độ động cơ sẽ giảm xuống. Hình 1.30: Cơ cấu hạn chế tốc độ tối đa. 1.4.6. Bộ chế hòa khí hai họng 1.4.6.1. Cấu tạo – nguyên lý Bộ chế hoà khí hai họng, khí và nhiên liệu được hoà trộn trong một họng (hệ thống sơ cấp) khi động cơ hoạt động với tốc độ thấp hoặc trung bình và lượng khí được cấp vào là ít. Khi động cơ hoạt động tốc độ cao tải lớn, hòa khí được hòa trộn trong cả 2 họng (hệ thống sơ cấp và thứ cấp). BCHK có thể trộn không khí và nhiên liệu trong một họng hoặc 2 họng, phụ thuộc vào điều kiện hòa khí cần thiết cho động cơ. Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 28 Hình 1.31: Các hệ thống của BCHK hai họng. 1.4.6.2. Các mạch hoà khí sơ cấp a) Mạch tốc độ thấp sơ cấp Khi động cơ chạy tốc độ thấp, bướm ga hé mở, lượng không khí hút vào BCHK rất nhỏ. Do đó, độ chân không ở họng khuyếch tán nhỏ và xăng không được cung cấp qua vòi phun chính. Vì vậy, mạch tốc độ thấp sơ cấp được trang bị khi động cơ chạy tốc độ thấp. ❖ Động cơ chạy không tải Hình 1.32: Mạch tốc độ thấp sơ cấp và quá trình tạo hoà khí vị trí bướm ga đóng. Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 29 Bướm ga đóng và độ chân không lớn tạo ra dưới bướm ga. Xăng hoà trộn với không khí từ lỗ cấp khí qua lỗ không tải cấp cho động cơ. ❖ Bƣớm ga hé mở Khi bướm ga hé mở từ vị trí không tải, lượng khi hút vào xylanh tăng lên. Tuy nhiên, luồng khi qua ống hút tăng lên làm độ chân không dưới bướm ga giảm, lượng xăng cung cấp cho lỗ không tải giảm và hoà khí sẽ nhạt đi. Lỗ chậm được được trang bị để chống lại hiện tượng đó. Khi bướm ga hé mở từ vị trí không tải, xăng được cung cấp cả lỗ chậm và lỗ không tải, lượng xăng cung cấp cho động cơ tuỳ thuộc vào độ mở của bướm ga. b) Mạch tốc độ cao sơ cấp (Hệ thống chính) Mạch tốc độ cao sơ cấp cung cấp nhiện liệu cho động cơ khi xe chạy đều (di chuyển tốc độ trung bình đến cao). Mạch này điều khiển khoảng tốc độ lớn nhất, nên mạch được gọi là ―hệ thống chính‖. Mạch tốc độ thiết kế để cung cấp một hỗn hợp kinh tế hoặc lý thuyết cho động cơ trong quá trình chạy đều bình thường. Khi công suất ra lớn được cung cấp được mạch phụ trợ như mạch tăng tốc và mạch toàn tài. Hình 1.33: Mạch tốc độ thấp sơ cấp vị trí bướm ga hé mở. Hình 1.34: Mạch tốc độ cao sơ cấp. Khi bướm ga mở tốc độ dòng khi qua họng khuyếch tán tăng, áp suất tại miệng của vòi phun chính giảm thấp hơn áp suất buồng phao, xăng trong buồng Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 30 phao trộn với khí từ lỗ cấp khí chính và được hút qua vòi phun chính. Xăng được xé nhỏ bởi không khí đi qua họng khuyếch tán dẫn đến các xylanh. Hình 1.35: Mạch tốc độ cao sơ cấp và quá trình hoà trộn hỗn hợp. ❖ Jíclơ chính: điều khiển lượng xăng cung cấp cho mạch tốc độ cao sơ cấp. ❖ Lỗ cấp khí chính: để có hoà khí tốt, xăng phải được xé nhỏ trước khi phun vào vòi phun chính. Điều này được thực hiện nhờ lỗ cấp khí. 1.4.6.3. Các mạch hoà khí thứ cấp a) Mạch tốc độ thấp thứ cấp Hình 1.36: Cấu tạo mạch thứ cấp. Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 31 Tại thời điểm bướm ga thứ cấp bắt đầu mở, dòng khí trong họng thứ cấp chuyển động chậm, một lượng xăng nhỏ thoát ra khỏi họng phun thứ cấp. Điều này gây ra hỗn hợp nhiên liệu quá nhạt, từ khi phần lớn lượng khí được hút vào, với kết quả mạch thứ cấp hoạt động quá muộn, là cho động cơ bị giật khi tăng tốc. Vì vậy, để tránh hiện tượng này, khi bướm ga sơ cấp mở quá góc chạm thứ cấp và bướm ga thứ cấp bắt đầu mở bởi cơ cấu kich-up, độ chân không được tạo ra trong lỗ chậm thứ cấp, xăng được phun ra khỏi lỗ này. ❖ Góc chạm mở thứ cấp: Bướm ga thứ cấp được bố trí cơ cấu không mở cho đến khi bướm ga sơ cấp đã mở một góc khoảng 45o – 55o. Góc này được gọi là góc chạm mở thứ cấp. Hình 1.37: Cơ cấu chạm mở thứ cấp. b) Mạch tốc độ cao thứ cấp Mạch tốc độ cao sơ cấp hoạt động khi động cơ làm việc ở chế độ tải nhẹ và lượng khí hút vào ít. Tuy nhiên, khi động cơ làm việc ở chế độ tải nặng hỗn hợp khí – nhiên liệu không đủ cung cấp cho các xylanh, mạch tốc độ cao thứ cấp bắt đầu hoạt động. Mạch tốc độ cao thứ cấp được thiết lập giống như mạch tốc độ cao sơ cấp, nhưng mạch tốc độ cao thứ cấp được thiết kế để hoạt động khi động cơ sinh công suất lớn, kích cỡ (đường kính) của vòi phun, họng khuyếch tán và jiclơ Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 32 được làm lớn hơn cùng loại so với sơ cấp. Một cơ cấu điều khiển cho phép mạch tốc độ cao thứ cấp hoạt động khi động cơ làm việc dưới chế độ tải nặng. Hình 1.38: Nguyên lý mạch tốc độ cao thứ cấp. Hình 1.39: Mạch toàn tải và nguyên lý van toàn tải. Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 33 1.4.6.4. Bơm tăng tốc Khi bướm ga mở đột ngột, mặc dù lượng không khí cấp vào BCHK tăng ngay lập tức nhưng lượng xăng lớn hơn không được cung cấp cho vòi phun chính (do xăng nặng hơn không khí). Vì vậy, hỗn hợp hòa khí sẽ bị nhạt trong quá trình tăng tốc nếu mạch tăng tốc không được sử dụng. Bơm tăng tốc có công dụng cấp thêm một lượng nhiên liệu được cấp cho động cơ, nếu chân ga đột ngột bị ấn mạnh khi xe di chuyển. Khi ấn chân ga xăng trong xylanh bơm bị đẩy dưới áp suất của bơm, xăng bị đẩy qua van bi ra và được phun vào họng khuyếch tán qua Jiclơ bơm. Khi nhả chân ga, piston bơm đưa lên và van bi ra chặn lối ra. Hình 1.40: Cấu tạo – nguyên lý bơm tăng tốc kiểu piston và kiểu màng.. Ngoài bơm tăng tốc kiểu piston còn có bơm tăng tốc kiểu màng, piston bơm được thay bằng màng chất dẻo. 1.4.6.5. Hệ thống điều khiển bƣớm gió tự động Khi nhiệt độ động cơ thấp, vì đường ống nạp lạnh nên xăng sẽ không bay hơi tốt. Vì vậy, hỗn hợp sẽ bị nghèo, dẫn đến khó khởi động cho động cơ. Ngoài ra, nhiệt độ động cơ càng thấp thì công ma sát cản lại chuyển động càng lớn, dẫn đến tốc độ quay của động cơ vào lúc khởi động nhỏ. Làm cho độ chân không trong hệ thống nạp rất yếu và làm giảm lượng xăng cung cung cấp qua lỗ không tải. Chƣơng 1: Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 34 Để động cơ được khởi động dễ dàng, người ra trang bị hệ thống bướm gió tự động. Hệ thống này cho phép cung cấp một lượng hỗn hợp đậm hơn để dễ dàng khởi động khi động cơ lạnh. Khi động cơ khởi động bướm gió được đặt sau cho nó được đóng hoàn toàn bởi lò xo lưỡng kim đến khi nhiệt độ đạt tới 30oC. Hình 1.41: Cơ cấu điều khiển b...í nén CNG là khí thiên nhiên được nén dưới áp suất nhất định (200 ÷ 275 bar). Khí thiên nhiên là hỗn hợp chất khí cháy được bao gồm phần lớn là các hydrocacbon (hợp chất hoá học chứa cacbon và hydro). Cùng với than đá và dầu mỏ, khí thiên nhiên là nhiên liệu hóa thạch. Khí thiên nhiên có thể chứa đến hơn 85% mêtan (CH4), khoảng 10% êtan (C2H6) và có chứa một số lượng nhỏ hơn như propan (C3H8), butan (C4H10), pentan (C5H12) và các alkan khác. Khí thiên nhiên, thường tìm thấy cùng với các mỏ dầu ở trong vỏ Trái Đất, được khai thác và tinh lọc thành nhiên liệu cung cấp cho khoảng 25% nguồn cung năng thế giới. Khí thiên nhiên chứa lượng nhỏ các tạp chất, bao gồm điôxít cacbon (CO2), hydro sulfít (HS) và nitơ (N2). Do các tạp chất này có thể làm giảm nhiệt trị và đặc tính của khí thiên nhiên, chúng thường được tách khỏi khí thiên nhiên trong quá trình tinh lọc khí và được sử dụng làm sản phẩm phụ. Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 326 Bảng 7.1: Thành phần của CNG. Thành phần Cấu tạo Hàm lƣợng (%) Methane CH4 90,42 Ethane C2H6 4,04 Ethylene C2H4 0,14 Propane C3H8 2,05 Nitrogen N2 3,32 7.1.2.2. Khả năng ứng dụng khí CNG cho động cơ đốt trong Nhiệt trị riêng khối lượng của CNG cao hơn (khoảng 10%) so với nhiên liệu lỏng thông thường. Cùng hiệu suất như nhau, suất tiêu hao nhiên liệu (tính theo khối lượng) của động cơ dùng CNG giảm cũng chừng ấy lần. Trị số octan (TSOT) của CNG cao hơn so với xăng, trong động cơ chuyên dụng, công suất, tính gia tốc và tốc độ tiết kiệm của ôtô CNG tốt hơn ôtô dùng động cơ xăng. Do quá trình cháy của CNG có đặc điểm sạch hơn, nên ôtô sử dụng động cơ CNG hoạt động hiệu quả hơn so với ôtô xăng, làm tăng tuổi thọ cho ôtô. Ở những ôtô làm việc nặng thì động cơ sử dụng CNG sẽ ít ồn hơn so với động cơ diesel. Bảng 7.2: So sánh đặc tính của CNG với Xăng và Diesel. Đặc tính CNG Diesel Xăng Trọng lượng phân tử (N) 16 100-105 199 Thành phần % trọng lượng C:H:O 75:25:0 86:13:01 85:13:01 Trọng lượng riêng (N/m3) 6.5 0.81-0.89 0.69-0.79 Điểm ngưng tụ (oC) -182 -40 -40 -> -1 Điểm sôi (oC) -162 27- 225 188-343 Áp suất hơi (kPa –38oC) 125 48-104 <0.1 Nhiệt lượng riêng (kJ/kgoK) 2.51 2,0 2.2 Độ nhớt (mPa.s) 0,01 0,37-0,44 2,6-4,1 Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 327 Đặc tính CNG Diesel Xăng Nhiệt trị thấp (x1000kJ/L) 55 30-33 35-37 Nhiệt độ tự cháy (oC) 540 257 280 Tỷ số A/F 17,23 14,7 14,7 Chỉ số octan 130 88-100 Mặc dù CNG là khí đốt, nhưng phạm vi cháy hẹp, làm cho nó là nhiên liệu an toàn. Mức độ an toàn của ô tô CNG ngang hàng với ô tô xăng. Khi bị tràn ra ngoài do tai nạn,... thì CNG không gây hại cho đất và nước, nó không độc. Khả năng phân tán của CNG nhanh, giảm tối thiểu sự nguy hiểm cháy nổ liên quan đến xăng. 7.2. Hệ thống nhiên liệu động cơ DIESEL – CNG 7.2.1. Các phƣơng án sử dụng CNG trên động cơ Diesel Hiện nay các nghiên cứu cải tạo động cơ Diesel chuyển sang chạy CNG được thực hiện theo hai cách: − Tháo toàn bộ hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel, thay bằng hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG, lắp thêm hệ thống đánh lửa, bình chứa khí CNG, CNG được đốt cháy cưỡng bức. − Chuyển động cơ diesel thành động cơ nhiên liệu kép Diesel - CNG, trong đó diesel đóng vai trò là nhiên liệu mồi, được phun vào để đốt cháy lượng CNG. 7.2.2. Chuyển đổi động cơ Diesel sang động cơ dùng CNG đốt cháy cƣỡng bức Phương án này chúng ta cần phải gở bỏ hoàn toàn hệ thống nhiên liệu diesel, thay vào đó gia công lỗ để đặt bugi đánh lửa và kim phun CNG (nếu sử dụng phương pháp phun trực tiếp) hoặc bộ hòa trộn (nếu sử dụng phương pháp hòa trộn nhiên liệu trước với không khí rồi đưa vào ống nạp). Ngoài ra, còn phải Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 328 gia công lại động cơ để làm giảm tỉ số nén của động cơ vì tỉ số nén của CNG thấp hơn nhiều so với diesel. Hình 7.1: Hệ thống động cơ CNG sau khi chuyển đổi (dùng bộ chế hoà khí). Hỗn hợp được hoà trộn bên ngoài động cơ bằng một bộ trộn tương tự như bộ chế hoà khí của động cơ xăng hoặc cũng có thể phun trực tiếp vào buồng cháy giống như những nhiên liệu khác thông qua kim phun (cũng có thể phun trên đường ống nạp). Sau đó hỗn hợp được đốt cháy bởi tia lửa điện do bugi đánh ra. Đối với phương án này cần phải thiết kế một hệ thống đánh lửa với hiệu suất đánh lửa cao hơn để đảm bảo đốt cháy triệt để khí CNG (vì nhiệt độ cháy của CNG cao hơn so với xăng). Để thay đổi tốc độ và công suất động cơ, lưu lượng hoà khí được điều chỉnh bằng một bướm ga do người lái điều khiển từ buồng lái. Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 329 Hình 7.2: Sơ đồ động cơ CNG phun nhiên liệu trực tiếp. Hệ thống nhiên liệu gồm có: bình chứa nhiên liệu CNG ở áp suất cao, các van một chiều, ống dẫn nhiên liệu, lọc nhiên liệu, bộ giảm áp, bộ hòa trộn (hoặc hệ thống kim phun), các van 7.2.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống khi sử dụng bộ giảm áp a) Khi động cơ không làm việc Khi công tắc điện ở buồng lái ở vị trí mở, van khóa nhiên liệu ở trạng thái đóng. Không có nhiên liệu trong hệ thống ống dẫn. Các van có tải, van không tải, van một chiều ở trạng thái đóng. Khi công tắc điện ở vị trí đóng, van khóa nhiên liệu mở cho khí CNG có áp suất cao (khoảng 200kg/cm2) lưu thông đến bộ giảm áp. Lúc này, do động cơ không hoạt động nên không tạo ra chênh áp trong bộ giảm áp. Các van không tải và van có tải vẫn đóng. b) Chế độ khởi động Khi khởi động, cánh bướm gió gần như đóng kín, không gian đường nạp phía sau bướm gió có độ chân không lớn. Độ chân không này làm mở van một chiều, đồng thời làm cho van không tải mở ra, nhiên liệu từ bộ giảm áp đến bộ hòa trộn, cùng với không khí lọt qua khe hở của bướm gió hòa trộn rồi vào xy Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 330 lanh ở kỳ nạp. Độ đậm đặc của hỗn hợp trong giai đoạn này lớn ( <1). Van không tải của bộ giảm áp được mở do sự dịch chuyển của một màng cao su thông qua một cơ cấu đòn bẩy. Khi có độ chân không thì màng cao su dịch chuyển làm cho đòn bẩy mở van không tải. c) Chế độ không tải Khi động cơ bắt đầu hoạt động thì bướm gió từ từ mở ra. Khi động cơ đã khởi động thì bướm gió mở hoàn toàn, bướm gas gần như đóng kín. Lưu lượng không khí qua họng tiết lưu thấp nên độ chênh áp nhỏ, không đủ lực để mở van một chiều. Độ chân không sau bướm ga lớn, được truyền đến buồng của bộ giảm áp để mở van không tải. Khí CNG áp suất thấp từ bộ giảm áp đến hòa trộn với không khí ở bộ hòa trộn rồi vào xy lanh động cơ ở kỳ nạp. Lưu lượng khí CNG qua van không tải bằng với lượng nghiên liệu mà động cơ cần thiết ở chế độ không tải. d) Chế độ tăng tốc Khi tăng tốc, bướm ga mở độ ngột, làm cho lưu lượng không khí tăng lên rất nhanh. Nếu không bổ sung một lượng nhiên liệu kịp thời thì hỗn hợp sẽ loãng, làm cho quá trình cháy diễn ra khó, có thể động cơ bị ngừng hoạt động. Một cơ cấu sẽ mở van có tải rộng hơn ngay khi bướm ga mở đột ngột, bổ sung kịp thời một lượng nhiên liệu, hỗn hợp không bị làm loãng quá mức, bảo đảm động cơ hoạt động bình thường. e) Chế độ có tải Khi động cơ chuyển từ chế độ không tải sang chế độ có tải, bướm ga mở từ từ. Lưu lượng không khí qua họng tiết lưu tăng dần làm cho độ chân không ở đây tăng dần, mở van một chiều. Độ chân không này truyền đến buồng chân không của bộ giảm áp, làm mở van có tải, một lượng khí CNG qua van này bổ sung vào lượng khí CNG qua van không tải, đến hòa trộn với không khí ở bộ hòa trộn rồi vào xy lanh ở kỳ nạp. Độ mở của van có tải phụ thuộc vào độ chân Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 331 không của họng tiết lưu, tức là độ mở bướm ga. Do đó lưu lượng qua van có tải phụ thuộc vào độ mở của van này, tức là phụ thuộc vào tải của động cơ. 7.2.4. Tính năng của động cơ sau chuyển đổi Qua công việc chuyển đổi động cơ từ diesel sang sử dụng nhiên liệu CNG có những vấn đề cần lưu ý sau: − Động cơ có sự thay đổi kết cấu nhiều, tốn chi phí gia công lắp đặt. Phải thay kim phun bằng bugi, phải gia công lại lỗ kim phun để lắp bugi. Buồng cháy cũng được gia công lại để giảm tỉ số nén. − Trong điều kiện các trạm cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên chưa phổ biến thì việc vận hành xe gặp khó khăn trong vấn đề nạp nhiên liệu. − Việc điều khiển động cơ dễ dàng. − Mức độ ô nhiễm thấp. 7.3. Chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ dùng nhiên liệu kép Diesel – CNG Động cơ diesel được kiểm soát theo tốc độ và tải dựa vào việc điều khiển lượng nhiên liệu cung cấp vào trong buồng cháy. Một bộ phận quan trọng của động cơ là bộ điều tốc. Bộ điều tốc thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp khi động cơ thay đổi tốc độ giúp động cơ chạy ổn định, tránh trường hợp vượt tốc. Khi cho khí CNG vào buồng cháy, nó trở thành một phần nhiên liệu cung cấp cho quá trình sinh công, làm tốc độ động cơ tăng lên. Khi đó, bộ điều tốc sẽ giảm nhiên liệu diesel, giảm đến khi nào lượng diesel mồi còn lại không đủ đốt cháy CNG, động cơ tắt máy. Vì vậy, động cơ hoạt động không ổn định, không kiểm soát được lượng diesel cung cấp. Giải pháp đặt ra là tháo bỏ bộ điều tốc cơ khí, cố định thanh răng ở một vị trí tối thiểu đủ để đốt cháy CNG. Nhưng lượng diesel không đổi, khi động cơ chạy ở tốc độ cao nhờ vào nhiên liệu CNG sẽ gây vượt tốc. Vì với tốc độ này bộ điều tốc cơ khí sẽ kéo thanh răng, làm giảm nhiên liệu thấp hơn vị trí trên, thậm Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 332 chí ngắt nhiên liệu. Do đó, một bộ điều tốc điện tử, sử dụng motor bước di chuyển thanh răng ở mức thấp được lắp đặt nhằm ổn định động cơ. Để tự động điều chỉnh tốc độ động cơ ổn định ở một giá trị cho trước, sử dụng phương án bộ điều tốc điện tử với bộ so sánh tần số quay của bánh đà động cơ với tần số chuẩn trong mạch điện. − Khi tần số bánh đà thấp hơn giá trị chuẩn thì mạch sẽ gửi tín hiệu về bộ vi xử lý điều khiển thời gian nhấc kim phun khí CNG dài hơn nhằm tăng lượng khí phun vào. Thời gian nhấc kim phun khác nhau khi các giá trị tần số lệch khác nhau. − Khi tần số bánh đà lớn hơn giá trị chuẩn thì mạch sẽ gửi tín hiệu về bộ vi xử lý điều khiển thời gian nhấc kim phun khí CNG ngắn hơn nhằm giảm lượng khí phun vào. Thời gian nhấc kim phun khác nhau khi các giá trị tần số lệch khác nhau. − Khi tần số bánh đà nằm trong phạm vi cho phép thì giữ nguyên vị trí ban đầu. Hình 7.3: Sơ đồ một hệ thống sử dụng nhiên liệu kép Diesel - CNG điển hình. Động cơ nhiên liệu kép dựa trên kỹ thuật của động cơ Diesel. Nhiên liệu cơ sở là khí CNG nhưng chúng được thiết kế để hoạt động trong sự tương tác Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 333 với diesel. Trong đó, diesel đóng vai trò là tia lửa mồi (pilot ignition), sinh ra do nhiệt của quá trình nén chứ không phải do bugi đánh lửa. Những động cơ này có thể chạy 100% diesel. Khi chạy cầm chừng, những động cơ này có khuynh hướng chạy 100% diesel, khi động cơ bắt đầu chuyển sang chế độ chạy đầy tải, nhiên liệu CNG được cung cấp tăng lên thay thế dầu diesel lên đến 80% hay hơn nữa. Điều đó có ý nghĩa trong việc bảo vệ môi trường và những lý do kinh tế đặc biệt ở những nơi không có đủ trạm cung cấp nhiên liệu. Việc chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu kép cũng tương đối dễ dàng. 7.3.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống nhiên liệu kép Diesel – CNG Đối với động cơ sử dụng nhiên liệu kép diesel - CNG, có ba kiểu hoạt động như sau: − CNG được hòa trộn với không khí bằng bộ hòa trộn, sau đó được đưa vào buồng cháy qua xupap nạp và được đốt cháy do tiếp xúc với diesel phun mồi vào cuối kỳ nén. − CNG được phun trên các đường ống nạp sau đó được đưa vào buồng cháy và được đốt cháy khi tiếp xúc với diesel phun mồi. − CNG được phun trực tiếp vào buồng cháy ở cuối kỳ nén, và được phun gần như đồng thời (trễ 3º) so với phun diesel mồi. Hai phương án đầu tiên thì khác nhau về tạo hòa khí nhưng nguyên lý thì tương đối giống nhau: a) Kỳ nạp − Piston đi xuống điểm chết dưới. − Khí CNG được phun vào dòng khí nạp. − Hỗn hợp không khí và CNG được nạp vào trong lòng xy lanh. b) Kỳ nén − Piston đi lên điểm chết trên. − Không khí và CNG hòa trộn trong lòng xy lanh. − Hỗn hợp được nén lại. Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 334 − Nhiệt độ hỗn hợp tăng lên. − Áp suất tăng lên nhanh. − Nhiên liệu mồi được phun vào. c) Kỳ nổ − Nhiên liệu diesel phát cháy, đốt cháy khí CNG. − Áp suất và nhiệt độ trong lòng xy lanh tăng lên nhanh chóng. − Piston bị đẩy xuống phía dưới. d) Kỳ thải − Piston đi lên đẩy sản vật cháy ra ngoài qua đường xả. 7.3.2. Đặc điểm động cơ sau cải tạo − Không thay đổi các kỳ của động cơ Diesel 4 kỳ. − Không thay đổi những phần cơ bản của động cơ Diesel. − Khí CNG được phun vào đường ống nạp vào kỳ nạp của động cơ. − Khí CNG được đốt cháy bởi diesel phun mồi lớn hơn 10%. − Diesel mồi cho phép quá trình cháy rất ít khí CNG. − Tỷ số nén và hiệu suất của động cơ được duy trì. − Trung bình sử dụng hơn 75% khí CNG. − Động cơ có thể chạy 100% diesel bất cứ lúc nào mong muốn. So với 2 phương án đầu thì phương án thứ 3 là có nguyên lý hoạt động gần giống nguyên lý hoạt động của động cơ diesel truyền thống vì động cơ chỉ nạp và nén không khí, cuối kỳ nén nhiên liệu mới được phun vào buồng cháy dưới áp lực cao. Và ưu điểm của phương án này so với hai phương án trên đó là giảm được hiện tượng kích nổ. Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 335 Hình 7.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một hệ thống điển hình. Hình 7.5: Mô hình cắt dọc của động cơ chuyển đổi sang hệ thống nhiên liệu kép. Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 336 7.3.3. Các đặc tính của hệ thống nhiên liệu kép Đánh lửa được thực hiện bằng sự tự cháy của một lượng nhỏ nhiên liệu lỏng phun trước khi piston đến điểm chết trên. Nguyên tắc này giống như ở động cơ Diesel, chỉ có khác là việc điều chỉnh công suất được thực hiện bằng cách điều chỉnh thể tích khí ga nạp vào xi lanh còn lượng nhiên liệu lỏng phun mồi vẫn giữ cố định. Người ta gọi loại động cơ này là Diesel - CNG hay lưỡng nhiên liệu (Dual-fuel). Phương pháp này thường được áp dụng cho động cơ công suất lớn. Các hạt nhiên liệu lỏng phun vào buồng cháy sẽ tự bốc cháy và tạo ra chừng ấy điểm đánh lửa trong hỗn hợp nhiên liệu - không khí. So với hệ thống đánh lửa cổ điển dùng tia lửa điện, người ta thấy hệ thống đánh lửa kiểu này hiệu quả hơn nhiều vì năng lượng do nó tỏa ra cao gấp nghìn lần so với hệ thống đánh lửa bằng tia lửa điện truyền thống và nó hầu như không phụ thuộc vào sự phân bố hỗn hợp trong buồng cháy. Trong trường hợp đó, sự gia tăng áp suất diễn ra nhanh chóng hơn và hiệu suất động cơ được cải thiện đáng kể. Lượng nhiên liệu phun mồi rất nhỏ, nhỏ hơn cả lượng nhiên liệu cần thiết để duy trì chế độ không tải của động cơ Diesel. Vòi phun không được làm mát đầy đủ nên cần phải lưu ý hiện tượng kẹt kim phun. Tỉ số nén của động cơ lưỡng nhiên liệu cũng được lựa chọn vừa đủ để đảm bảo nhiên liệu phun mồi tự bốc cháy nhưng không làm tự cháy hỗn hợp CNG - không khí để tránh hiện tượng cháy kích nổ. Tỉ số nén thông thường là 14 đến 16. 7.3.4. Ƣu, nhƣợc điểm của hệ thống nhiên liệu kép Diesel – CNG Ưu điểm của phương pháp lưỡng nhiên liệu là: − Độ tin cậy khi đánh lửa cao, hiệu quả đánh lửa kéo dài và có thể đánh lửa với bất kỳ độ đậm đặc nào của hỗn hợp với điều kiện là mức độ rối của hỗn hợp CNG-không khí đủ lớn. Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 337 − Dễ dàng chuyển đổi sang lại động cơ Diesel khi có sự cố hệ thống khí CNG. − Hiệu suất nhiệt động học cao. Nhược điểm của phương pháp lưỡng nhiên liệu là tỉ số nén cao làm hạn chế công suất cực đại theo tính chất nhiên liệu khí, trong khi đó việc đánh lửa bằng tia lửa điện cho phép lựa chọn tỉ số nén tối ưu cho từng loại khí sử dụng. Tuy nhiên việc giảm tỉ số nén sẽ dẫn tới việc giảm hiệu suất nhiệt của động cơ. 7.4. Quá trình cháy trong động cơ Diesel 4 kỳ sử dụng nhiên liệu CNG Động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu CNG có ưu điểm nổi bật so với động cơ diesel sử dụng nhiên liệu lỏng truyền thống là mức độ gây ô nhiễm thấp. Trong phần này ta tìm hiểu cơ bản về quá trình cháy trong động cơ sử dụng CNG cũng như các kết quả nghiên cứu về phương pháp tạo hỗn hợp (phương pháp sử dụng bộ chế hòa khí và phương pháp phun trực tiếp CNG vào buồng cháy) và ảnh hưởng của các thông số nhiệt độ, áp suất, khí thải... Chỉ số RON và MON của CNG theo thứ tự là 130 và 115. Đây là một ưu thế của khí CNG sử dụng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức. Do tính chống kích nổ tốt nên CNG cũng được sử dụng trên động cơ có tỉ số nén cao được cải tạo từ động cơ Diesel. Trong trường hợp này người ta thường sử dụng phương pháp đánh lửa bằng cách phun mồi (động cơ lưỡng nhiên liệu). Kỹ thuật này có nhiều lợi thế trên động cơ tĩnh tại nhưng sử dụng rất hạn chết trên động cơ vận tải do việc điều chỉnh phức tạp ở chế độ quá độ. Vì vậy, hiện nay hầu hết các ô tô sử dụng CNG đều hoạt động theo chu trình động cơ đánh lửa cưỡng bức truyền thống. 7.4.1. Đánh lửa và lan truyền màn lửa trong buồng cháy động cơ sử dụng CNG Năng lượng tối thiểu của tia lửa điện cần thiết để đốt cháy hỗn hợp CH4 - không khí cao hơn nhiều so với trường hợp các hydrocacbon khác. Vì vậy, hệ thống đánh lửa của động cơ sử dụng CNG phải có tính năng cao hơn (bobine Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 338 phải có công suất cao hơn) để đảm bảo tạo ra năng lượng đánh lửa từ 100 đến 110mJ so với 30 – 40 mJ đối với động cơ xăng truyền thống. Mặt khác, giới hạn thành phần hỗn hợp có thể cháy được với khí methane rộng hơn các loại hydrocacbon khác nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp nghèo hơn. Tốc độ lan tràn màn lửa của hỗn hợp methane - không khí tương đối thấp. Đặc điểm này làm giảm tính năng của động cơ vì làm tăng truyền nhiệt từ môi chất công tác qua thành. Để khắc phục tình trạng này người ta tăng cường thêm vận động rối của hỗn hợp trong buồng cháy. Tuy nhiên, tốc độ lan truyền màng lửa thấp của hỗn hợp methane – không khí có ưu điểm là làm giảm độ ồn của quá trình cháy nhờ gradient áp suất nhỏ. 7.4.2. Thành phần và nhiệt độ của sản phẩm cháy CNG Methane chỉ chứa 75% khối lượng carbon so với 87 – 88% đối với nhiên liệu lỏng truyền thống. Trong điều kiện cháy hoàn toàn lí thuyết, thành phần CO2 cực đại trong sản phẩm cháy chỉ đạt 11,7% so với 14,5% đối với iso- octane. Cũng nhờ hàm lượng cacbon trong methane thấp nên khi động cơ làm việc với hỗn hợp giàu, thành phần CO trong khí xả thấp hơn khi sử dụng các hydrocacbon khác. Ứng với độ đậm đặc 1,1 thành phần CO trong sản phẩm cháy chiếm khoảng 2,2% đối với methane và 3,3% đối với toluen. Nhiệt độ của màng lửa của hỗn hợp methane – không khí thấp nên nồng độ NOx trong sản phẩm cháy cũng thấp. 7.4.3. Tổ chức quá trình cháy trong động cơ Diesel dùng CNG Việc cải tạo động cơ diesel sang dùng nhiên liệu khí CNG có phần phức tạp vì phải thêm hệ thống đánh lửa cưỡng bức và tổ chức quá trình cháy như động cơ xăng. Trong điều kiện đó để giảm ô nhiễm và tăng tính kinh tế của động cơ, người ta có thể áp dụng hai giải pháp kỹ thuật sau đây và hai giải pháp này đang là đối tượng nghiên cứu để tiếp tục phát triển: Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 339 Máy tính điều khiển thời gian phun Van định ➢ Giải pháp thứ nhất là cho động cơ luôn luôn làm việc với thành phần hỗn hợp cháy hoàn toàn lý thuyết kết hợp với việc xử lí khí thải bằng bộ xúc tác ba chức năng. Ưu điểm của nó là làm giảm mức độ phát ô nhiễm nhưng nhược điểm là hiệu suất giảm so với động cơ Diesel. ➢ Giải pháp thứ hai, ít có tham vọng làm giảm ô nhiễm môi trường hơn nhưng có khả năng làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu. Giải pháp này cho phép điều chỉnh thành phần hỗn hợp theo điều kiện vận hành và ưu tiên sử dụng hỗn hợp nghèo. 7.4.4. Kỹ thuật tạo hỗn hợp Việc định lượng chính xác nhiên liệu cung cấp ở mỗi chế độ làm việc của động cơ CNG đôi khi khó thực hiện. Mặt khác, khi động cơ hoạt động, thành phần hỗn hợp giữa các xi-lanh cần phải đồng đều và tổn thất trên đường nạp cần phải giảm đến mức thấp nhất... Vì vậy, hệ thống nạp của động cơ CNG đòi hỏi những kỹ thuật phức tạp. 7.4.4.1. Bộ chế hòa khí Xả Nạp Nhiên liệu Lưu lượng khí mong muốn - Nhiệt độ khí - Áp suất khí - Chênh lệch áp suất. - Áp suất khí nạp. - Nhiệt độ khí nạp - Tín hiệu cảm biến oxy - Vị trí bướm ga Hình 7.6: Sơ đồ hệ thống nạp nhiên liệu CNG trên động cơ phun tập trung. Có nhiều kỹ thuật chế hòa khí nhưng hiện nay kỹ thuật phổ biến nhất vẫn là kỹ thuật ống Venturi. Trong hệ thống này, khí CNG không những chỉ định lượng bởi độ chân không trong ống Venturi mà còn bởi sự thay đổi độ tiết lưu Máy tính điều khiển động cơ Bộ giảm áp Bộ hỗn hợp Động cơ Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 340 Động cơ Van định lượng Tốc độ động cơ Áp suất nạp Vị trí bướm ga Máy tính Bộ chấp hành Bộ giảm áp trên đường nạp. Sự điều chỉnh mức độ tiết lưu này được thực hiện nhờ một động cơ bước qua trung gian một bộ vi xử lí chuyên dụng nhận tín hiệu từ các cảm biến. Thải Nạp Nhiên liệu khí Hình 7.7: Sơ đồ hệ thống nạp nhiên liệu CNG trên động cơ phun riêng rẽ. Phương án dùng bộ chế hòa khí có nhược điểm là hệ số nạp của động cơ bị giảm ở chế độ quá độ. Để khắc phục nhược điểm này, người ta nghiên cứu áp dụng phương án phun nhiên liệu trực tiếp hay gián tiếp. 7.4.4.2. Phun gián tiếp Hệ thống phun gián tiếp cho phép cải thiện tính năng của động cơ và mức độ phát ô nhiễm. Khác với bộ chế hòa khí, hệ thống này phun nhiên liệu dưới áp suất. Điều này cho phép cung cấp một lượng nhiên liệu chính xác theo chế độ làm việc của động cơ. Mặt khác, do không có họng Venturi, hệ số nạp của động cơ được cải thiện đáng kể. Cũng như động cơ xăng, phun nhiên liệu cũng có thể được thực hiện theo phương án tập trung (một điểm) tại cổ góp đường nạp hay riêng rẽ (phun vào trước xupap nạp của mỗi xi-lanh). Hệ thống phun riêng rẽ có nhiều ưu điểm so với hệ thống phun tập trung vì nó làm giảm khả năng hồi lưu ngọn lửa vào đường nạp, cải thiện sự đồng đều nhiên liệu cung cấp cho các Cảm biến Oxy Bộ xúc tác 3 chức năng Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 341 xylanh của động cơ. Việc khống chế lưu lượng CNG nạp vào xylanh được thực hiện nhờ một bộ vi xử lí chuyên dụng. 7.4.4.3. Phun trực tiếp Kỹ thuật này có rất nhiều ưu điểm vì nó cho phép đồng thời làm giảm mức độ gây ô nhiễm và làm tăng tính kinh thế của động cơ. Phun trực tiếp CNG vào buồng cháy cho phép kết hợp các ưu điểm của khí thiên nhiên và quá trình cháy của hỗn hợp nghèo phân lớp. Mặt khác, hệ thống phun CNG còn thừa hưởng ưu thế của nhiên liệu nén ban đầu nên không cần bơm nhiên liệu áp suất cao. Động cơ có thể hoạt động không có tổn thất hệ số nạp và ở điều kiện hỗn hợp nghèo. Kỹ thuật này đòi hỏi chế tạo và điều chỉnh chính xác hệ thống phun vì vậy đắt tiền. Việc phát triển hệ thống phun tập trung hay riêng rẽ là cần thiết để tăng tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ sử dụng CNG. 7.4.4.4. Ô nhiễm khí thải của động cơ Diesel sử dụng CNG Cũng như đối với những loại nhiên liệu khác, đặc điểm phát sinh ô nhiễm của động cơ CNG liên quan đến thành phần hydrocacbon của nhiên liệu (thường nhiên liệu CNG chứa ít nhất 90% methane). Khác với động cơ xăng, trong khí xả động cơ CNG hầu như không có hydrocacbon nào có hơn 4 nguyên tử cacbon, đặc biệt hơn nữa là không có sự hiện diện của thành phần hydrocacbon thơm. Liên quan đến vấn đề tạo ozone ở hạ tầng khí quyển, khí thải ở động cơ CNG có hoạt tính thấp hơn động cơ xăng đến hai lần. Tính chất này chủ yếu là do nhiên liệu CNG chứa phần lớn methane, thành phần các chất hoạt tính (butane, buta 1, 3-diene, xylene) rất thấp có thể bỏ qua. Mặt khác, nhiên liệu CNG không bao giờ gây trở ngại đối với bộ xúc tác 3 chức năng do thành phần lưu huỳnh như trong trường hợp nhiên liệu lỏng. Tuy nhiên, sự ô xi hóa methane còn lại trong khí xả rất khó khăn. Muốn loại trừ triệt để chất khí này cần sử dụng một bộ xúc tác đặc biệt. Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 342 Động cơ diesel tăng áp khi chuyển sang sử dụng CNG với bộ xúc tác 3 chức năng và hỗn hợp có thành phần cháy hoàn toàn lí thuyết thì tổn thất hiệu suất sẽ rất lớn, có thể tới 20%. Ngược lại, nếu dùng kỹ thuật hỗn hợp nghèo, khi động cơ CNG làm việc với bộ tăng áp thì hiệu suất cao hơn (xấp xỉ động cơ diesel nguyên thủy) và momen cực đại chấp nhận được. Bảng 7.3: So sánh momen cực đại và hiệu suất của động cơ Diesel và động cơ CNG. So sánh tính năng động cơ dùng Diesel và CNG Nhiên liệu Diesel CNG PCI (kJ/kg) 42800 49100 Chế độ 1400 1260 Momen 1180 1000 Công suất 173 185 Độ đậm đặc 0,56 0,61 Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kW. h) 204 186 Hiệu suất toàn bộ 41,2 39,4 Bảng 7.4: Mức độ phát ô nhiễm của động cơ dùng CNG. Chất ô nhiễm Mức độ CO (g/mile) 0,655 HC tổng 0,230 HC không methane 0,016 NOx (g/mile) 0,112 CO2 (g/mile) 226,6 Tiêu thụ nhiên liệu 28,5 Hoạt động độc lập 175 Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 343 Chúng ta nhận thấy trong mọi trường hợp, mức độ CO và bồ hóng rất thấp, mức độ HC đôi lúc gần với giá trị cho phép bởi luật môi trường, nhưng chỉ chứa phần lớn methane (khoảng 90%), còn lại là các thành phần khác rất thấp. Còn về mức độ phát sinh NOx, khí xả động cơ CNG có nồng độ NOx rất thấp, nếu động cơ làm việc với  = 1 và có lắp bộ xúc tác 3 chức năng. Nồng độ này cao hơn một chút nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép nếu dùng hỗn hợp nghèo. Những phiền phức đặc biệt của động cơ Diesel (ồn, hôi, khói đen...) sẽ được giảm đi rất nhiều đối với động cơ CNG. Mức độ ồn giảm khoảng 3db khi động cơ hoạt động không tải đối với ô tô buýt thành phố. Về mùi hôi, chất phụ gia chứa lưu huỳnh (THT: tetrahydrothiophene) để phát hiện sự rò rỉ được thêm vào khí thiên nhiên với thành phần rất thấp (20-25 mg/m3) nên bị đốt cháy hoàn toàn. Vì vậy, khí xả động cơ CNG rất ít hôi so với động cơ Diesel. Về sự ảnh hưởng của khí thải động cơ sử dụng CNG đến hiệu ứng nhà kính, Methane cũng như CO2 và N2O là khí gây hiệu ứng nhà kính một cách trực tiếp vì vậy ta rất quan tâm đến việc nghiên cứu ảnh hưởng của việc động cơ CNG đến việc nóng lên của bầu khí quyển. Bảng 7.5: So sánh mức độ phát sinh khí gây hiệu ứng nhà kính đối với động cơ dùng xăng, diesel và CNG (gCO2/Km), theo chu trình ECE. Xăng Diesel CNG Trước bộ xúc tác 356 281 267 Sau bộ xúc tác 310 251 231 Trong thực tế động cơ CNG phát sinh ít CO2 so với động cơ nhiên liệu lỏng. Vì vậy, lượng chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong khí xả động cơ CNG thấp hơn khoảng 25% so với động cơ xăng và 5% so với động cơ Diesel. Do đó việc sử dụng CNG sẽ làm giảm đi đáng kể lượng khí gây hiệu ứng nhà kính trên phạm vi toàn cầu. Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 344 Nhìn chung, động cơ dùng CNG ngày càng được ứng dụng rộng rãi đối với ô tô hoạt động trong thành phố hay vùng ven đô, những khu vực mà tình trạng ô nhiễm môi trường do phương tiện vận hành gây ra ngày càng trở nên trầm trọng. Ở một số khu vực trên thế giới, người ta đã bắt đầu sử dụng CNG cho ô tô chạy trong thành phố. Các quốc gia như Mỹ, Ý, Canada, Hà lan, Hàn Quốc, Trung Quốc đã xây dựng những cơ sở hạ tầng phục vụ cho việc phát triển ô tô dùng nhiên liệu khí CNG. Sự phát triển CNG có thể diễn ra với một số điều kiện. Trước hết nhiên liệu này cần cho thấy được tính ưu việt chắc chắn so với những nhiên liệu đang cạnh tranh như nhiên liệu khí hóa lỏng LPG. Mặt khác, người ta chỉ tiếp tục nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí nếu như những giải pháp kỹ thuật về xử lí ô nhiễm khí xả động cơ nhiên liệu lỏng không cải thiện được so với yêu cầu của luật môi trường. Cuối cùng, như những nhiên liệu khác, sự thâm nhập của CNG đòi hỏi: + Chính sách thuế khuyến khích người sử dụng. + Cơ sở hạ tầng phục vụ việc cung cấp CNG cho ô tô. + Giải quyết vấn đề tâm lí của người sử dụng liên quan đến tính an toàn của ô tô dùng CNG. Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 345 CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Hãy trình bày các phương án sử dụng CNG trên động cơ Diesel ? 2. Hãy trình bày chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ dùng nhiên liệu kép Diesel – CNG ? 3. Hãy trình bày Quá trình cháy trong động cơ Diesel 4 kỳ sử dụng nhiên liệu CNG ? Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 346 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Tất Tiến – Nguyên lý động cơ đốt trong – NXB Giáo Dục Hà Nội 2008. [2] Dương Văn Đức – Ô tô – NXB Xây Dựng Hà Nội 2006. [3] Phạm Minh Tuấn – Động cơ đốt trong – NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội 2006. [4] Văn Thị Bông, Huỳnh Thành Công – Lý thuyết Động cơ đốt trong – NXB Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh. [5] Tài liệu trên internet Tiếng Anh [6] Pham Minh Tuan, Nguyen The Luong, Tran Quang Vinh, Tran Đang Quoc, Le Anh Tuan - Evaluation of effect on reducing emission of EMITEC three-way catalytic converter used for motorcycles - Inter. Conference organized by VR, Hanoi, November 5, 2006. [7] Pham Minh Tuan, Le Anh Tuan, Hoang Minh Duc - Simulation of turbocharged diesel engine D1146TIS designed and manufactured by VEAM - Science and Technology Magazine Nr. 61, Hanoi, 2007. [8] The Internal Combustion Engine in Theory and Practice - The M.I.T press (Masachusettes Institute of Technology) – 1998.