Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng đến các thành phần khí xả

hí xả uận văn thạc sĩ kỹ thuật ên ngành: Thiết bị máy và Cơ giới hoá Nông lâm nghiệp Mã số: 60 52 14 i h−ớng dẫn khoa học: pgs.ts Bùi Hải Triều Hà Nội - 2005 Lời cam đoan - Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và ch−a hề đ−ợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào. - Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đ−ợc cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đ−ợc chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả Phan Tr−ờng Giang 2 Lời cám ơn Tôi xin trân trọng cám ơn PGS-TS Bùi Hải Triều ng−ời đã trực tiếp h−ớng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn của mình. Xin trân trọng cám ơn các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn cơ khí động lực khoa Cơ-Điện cũng nh− các thầy giáo, cô giáo Khoa Cơ-Điện, Khoa Sau đại học Tr−ờng ĐHNN1-Hà Nội đã h−ớng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Xin trân trọng cám ơn các đồng nghiêp trong Khoa Cơ khí tr−ờng CNCKNN1-TW đã cộng tác, giúp đỡ tôi thực hiện luận văn. Tôi xin trân trọng cám ơn BGH tr−ờng CNCKNN1- TW đã tạo điều kiện và hỗ trợ kinh phí trong quá trình thực hiên và hoàn thành luận văn. Tác giả Phan Tr−ờng Giang 3 Mục lục Lời cam đoan.......................................................................................... i Lời cám ơn.............................................................................................. ii Mục lục.................................................................................................. iii những chữ viết tắt và ký hiệu dùng trong luận văn..........vi Mở đầu .................................................................................................... 1 Ch−ơng 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ............................ 4 1.1. Khái quát về chẩn đoán động cơ.......................................................4 1.2. Phân tích các thành phần khí xả........................................................6 1.2.1. Những nguyên tắc chung ...........................................................6 1.2.2. Nguyên lý một số thiết bị đo......................................................7 1.3. Phân tích khí xả để chẩn đoán động cơ...........................................13 1.4. Những kết quả đo và nghiên cứu về khí xả ôtô đã đ−ợc công bố ...14 1.4.1. Các tiêu chuẩn khí xả của Mỹ..................................................14 1.4.2. Các tiêu chuẩn khí xả Châu âu.................................................16 1.4.3. Các tiêu chuẩn khí xả của Nhật................................................17 1.4.4. Tiêu chuẩn về khí xả của hãng Toyota.....................................19 1.4.5. Kết quả nghiên cứu về khí xả để chẩn đoán động cơ...............20 1.5. Mục đích và nhiệm vụ của luận văn................................................21 Ch−ơng 2: Ph−ơng pháp nghiên cứu.......................................... 23 2.1. Ph−ơng pháp đo các tín hiệu chẩn đoán..........................................23 2.1.1. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị .....................................................23 2.1.2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị .............................................24 2.1.3. Mô tả cấu tạo máy....................................................................24 2.1.4. Cách nối các đầu dây và lắp ráp máy......................................27 2.1.5. Sử dụng máy phân tích .............................................................29 2.1.6. Các thao tác tr−ớc khi kiểm tra ................................................31 2.1.7. Thực hiện đo và lấy số liệu ......................................................34 4 2.2. Ph−ơng pháp tạo tải trọng cho động cơ chẩn đoán .........................37 2.2.1. Ph−ơng pháp dùng bệ thử con lăn ............................................37 2.2.2. Ph−ơng pháp gia tốc………………………………….. 39 2.3 Ph−ơng pháp thực nghiệm đơn yếu tố..............................................40 Ch−ơng 3: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết .................................... 42 3.1. Sự hình thành các thành phần khí xả chính....................................42 3.2. Các yếu tố ảnh h−ởng đến thành phần khí xả .................................43 3.2.1. Tỷ lệ khí - nhiên liệu lý thuyết.................................................43 3.2.2. ôxít các bon (CO) ....................................................................44 3.2.3. Khí hydro cacbon (HC)............................................................45 3.2.4. Các oxit nitơ (NOx) ..................................................................47 3.2.5. Chế độ lái xe và các khí xả ......................................................48 3.3. ảnh h−ởng của trạng thái kỹ thuật động cơ ...................................49 3.3.1. ảnh h−ởng của trạng thái kỹ thuật cơ cấu biên tay quay.........49 3.3.2. ảnh h−ởng của trạng thái kỹ thuật hệ thống nạp và xả............50 3.3.3. ảnh h−ởng của trạng thái kỹ thuật hệ thống đánh lửa .............51 Ch−ơng 4: Kết quả nghiên cứu thực nghiệm .......................... 53 4.1. Chuẩn bị ph−ơng tiện, thiết bị.........................................................53 4.2. ảnh h−ởng của tải trọng đến các thành phần khí xả.......................55 4.3. ảnh h−ởng của sức cản nạp ............................................................57 4.4. ảnh h−ởng của độ kín buồng nén ...................................................65 4.5. ảnh h−ởng của thời điểm đánh lửa .................................................73 4.6. Đánh giá kết quả và thảo luận.................................................. 81 Kết luận và đề nghị ..……………………………..…………….97 Tài liệu tham khảo …................................................................................ 98 Phụ lục ..................................................................................................... .99 5 những chữ viết tắt và Ký hiệu dùng trong luận văn Những chữ viết tắt dùng chung: BDC……………………………………………………….Điểm chết d−ới BTDC…………………………………………….…Tr−ớc điểm chết trên CHK………………………………………………….……….Chế hoà khí CLD……………………………………………….Bộ phát điện quang hoá CVS………………………………Thiết bị lấy mẫu theo thể tích không đổi EFI…………………………………………….………Phun xăng điện tử FID……………………………………….Máy đo sự ion hoá của ngọn lửa EX……………………………………………………………………….Xả NDIR………………………………………….Hồng ngoại không phân tán nđc………………………………………… tần số quay động cơ PPM…………………………………………………………….Phần triệu TDC……………………………………………………….Điểm chết trên TĐĐL………………................................................. Thời điểm đánh lửa λ .................................................................................Hệ số không khí thừa Các ký hiệu hoá học: C…………………………………………………………………..Các bon CO……………………………………………………………Oxít các bon CO2……………………………………………………………..Các bonic C8H8………………………..………………………………..ốc tan (Xăng) H2………………………………………………………………..….Hidro HC……………………………………………………….....Hidro Cácbon H2O………………………..………………………………………...N−ớc N2………………………………………………………………………Nitơ NOx……………………………………………………….….Các ôxít nitơ 6 Mở đầu Động cơ đốt trong là một tổ hợp phức tạp của nhiều cụm và chi tiết máy. Trong quá trình vận hành, d−ới tác dụng của các yếu tố nh− ma sát, tải trọng, vận tốc tr−ợt, nhiệt độ… Gây ra các h− hỏng (mài mòn, tróc rỗ, mỏi, xâm thực, ăn mòn…) làm thay đổi kích th−ớc chi tiết và biến dạng hình dáng hình học (cong, vênh, uốn, xoắn) hoặc làm thay đổi cơ tính của vật liệu. Kết quả là các trạng thái làm việc nh− khe hở lắp ghép của bạc – trục ngày càng tăng, độ kín khít nhóm xy lanh – xec măng – pittông suy giảm, quy luật nạp - thải khí, cung cấp nhiên liệu bị thay đổi v.v… Tất cả những điều đó làm xấu đi tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ đến mức không thể tiếp tục làm việc đ−ợc và phải đ−a chúng vào sửa chữa. Khả năng hạn chế của việc kiểm tra th−ờng xuyên trạng thái kỹ thuật của ôtô trong quá trình sử dụng dẫn đến hậu quả là các h− hỏng chỉ đ−ợc phát hiện khi nó đã xuất hiện một cách rõ rệt. Các h− hỏng liên quan đến việc giảm thiểu chút ít công suất, tăng chi phí nhiên liệu, tăng l−ợng thải độc hại ở khí xả, biến dạng phần truyền lực, di động, giảm hiệu quả phanh…, có thể ngay cả ng−ời lái cũng không nhận biết đ−ợc. Các h− hỏng loại này trong thời kỳ phát sinh chỉ có thể nhận biết nhờ chẩn đoán. Trong các thông số chẩn đoán biểu diễn các quá trình làm việc của các phần cấu trúc ôtô máy kéo có thể chứa một số dấu hiệu chẩn đoán. Khi đã có đ−ợc các tập hợp dấu hiệu ng−ời ta sẽ xác định, dự kiến các ph−ơng pháp xử lý thông tin nhận đ−ợc từ quá trình chẩn đoán. Việc chẩn đoán ôtô máy kéo và liên hợp máy tự chạy th−ờng đ−ợc tiến hành theo các cụm lắp ráp, các phần cấu trúc. T−ơng ứng với các phần cấu trúc mà ng−ời ta phân nhóm các thiết bị chẩn đoán sử dụng cho ôtô máy kéo và các liên hợp máy 7 tự chạy. Việc đánh giá tình trạng kỹ thuật của ôtô máy kéo và các liên hợp máy tự chạy th−ờng đ−ợc tiến hành trong quá trình sử dụng, trong khoảng giữa các thời kỳ sửa chữa, chăm sóc, bảo d−ỡng kỹ thuật. Để đánh giá tình trạng kỹ thuật một cách tổng thể ngoài việc sử dụng các thiết bị đ−ợc trang bị trên ôtô máy kéo nh− đồng hồ tốc độ, công tơ mét, đồng hồ báo mức nhiên liệu, áp suất dầu nhờn, nhiệt độ n−ớc làm mát, đồng hồ hoặc đèn báo nạp… Ng−ời ta còn sử dụng các thiết bị chuyên dùng cho chẩn đoán và đánh giá kỹ thuật ôtô máy kéo. Trên các ôtô máy kéo hiện đại đ−ợc thiết kế để ít cần thiết phải kiểm tra, chăm sóc, còn các hệ thống điện tử trên xe có thể làm việc mà không cần chăm sóc. Mặc dù vậy, vẫn có thể xuất hiện hỏng hóc do hoạt động của động cơ và hệ thống điện tử bị tác động bởi hao mòn, bẩn và ăn mòn hoá học hoặc các giá trị điều chỉnh có thể bị thay đổi. Do đó chẩn đoán nhanh và chắc chắn trong các tr−ờng hợp hỏng hóc là nhiệm vụ quan trọng nhất của các trạm dịch vụ bảo d−ỡng, sửa chữa hiện nay. Giữa kiểm tra và chẩn đoán cũng cần đ−ợc phân biệt, khi kiểm tra cần xác định những giá trị đo nhất định để so sánh với giá trị cần thiết còn khi chẩn đoán cần đặt sai lệch giữa các trạng thái trong t−ơng quan với hoạt động của hệ thống, các quan hệ hỏng hóc, các kiến thức kinh nghiệm và mục đích chính là xác định loại h− hỏng, thành phần h− hỏng. Hiện nay, với sự trợ giúp của các thiết bị chuyên dùng ng−ời ta có thể phân tích dầu nhờn để chẩn đoán động cơ, có thể đánh giá hao mòn nhờ phân tích phóng xạ…, đối với các động cơ hiện đại điều khiển điện tử, sự đánh lửa và tạo thành hỗn hợp đốt luôn trở nên đồng bộ hơn và cũng phức tạp hơn, vì vậy trong các trạm bảo d−ỡng, sửa chữa xe hơi hiện đại th−ờng đ−ợc trang bị các hệ thống chẩn đoán kiểm tra đ−ợc điều khiển bằng máy tính điện tử và bao gồm những phần cấu trúc cơ bản có tính chất vạn năng, 8 tự động hoá và không chịu ảnh h−ởng chủ quan. Các hệ thống chẩn đoán tiêu biểu bao gồm: - So sánh áp suất nén nhờ quá trình dòng điện ở máy đề. - So sánh công suất các xi lanh nhờ làm ngắn mạch riêng phần bộ phận đánh lửa hoặc nhờ phân tích chuyển động tròn đều qua phân tích tần số quay của động cơ. - Phân tích quá trình điện áp sơ cấp và thứ cấp trong hệ thống đánh lửa. - Xác định các thành phần khí xả. Việc xác định các thành phần khí xả để đánh giá về vấn đề môi tr−ờng đã đ−ợc các nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam quan tâm nghiên cứu từ những năm cuối của thập kỷ 50, đầu thập kỷ 60. Song việc xác định các thành phần khí xả để chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của động cơ vẫn còn ít đ−ợc quan tâm. Xuất phát từ lý do đó tôi chọn và thực hiện đề tài luận văn: “Nghiên cứu ảnh h−ởng của tải trọng đến các thành phần khí xả” Với mục đích góp phần xây dựng cơ sở khoa học để đánh giá và chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của động cơ thông qua việc phân tích các thành phần khí xả khi động cơ làm việc có tải trọng. 9 Ch−ơng 1. tổng quan về vấn đề nghiên cứu 1.1. Khái quát về chẩn đoán động cơ Động cơ cũng là máy móc, t−ơng tự các máy móc khác, động cơ bị mài mòn dần trong quá trình sử dụng bình th−ờng. Nh−ng trong suốt quá trình sử dụng, từ khi chế tạo tới khi bị loại bỏ, động cơ có thể có có nhiều loại sự cố khác nhau. Sự cố động cơ là tình trạng bất th−ờng ảnh h−ởng xấu đến sự vận hành của động cơ. Nguyên nhân sự cố động cơ có thể ở các bộ phận cơ học của động cơ (hệ thống cơ học động cơ). Tuy nhiên, nguyên nhân th−ờng ở một hoặc nhiều hệ thống hỗ trợ động cơ (nhiên liệu, bôi trơn, làm nguội, đánh lửa), hoặc các hệ thống khác liên quan đến động cơ, bao gồm hệ thống xả, khởi động, và điều khiển động cơ bằng điện tử (EEC). Xác định nguyên nhân sự cố là chẩn đoán sự cố. Các nguyên nhân cơ bản của các sự cố trên động cơ th−ờng là hở đ−ờng nạp không khí, điều chỉnh không đúng hoặc thay đổi góc bắt đầu phun hoặc góc đánh lửa, kẹt tắc các thiết bị phun nhiên liệu và nói chung là sai lệch trạng thái hoạt động đúng của hệ thống cung cấp nhiên liệu và hệ thống đốt cháy. Đối với mỗi dạng cấu trúc của các hệ thống này, các sai lệch có thể có những biểu hiện riêng, thí dụ đối với hệ thống cung cấp điezel là sai lệch các trạng thái của vòi phun hoặc bơm cao áp. Đối với hệ thống cung cấp chế hoà khí là sai lệch trạng thái của cacbuarator, còn đối với hệ thống phun xăng điện tử là sai lệch trạng thái của vòi phun hoặc mạch điều khiển điện tử. Các nguyên nhân khác là chất l−ợng các chi tiết làm kín kém, các chi tiết không đ−ợc xiết đủ chặt, điều chỉnh không đúng 10 các cơ cấu và hệ thống, cân bằng không đủ cho động cơ, làm sạch kém các bộ phận lọc dầu, rò rỉ ở hệ thống làm mát. Khả năng làm việc của động cơ đ−ợc đánh giá cơ bản bằng các chỉ tiêu công suất và tính tiết kiệm nhiên liệu (chi phí nhiên liệu riêng) cũng nh− chất l−ợng khởi động, mức ồn và gõ. Những sai lệch chủ yếu ảnh h−ởng đến khả năng làm việc của động cơ là: Hao mòn các chi tiết của nhóm pít tông xi lanh, mòn cổ biên và cổ chính trục khuỷu, mất điều chỉnh trong cơ cấu xupáp và các sai lệch trong hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống đốt cháy, cơ cấu biên tay quay và nhóm pít tông xi lanh [8]. Sự thay đổi trạng thái kỹ thuật của hệ thống cung cấp hỗn hợp đốt ở động cơ chế hoà khí nh− thay đổi mức nhiên liệu trong buồng phao, l−ợng cung cấp xăng từ bơm, áp suất nhiên liệu của bơm và độ chân không trong đ−ờng nạp…, sẽ làm xấu quá trình cháy và do đó làm giảm các chỉ tiêu công suất, tính tiết kiệm nhiên liệu và thành phần khí xả. Cũng dẫn đến kết quả nh− vậy khi xuất hiện trục trặc ở hệ thống điều khiển điện tử trên các xe hiện đại, đ−ợc trang bị để điều khiển động cơ, thí dụ đứt hoặc ngắt mạch, hao mòn, bẩn hoặc ăn mòn hoá học...[2], [8]. Số hỏng hóc t−ơng đối lớn nhất trong quá trình sử dụng ở động cơ chế hoà khí xuất hiện ở hệ thống đốt cháy. Sự thay đổi giá trị cần thiết của góc đánh lửa, thời điểm đánh lửa, trạng thái điều chỉnh góc đánh lửa, các thông số của mạch sơ cấp và thứ cấp, khe hở budi…, dẫn đến làm xấu các chỉ tiêu hoạt động của động cơ [1], [6]. Hao mòn còn tác động lớn hơn nữa đến các liên kết vòng găng-pít tông, các gối đỡ chính và gối đỡ biên. Khi đó th−ờng gặp hơn cả trong các gối đỡ là sự phá huỷ lớp chống ma sát, x−ớc trên bề mặt đệm cổ chính, làm nóng chảy hoặc ép vỡ tróc lớp chống ma sát, làm tắc lỗ dẫn dầu. Sai lệch chủ yếu của hệ thống bôi trơn là giảm ấp suất dầu trong mạch dầu chính do các nguyên nhân sau: Mức dầu trong các te thấp, mòn liên 11 kết trong cơ cấu biên tay quay, giảm l−ợng cung cấp của bơm dầu, mất điều chỉnh van dòng hoặc van an toàn, độ nhớt dầu thấp…[2], [7]. Sai lệch trong cơ cấu phân phối khí dẫn đến giảm công suất động cơ, tăng chi phí nhiên liệu gây ồn gõ, tăng hao tổn dầu nhờn. Việc giảm công suất xảy ra khi điều chỉnh không đúng cơ cấu, cháy hoặc biến dạng xupáp, mòn mặt cam trên trục phân phối, giảm độ đàn hồi của lò xo xupáp. Hao tổn dầu tăng là do dầu lọt qua các bộ phận làm kín, thông hơi các te kém, mòn vòng găng, pít tông và xi lanh, mòn bạc h−ớng dẫn xupáp và làm mất độ kín…[8]. Các thông số chẩn đoán đa số các tr−ờng hợp đ−ợc đặc tr−ng bởi ph−ơng pháp chẩn đoán. Trong các ph−ơng pháp chẩn đoán hiện đại có hệ thống chẩn đoán động cơ theo thành phần khí xả. 1.2 . phân tích các thành phần khí xả 1.2.1. Những nguyên tắc chung Hàm l−ợng CO trong khí xả đ−ợc xác định bằng cách đo c−ờng độ ôxi hoá xúc tác CO hoặc sự hấp thụ hồng ngoại của khí xả. Đơn giản nhất là các máy phân tích khí dựa trên ph−ơng pháp đo c−ờng độ ôxi hoá xúc tác CO, tuy nhiên lại không đảm bảo độ chính xác cần thiết. Để đảm bảo độ chính xác cao hơn ng−ời ta sử dụng máy phân tích khí xả hồng ngoại. Mẫu máy phức tạp nhất cho phép phân tích, xác định riêng biệt tất cả các thành phần khí xả cơ bản: CO, CO2, NOx, CH, O2 [8]. λ αα C2H4 C2H4 CH4 CO CO2 CH4 CO2 12 2 5 10 Hình 1.1: Phổ hấp thụ hồng ngoại của các thành phần khí khác nhau Nguyên lý làm việc của máy phân tích khí xả hồng ngoại dựa trên tính chất hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại của các phần tử khí, có nghĩa là mỗi loại khí chỉ hấp thụ bức xạ hồng ngoại có b−ớc sóng nhất định (H.1.1). Mức hấp thụ αi tỷ lệ thuận với nồng độ thành phần hấp thụ. 1.2.2. Nguyên lý một số thiết bị đo 1. Mô tơ tạo dao động 2. Bộ tạo dao động 3. Buồng so sánh 4. Bộ phận ghi 5. Cảm biến 6. Khuếch đại chính 7. Khuếch đại sơ bộ 8. Màng 9. Buồng đo 10. Buồng sáng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Hình 1.2: Nguyên lý của máy phân tích NDIR Tia hồng ngoại từ nguồn phát xuyên qua buồng đo và buồng so sánh. Khi nồng độ của khí đo trong buồng đo thay đổi, một phần các tia hồng ngoại 13 bị hấp thụ và năng l−ợng của các tia tác dụng lên cảm biến cũng thay đổi tỷ lệ. Do buồng so sánh chứa khí không hấp thụ tia hồng ngoại nên nó luôn gửi đến cảm biến một năng l−ợng không đổi. Điều này gây ra sự khác nhau về c−ờng độ lan truyền các tia hồng ngoại qua mỗi buồng, khi tia hồng ngoại trong mỗi buồng bị chặn ngắt quãng bởi bộ tạo dao động quay, năng l−ợng tia hồng ngoại bị hấp thụ bởi cảm biến đ−ợc chuyển thành áp suất và gây ra sự dao động trên màng mỏng của đầu thu số tụ điện đ−ợc gắn trong cảm biến. Dao động này đ−ợc biến đổi thành tín hiệu điện xoay chiều và đ−ợc gửi đến bộ phận ghi của máy phân tích [10], [12]. 1 2 3 4 6 7 MS 5’ 5 Hình 1.3: Sơ đồ máy phân tích khí xả hồng ngoại cảm biến điện dung Hình 1.3 giới thiệu sơ đồ máy phân tích khí xả hồng ngoại với cảm biến điện dung. Nguồn bức xạ hồng ngoại là hai sợi đốt bằng hợp kim Nicrom 2. Dòng bức xạ đ−ợc phản xạ bởi các g−ơng cầu 1 đi đến hai kênh quang, bị ngắt sáu lần trong một giây bởi đĩa quay 3 đ−ợc truyền động bởi một động cơ đồng bộ. ở kênh dẫn quang trên bố trí buồng làm việc 5, qua đó khí xả cần phân tích đ−ợc dẫn liên tục tuần hoàn qua cửa 4, ở kênh d−ới có buồng so 5’ nạp đầy nitơ hoặc không khí sạch. Sau đó dòng bức xạ đi qua 14 bộ lọc 6, bộ lọc này hấp thụ các thành phần bức xạ hồng ngoại không cần đo và đi đến buồng hấp thụ vi sai 7. Buồng 7 đ−ợc ngăn cách cân bằng nhờ cảm biến điện dung 8. Thành phần bức xạ đ−ợc khí xả hấp thụ làm nóng khí trong buồng hấp thụ và làm tăng áp suất khí. Khi tăng nồng độ của thành phần cần đo trong khí xả, dòng bức xạ đi vào buồng hấp thụ trên bị yếu đi, do vậy nhiệt độ và áp suất ở đó giảm và thay đổi theo tần số ngắt của đĩa quay. Tín hiệu thay đổi điện dung từ cảm biến 8 đi qua bộ khuếch đại và máy dò pha đến bộ phận hiển thị. Máy phân tích khí xả hồng ngoại nhạy cảm với nhiệt độ do đó nhiệt độ của khí xả đ−ợc ổn định nhờ bộ phận làm mát. Tr−ớc đó khí xả cần đ−ợc lọc và tách n−ớc ng−ng. Để đảm bảo nồng độ khí đi qua buồng làm việc, ng−ời ta sử dụng bơm để giữ áp suất không đổi. 1 2 1. Buồng đón có V1 và V2 3 2. Đầu đo dòng khí 4 3. Buồng đo 4. Đĩa quay nhờ động cơđiện 5. Bộ phát hồng ngoại 5 X M Hình 1.4: Buồng đo hồng ngoại với cảm biến dòng khí Cũng sử dụng ph−ơng pháp hấp thụ hồng ngoại, ng−ời ta còn dùng loại buồng đo với cảm biến dòng khí (Hình 1.4) Thiết bị gồm một bộ phát tia hồng ngoại đ−ợc đốt nóng đến 7000C. Tia hồng ngoại đ−ợc phát ra từ thiết bị đi qua buồng đo 3 đến buồng đón 1. Khi đo CO, Khí xả trong buồng đón đã có hàm l−ợng CO xác định. Trong 15 buồng đón, một phần bức xạ hồng ngoại bị hấp thụ. Sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại là nguyên nhân gây ra sự tăng nhiệt độ khí, tạo nên một dòng khí đi từ không gian V1 qua cầu đo dòng sang không gian V2. Do bức xạ hồng ngoại từ bộ phát tia đến buồng đón bị ngắt theo nhịp bởi một đĩa quay chắn ngang nên tạo ra một dòng khí cơ sở đổi chiều giữa hai không gian V1 và V2. Đầu đo dòng khí biến đổi tín hiệu dòng khí thành tín hiệu điện đổi chiều. Phần khí cần đo có hàm l−ợng CO thay đổi đi qua buồng hấp thụ một phần năng l−ợng bức xạ, do đó phần năng l−ợng này làm giảm dòng khí cơ sở trong buồng đón qua đầu đo, nhờ đó độ lệch tín hiệu nhận đ−ợc so với tín hiệu đổi chiề cơ sở s là số đo hàm l−ợng CO trong khí xả cần đo. Đối với các thành phần khí xả khác nh− CH, CO2, NOx cũng có nguyên lý đo t−ơ K Ng−ời ta cũng FID. Đây là một phép đo là: Nếu c Khô 2 Khí mẫu HC Khí nhiên liệu H2, N2 1 ng tự. hí xả 5 Hình có thể thực thiết bị phá ó một l−ợn ng khí A Du 1.5: Ngu hiện việ t hiện sự g nhỏ cá 3 òng điện ionẽ 1. Buồng cháy 2. Vòi phun 3. Điện trở cao 4. Cảm biến 5. Cực góp yên lý của FID c đo nồng độ HC theo nguyên lý của ion hoá của ngọn lửa. Nguyên lý của c hydro cácbon trong ngọn lửa hydro, 4 Đầu ra 16 nhiệt độ trong ngọn lửa sẽ làm các hydro cácbon này phân chia, tạo ra ion. Những ion này đ−ợc sinh ra tỷ lệ với nồng độ hydro cácbon. Hình 1.5 giới thiệu nguyên lý kết cấu và hoạt động của FID. Một khí mẫu và nhiên liệu đ−ợc trộn ở phần A của vòi phun. Hỗn hợp sau đó hoà trộn với không khí trong buồng cháy. Một điện áp âm cao đ−ợc đặt vào vòi phun và một điện áp d−ơng cao đ−ợc đặt vào cực góp. Cảm biến xác định c−ờng độ dòng điện (dòng ion) đi giữa 2 cực (vòi phun và cực góp) bằng cách đếm sự thay đổi số l−ợng ion đ−ợc sinh ra trong ngọn lửa hydro. Nồng độ HC đ−ợc tính theo đó, kết quả đ−ợc gửi về bộ phận ghi. O3 NO phóng 4 321 PM 5 67 1. ống phản ứng 2. Chất phát sáng 3. Khuếch đại 4. Chỉ thị 5. Nguồn điện áp cao 6. Cảm biến 7. Lọc Hình 1.6: Nguyên lý của CLD Trong phép đo nồng độ NOx, một NDIR hay CLD (bộ phát hiện quang hoá) đ−ợc sử dụng. ở đây chúng ta sẽ miêu tả nguyên lý của một CLD, khi NO tác dụng với O3, sẽ có một phản ứng hoá học xảy ra, đồng thời ánh sáng của một b−ớc sóng đặc biệt cũng đ−ợc phát ra, c−ờng độ ánh sáng phát ra tỷ lệ với nồng độ NO. Hơn nữa ở nhiệt độ cao, NOx biến thành NO 17 tạo ra một phản ứng hoá học giống nh− trên, c−ờng độ ánh sáng sinh ra tại thời điểm này đ−ợc đo lại [8]. Hình 1.6 mô tả nguyên lý của CLD. Khí NO và O3 đ−ợc đ−a vào ống phản ứng và một phản ứng hoá học xảy ra. ánh sáng sinh ra đi xuyên qua một thiết bị lọc và đ−ợc đo bằng một máy khuếch đại quang học (PM), tại đây nó đ−ợc khuếch đại và đo để tính ra nồng độ NO trong khí xả. Khí xả 5 32 1 4 0.8 1,0 1,2 Us λ 1. ống xả 2. Điện cực 3. Tiếp điểm 4. Tiếp xúc với vỏ 5. Lớp gốm bảo vệ Us. Điện áp cảm biến Hình 1.7: Cảm biến lambda Hàm l−ợng O2 còn lại trong khí xả đ−ợc đo nhờ cảm biến Lambda đ−ợc lấy làm tín hiệu vào để hệ thống định l−ợng nhiên liệu điều chỉnh hỗn hợp nhiên liệu - không khí trong quá trình cháy rất chính xác đến giá trị λ = 1. Một phần của đầu đo Creramic nằm trong dòng khí xả còn một phần khác 18 tiếp xúc với không khí môi tr−ờng. Bề mặt của đầu đo Creramic Zr.O nối với các điện cực đ−ợc phủ một lớp mỏng Platin có thể cho khí đi qua vật liệu Creramic của đầu đo có thể dẫn điện (Các ion oxy), khi nhiệt độ v−ợt quá 3000C. nếu thành phần O2 ở hai phía khác nhau thì sẽ xuất hiện giữa hai bề mặt giới hạn một điện áp. Điện áp này chính là số đo sai lệch hàm l−ợng O2 ở hai phía của đầu đo. Trong khí xả của động cơ, cả khi cháy trong trạng thái thừa nhiên liệu vẫn còn d− hàm l−ợng O2. (Thí dụ λ = 0,95 vẫn còn 0,2-0,3 % thể tích). Hàm l−ợng O2 trong khí xả phụ thuộc với mức độ mạnh vào thành phần hỗn hợp nhiên liệu - không khí đ−a vào động cơ. Quan hệ này cho phép lấy hàm l−ợng O2 trong khí xả làm số đo hệ số thừa không khí λ [8], [9]. Ph−ơng pháp phân tích khí xả hồng ngoại đ−ợc các hãng CAN (Mỹ), Hofman và Infralit (Đức), Jahagimoto (Nhật), Tecnotest (Italy)…, ứng dụng. 1.3. Phân tích khí xả để chẩn đoán động cơ Chất l−ợng cháy của hỗn hợp đốt có ảnh h−ởng lớn đến việc phát huy công suất động cơ, chi phí nhiên liệu. Mặt khác, chất l−ợng cháy của hỗn hợp lại phụ thuộc vào tình trạng kỹ thuật của nhiều hệ thống, chi tiết của động cơ - Mà một phần kết quả của quá trình cháy là khí xả. Nói cách khác, các thành phần khí xả là biểu hiện chất l−ợng đốt cháy hỗn hợp cũng có nghĩa là biểu hiện tình trạng kỹ thuật của động cơ nói chung. Vì vậy, việc phân tích các thành phần khí xả để chẩn đoán động cơ cũng là một trong những h−ớng nghiên cứu về chẩn đoán hiện đại. Hiện nay, các thiết bị đo và phân tích khí xả đ−ợc sử dụng để kiểm tra l−ợng khí xả của các ph−ơng tiện cơ giới tham gia giao thông theo luật định. Những thiết bị đo và phân tích khí xả cũng còn là ph−ơng tiện trợ giúp hiệu lực để điều chỉnh tối −u sự tạo thành hỗn hợp, quá trình đốt cháy 19 hỗn hợp, thời điểm đóng mở xupáp… hơn nữa, các thiết bị này khi đ−ợc tận dụng và khai thác triệt để nó cũng sẽ là những công cụ trợ giúp đắc lực cho việc phán đoán sự cố khi tiền hỏng hóc ở động cơ [7], [8]. 1.4 . Những kết quả đo và nghiên cứu về khí xả ôtô đ∙ đ−ợc công bố 1.4.1. Các tiêu chuẩn khí xả của Mỹ Việc kiểm tra sử dụng để quyết định xem liệu xe mẫu cụ thể có phù hợp với các tiêu chuẩn khí xả của Mỹ hay không đ−ợc tiến hành bằng cách đặt xe lên bệ thử, chạy xe ở chế độ LA4 và đo tổng khối l−ợng từng khí xả (CO, HC, NOx) phát ra từ ôtô. Những tiêu chuẩn này áp dụng cho các xe động cơ xăng, không tính tới khối l−ợng hay dung tích xi lanh [8], [9]. Chế độ kiểm tra LA4 đ−ợc tiến hành theo cách sau: đầu tiên chiếc xe đ−ợc để trong phòng thí nghiệm từ 12 đến 36 giờ với nhiệt độ bên ngoài đ−ợc kiểm soát rất cẩn thận (Duy trì trong khoảng 100C - 300C). Sau đó động cơ xe đ−ợc khởi động lạnh. Khối l−ợng (g/dặm) của CO, HC, NOx phát ra từ xe đ−ợc đo bằng thiết bị lấy mẫu theo thể tích không đổi (CVS) trong khi xe đang chạy trên bệ thử động ở chế độ LA4. Bên cạnh những giá trị đã đo đ−ợc, các giá trị về bay hơi nhiên liệu và lọt khí cũng đo đ−ợc bằng ph−ơng pháp kiểm tra này. 20 Hình1.8: Chế độ chạy trong thành phố của Mỹ - Mô hình lái xe LA4 Thời gian mẫu: 1877s Tốc độ trung bình: 34,2 km/h Thời gian chạy: 1877s Tốc độ cực đại: 91,2 km/h Khoảng cách: 17,84 km Thời gian chạy không tải: 18,2% Giá trị tiêu chuẩn (Dùng cho các xe chở khách năm 1995) CO HC NOx 50.000 dặm 3.4 0.25 0.4 100.000 dặm 4.2 0.31 0.6 Đơn vị: g/dặm - Thiết bị lấy mẫu theo thể tích không đổi (CVS): đây là loại thiết bị đ−ợc dùng để đo khối l−ợng CO, HC, NOx trong khí xả ôtô. nó hoạt động nh− sau: Tất cả các khí xả từ ống xả đ−ợc pha loãng với không khí hút vào trong buồng trộn bởi một quạt Roots. L−ợng khí xả đã hoà trộn với không khí hút vào đ−ợc đo bằng máy đo. Sau đó phần lớn hỗn hợp khí xả không khí đ−ợc xả ra khỏi bộ lấy mẫu. Tuy nhiên một phần nhỏ của hỗn hợp này đ−ợc chứa trong túi 1 và tỷ trọng mỗi khí (CO, HC, NOx) đ−ợc đo. Khối l−ợng mỗi khí sau đó đ−ợc tính bằng cách nhân nồng độ của mỗi khí trong túi 1 bằng với tỷ trọng khí và bằng thể tích khí đã xả ra bởi quạt (Đ−ợc đo bởi máy đo): W = C x D x V Trong đó W: Khối l−ợng khí C: Nồng độ khí D: Tỷ trọng khí V: Thể tích khí xả ra bởi quạt Kết quả sau đó còn phải đ−ợc điều chỉnh để tính đến nhiệt độ và áp suất xung quanh. L−ợng HC, CO, NOx trong môi tr−ờng xung quanh đ−ợc hút vào túi 2 tr−ớc khi chúng đ−ợc trộn với khí xả (túi 2 đóng vai trò kiểm tra khí trong túi 1, l−ợng CO, HC, NOx trong túi 2 trừ đi l−ợng CO, HC, NOx trong túi 1). 21 Hình 1.9: Thiết bị lấy mẫu theo thể tích không đổi (CVS) 1.4.2. Các tiêu chuẩn khí xả Châu Âu Phần lớn các n−ớc châu âu sử dụng các tiêu chuẩn khí xả EEC, gọi nh− thế bởi vì các tiêu chuẩn này đ−ợc phát triển bởi cộng đồng kinh tế châu âu (EEC). Có 5 tiêu chuẩn EEC đ−ợc gọi tên từ kiểu I đến kiểu V. Trong kiểu thử I xe chạy trên băng thử theo chế độ nh− hình vẽ d−ới, khối l−ợng CO, HC, NOx sinh ra bởi xe đ−ợc đo. Kiểm tra kiểu này giống nh− kiểu của Mỹ, nó bắt đầu từ lúc xe khởi động lạnh (sau khi đã để trong phòng có nhiệt độ 200C - 300C ít nhất 6 tiếng) [8], [9]. Trong quá trình kiểm tra, l−ợng CO, tổng l−ợng HC và NOx đ−ợc đo trong xe khi thực hiện hoàn chỉnh 1 chế độ kiểm tra bao gồm: Không tải, tăng tốc, chạy đều, giảm tốc. Một chế độ kiểm tra mới đã đ−ợc áp dụng cho các xe mới bắt đầu từ 7/ 1992. Chế độ này ngoài phần chạy trong thành phố nh− chỉ ra d−ới đây còn thêm phần chạy trên đ−ờng cao tốc với tốc độ cực đại 120 km/h. 22 Hình 1.10: Chế độ chạy trong thành phố của EEC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 10 20 30 40 50 Tốc độ xe km/h Idle Thời gian mẫu: 780s Tốc độ trung bình: 19 km/h Thời gian chạy: 820s Tốc độ cực đại: 50 km/h Khoảng cách: 4,05 km Thời gian không tải: 35,4% Giá trị tiêu chuẩn (Dùng cho xe du lịch chở đ−ợc đến 6 khách năm 1995 và 1996) CO HC + NOx 1995 2.72 0.97 1996 2.20 0.50 Đơn vị: g/km 1.4.3. Các tiêu chuẩn khí xả của Nhật ở Nhật bản, cả hai chu trình 10 chế độ và 11 chế độ d−ới đây đều đ−ợc sử dụng: - Đo theo chu trình 10 chế độ: Chu trình này bao gồm 10 chế độ lái xe khác nhau, đó là: Tăng tốc, Tốc độ không đổi, giảm tốc và không tải, những chế độ này dựa tr._.ên điều kiện lái xe bình th−ờng ở Tokyo. Ph−ơng 23 pháp này cũng đ−ợc gọi là “ph−ơng pháp khởi động nóng”. Xe đ−ợc hâm nóng trên băng thử 45 phút ở tốc độ 40 km/h, sau đó xe đ−ợc chạy theo 6 chu trình, mỗi chu trình bao gồm 10 chế độ nh− hình d−ới. L−ợng khí xả từ chu trình thứ 2 đến chu trình thứ 6 đ−ợc thu lại và đo bằng ph−ơng pháp CVS. Chế độ A 10.15 đ−ợc áp dụng trên những xe mới bắt đầu từ tháng 11/1991, so với chu trình 10 chế độ ở d−ới nó còn thêm chế độ chạy ở tốc độ cực đại 70 km/h [8]. Hình1.11: Chế độ lái xe Nhật 10 chế độ (6 chu kỳ) Chu kỳ hâm nóng 135 giây 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 10 20 30 40 50 Tốc độ xe km/h Thời gian mẫu: 675s Tốc độ trung bình: 17,7 km/h Thời gian chạy: 810s Tốc độ cực đại: 40 km/h Khoảng cách: 3,98 km Thời gian không tải: 26,7% - Đo theo chu trình 11 chế độ: Ph−ơng pháp này t−ơng đ−ơng với ph−ơng pháp 10 chế độ, nh−ng nó dựa trên chế độ lái xe từ vùng ngoại ô vào thành phố, tốc độ lái cao hơn chu trình 10 chế độ. Ph−ơng pháp này cũng đ−ợc gọi là “ph−ơng pháp khởi động lạnh”. Xe đ−ợc để ở nhiệt độ 200C - 300C trong 6 giờ. Việc đo đ−ợc bắt đầu ngay sau khi xe nổ máy. Xe đ−ợc chạy trong 4 chu trình, mỗi chu trình bao gồm 11 chế độ nh− hình vẽ d−ới. Khí xả đ−ợc giữ lại từ lúc động cơ khởi động đến lúc kết thúc kiểm tra và đ−ợc đo bằng ph−ơng pháp CVS. 24 Hình 1.12: Chế độ lái xe Nhật 11 chế độ (4 chu kỳ) 0 10 20 30 40 50 Tốc độ xe km/h 60 5 11 7 9 10 1 2 3 4 6 8 Thời gian mẫu: 480s Tốc độ trung bình: 30,6 km/h Thời gian chạy: 505s Tốc độ cực đại: 60 km/h Khoảng cách: 4,08 km Thời gian không tải: 21,7% các chế độ tiêu chuẩn (Dùng cho xe năm 1995) Chế độ 10 - 15 Chế độ 11 CO g/km HC g/km NOx g/km CO g/lần thử HC g/lần thử NOx g/lần thử áp dụng cho xe du lịch có khả năng chở đến 10 ng−ời 2.10 0.25 0.25 6.0 7.0 4.4 1.4.4. Tiêu chuẩn về khí xả của hãng TOYOTA Theo các tiêu chuẩn qui định về thành phần CO trong khí xả của hãng TOYOTA: + Với loại động cơ 1RZ, 2RZ CO ≤ 2.5% (Đối với các xe xuất sang châu âu, Singapo, Các n−ớc vùng vịnh tỷ lệ này là CO = 1.0 ± 0.5%) 25 + Với loại động cơ của xe Camry CO ≤ 1.5% (đối với các xe xuất sang châu âu, Singapo, Các n−ớc vùng vịnh tỷ lệ này là CO = 0 - 0.5%) [3]. Hãng TOYOTA cũng đã tiến hành phân tích 4 loại khí với trên 100 mẫu xe của hãng trong các điều kiện bảo trì tốt và có l−ợc đồ so sánh nh− sau: Hình 1.13: l−ợc đồ so sánh 4 loại khí trong các điều kiện bảo trì tốt (Trong l−ợc đồ này, CO là khí tham chiếu) 1.4.5. Kết quả nghiên cứu về khí xả để chẩn đoán động cơ Việc phân tích các thành phần khí xả để chẩn đoán động cơ đã đ−ợc các nhà khoa học nghiên cứu, đ−a ra những kết luận ban đầu và tổng quát về tình trạng kỹ thuật của động cơ thông qua các thành phần khí xả. Vấn đề này cũng đã đ−ợc tác giả Phạm Tố Nh− thực hiện trong luận văn thạc sỹ 26 với đề tài “Nghiên cứu một số cơ sở khoa học để xây dựng hệ thống chẩn đoán động cơ theo thành phần khí xả” năm 2004. Kết quả đề tài đã cho những kết luận ban đầu về tình trạng kỹ thuật của động cơ, chẩn đoán h−ớng h− hỏng có thể xảy ra. Đề tài mới dừng lại ở việc nghiên cứu ảnh h−ởng của các thành phần khí xả trên động cơ xăng ở chế độ chạy không. 1.5. Mục đích và nhiệm vụ của luận văn Chẩn đoán kỹ thuật tiền hỏng hóc là công việc có vị trí rất quan trọng. Đây là công đoạn đầu tiên phục vụ cho việc tháo lắp, thay thế và điều chỉnh một cơ cấu, một hệ thống thậm chí toàn bộ động cơ để đạt lại những tiêu chuẩn kỹ thuật ban đầu. Với những ôtô đ−ợc trang bị những loại động cơ ngày càng hoàn thiện, phức tạp và đồng bộ với sự tham gia của hầu hết những thành tựu khoa học và công nghệ tiên tiến nh− điều khiển điện tử, kỹ thuật tin học…, thì việc giám sát, chẩn đoán bằng các ph−ơng pháp truyền thống thông th−ờng là hết sức hạn chế và rất khó thực hiện. Ví dụ nh− việc kiểm tra bằng cách tháo các bộ phận, chi tiết nào đó rồi xác định các thông số sẽ làm sự ổn định của các mối ghép thay đổi, điều này làm xấu đi hiệu quả hoạt động của bộ phận, chi tiết đó. Chính vì thế nên khoa học chẩn đoán hiện đại đ−ợc đi cùng với những thiết bị chuyên dùng t−ơng ứng đ−ợc trang bị ở các x−ởng chuyên môn, đồng thời cũng xuất hiện ngày càng nhiều các thiết bị cầm tay nhỏ gọn, linh hoạt và tiên tiến. Mặt khác, trong điều kiện kỹ thuật ngày càng phát triển, những yêu cầu về đảm bảo các điều kiện tốt nhất cho sức khoẻ đời sống con ng−ời ngày càng đ−ợc coi trọng. Vấn đề môi tr−ờng và bảo vệ môi tr−ờng đang đ−ợc quan tâm và liên tục đ−ợc đề cập ở mọi khía cạnh của cuộc sống, nhất là đối với các ph−ơng tiện xe-máy tham gia giao thông. ở nhiều quốc gia đã có những bộ luật với những qui định bắt buộc về thành phần khí xả (nhất là những thành phần độc hại) của các xe đang l−u hành. Các khí CO, HC và 27 NOx trong khí xả ôtô (cùng với các khí xả ra từ các nhà máy) là nguồn lớn nhất tạo ra các chất ô nhiễm không khí. Khí xả ôtô gây ra những vấn đề đặc biệt nghiêm trọng ở thành thị, nơi có mật độ ôtô rất cao. Điều này đã làm xuất hiện những thiết bị kiểm tra khí xả để đánh giá việc đáp ứng đ−ợc các đòi hỏi về môi tr−ờng [8]. Căn cứ vào những kết quả đã thu đ−ợc trong đề tài nghiên cứu của tác giả Phạm Tố Nh− [4]. Để thấy đ−ợc ảnh h−ởng của tải trọng đến các thành phần khí xả khi động cơ có các hỏng hóc điển hình, nhằm làm rõ hơn và so sánh với các thành phần khí xả khi động cơ làm việc ở chế độ chạy không. Cùng với thiết bị và điều kiện sẵn có tôi thực hiện đề tài: ‘Nghiên cứu ảnh h−ởng của tải trọng đến các thành phần khí xả”. Đề tài đ−ợc thực hiện với ph−ơng pháp thực nghiệm cộng với phân tích lý thuyết - tổng hợp, với mục tiêu cuối cùng là chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của động cơ dựa vào các số liệu về thành phần khí xả đo đ−ợc nhờ các thiết bị chuyên dùng hoặc đ−ợc cung cấp từ các hồ sơ kiểm định. Cụ thể là: - Phân tích lý thuyết các yếu tố cơ bản ảnh h−ởng đến thành phần khí xả - Lựa chọn các ph−ơng án tạo tải trọng cho động cơ - Tạo lập những h− hỏng điển hình rồi tiến hành thực nghiệm để xác định các thành phần khí xả t−ơng ứng với các h− hỏng ở các chế độ tải trọng khác nhau đặt lên động cơ. - Tổng hợp, phân tích những số liệu có đ−ợc để có thể rút ra những kết luận cần thiết và những h−ớng nghiên cứu tiếp theo. Với những khả năng có đ−ợc về thời gian, kinh phí và để tiện so sánh với kết quả thu đ−ợc trong tr−ờng hợp động cơ hoạt động không tải đã đ−ợc tác giả Phạm Tố Nh− công bố [4]. Đề tài đ−ợc tiến hành trên hai loại động cơ xăng của hãng TOYOTA đó là động cơ xăng sử dụng chế hoà khí 1RZ đặt trên xe TOYOTA HIACE đời 1998 và động cơ phun xăng điện tử EFI đặt trên TOYOTA CAMRY 2000. 28 Ch−ơng 2. Ph−ơng pháp nghiên cứu 2.1. Ph−ơng pháp đo các tín hiệu chẩn đoán 2.1.1. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị Tecnotest - 473 . Management of Multi-operative Center M NOx O2 Water ouT Zero GAS IN cal GAS IN 1 2 3 4 5 16 17 15 10 11 12 13 14 9 ouT gas 6 8 7 29 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị Tecnotest - 473 1. Cảm biến đo dòng khí 10. Cảm biến O2 2. Bơm màng 11. Giá lọc tiêu chuẩn 3. Bộ phát tia hồng ngoại 12. Bộ lọc ly phân ng−ng 4. Mô tơ đồng bộ 13. Bộ lọc ngoài trong suốt 5. Tế bào quang điện 14. Đầu lấy mẫu 6. Bộ lọc quang học 15. Lọc bằng than hoạt tính 7. Bộ thu tia hồng ngoại 16. Van điện từ 8. Bộ khuếch đại (Tự động hiệu chỉnh về 0) 9. Cảm biến NOx (Đặt thêm) 17. Van điện từ (Lấy chuẩn) 2.1.2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị Thiết bị này đ−ợc sử dụng để xác định nồng độ các khí CO, CO2, HC và O2. Các khí đ−ợc lấy từ đuôi của ống xả bằng ống lấy khí mẫu 14. Chúng đ−ợc tách n−ớc sau khi đã đi qua bộ lọc ng−ng 12 và đ−a vào bộ đo 5. Với ánh sáng hồng ngoại đ−ợc phát ra bởi bộ phát 3, gửi qua bộ lọc quang học 6 và đ−ợc đo đạc bởi bộ phận 7. Các khí chứa trong bộ phận 5 có các b−ớc sóng khác nhau phụ thuộc vào hàm l−ợng của chúng. Các khí H2, N2, O2 do không hấp thụ đ−ợc các tia hồng ngoại phát ra nên không xác định đ−ợc nồng độ đậm đặc thông qua hệ thống tia hồng ngoại. Tuy nhiên, máy phân tích này đ−ợc lắp với một cảm biến hoá học 10, thông qua nó ta đo đ−ợc nồng độ % của O2. Các khí CO, CO2 và các khí HC nhờ các phân tử của chúng hấp thụ các tia hồng ngoại nên xác định đ−ợc các b−ớc sóng riêng của chúng. 2.1.3. Mô tả cấu tạo máy + Mặt tr−ớc của máy: 30 Hình 2.2: Mặt tr−ớc máy 1. Tấm che phía tr−ớc 2. Vỏ che 3. Đế máy Tấm che phía tr−ớc của máy không lắp với màn hiển thị hoặc bộ điều khiển nào, do đó việc điều khiển thiết bị phụ thuộc hoàn toàn vào máy vi tính hoặc bộ điều khiển đa chức năng FLEX (mô đun 515 có cổng Multiflex) + Mặt sau của máy: Hình 2.3: Mặt sau máy 4. Đầu ống ngắn trong suốt: Để giữ bộ lọc phân ly ng−ng 5. Bộ lọc phân ly ng−ng: Cho phép lọc phần ng−ng từ khí xả 6. Đầu ống dài trong suốt: Để giữ bộ lọc tiêu chuẩn 31 7. Bộ phận lọc tiêu chuẩn: Để lọc các tạp chất từ khí xả 8. Mác máy: Ghi các đặc tính kỹ thuật của máy 9. Nắp cao su bịt ống 10. Cổng AUX.1: Cổng nối máy với bộ Flex 11. Cổng 1St CYL: Nối với cảm biến tín hiệu số vòng quay (máy 1) 12. LAMDA Tap: Đầu cắm cho đầu dò Lamda 13. Bảng nguồn cung cấp: Có công tắc, đầu cắm và cầu chì 2A 14. Cổng TEMP 0C: Cổng nối với cảm biến nhiệt độ 15. Bộ lọc bằng than hoạt tính: Nó phân ly phần xăng thừa và tạp chất từ khí đ−ợc hút vào để làm sạch bộ khí động bên trong 16. Đầu nối CAL GAS IN: Để nối với bình khí mẫu 17. Đầu nối ZERO GAS IN: Nối với đầu khí vào dùng cho việc làm sạch bộ khí động bên trong 18. Cảm biến O2: Để đo hàm l−ợng % của O2 trong khí xả 19. Đầu nối OUT GAS: Đầu ra của khí cần phân tích 20. Đầu cắm kiểm tra độ kín 21. đầu nối OUT WATER: Đầu ra của phần ng−ng (n−ớc) trong khí đã phân tích 22. Đầu nối IN GAS: Đầu vào của ống khí xả + Các cổng nối tiếp: 32 Hình 2.4: Các cổng nối tiếp của máy Máy phân tích có một cổng AUX 1 để ghép nối tiếp. Cổng này cho phép nối tới bộ đa sử lý VISA/VISA COMPACT. Máy phân tích khí đ−ợc chứa trong một ca bin của bộ sử lý trung tâm thuộc họ VISA. Khi nối máy phân tích với máy tính, tất cả các thao tác điều khiển đều đ−ợc thực hiện thông qua bàn phím, các kết quả hiển thị trên màn hình của máy tính và có thể in ra qua máy in. 2.1.4. Cách nối các đầu dây và lắp ráp máy Hình 2.5: Cách nối các đầu dây và lắp ráp máy a. Tháo các nút bảo vệ đã đ−ợc cắm vào các cổng và các đầu nối b. Cắm ống 2 vào đầu ng−ng 3 để đ−a n−ớc ng−ng ra xa máy phân tích c. Nối dây cáp nguồn 1 vào cổng đặt trong bộ VISA d. Để nối đúng điện áp cung cấp, hãy đảm bảo rằng cổng có các đặc tính Điện áp/Tần số giống với Điện áp/Tần số ghi trên nhãn máy. Nối đất là rất cần thiết. e. Nối kẹp cảm ứng 11vào cổng 1st CYL 5 f. Nối cảm biến nhiệt độ 10 vào cổng TEMP. 0C g. Nối dây 8 vào cổng LAMBDA 7 h. Nối dây cáp SHUNT 9 vào dây 8 33 i. Nối với bình khí mẫu nếu bình khí đ−ợc cung cấp. Hình 2.6: Cách nối cảm biến khí xả j. Cắm dây liên kết máy tính 13 vào cổng AUX.1 của máy phân tích, đầu kia cắm vào cổng COM của máy tính k. Lắp hệ thống nạp khí theo các nguyên tắc sau: + Cắm đầu dò khí mẫu 6 vào đ−ờng ống dài 6m 15 + Nối với đ−ờng ống có bộ lọc ngoài 14 đã đ−ợc nối với đ−ờng ống dài 80 cm. + Cắm bộ đã lắp ráp trên vào cổng khí vào 12 Chú ý: Cảm biến ôxy 17 là loại cảm biến hoá học và nó phải đ−ợc thay thế khi hết hạn sử dụng. Để thay thế cảm biến khí xả, cần phải yêu cầu có sự trợ giúp của nhân viên kỹ thuật. Để tránh thay đổi các kết quả đo, hãy để đầu nối ra OUT-GAS tự do. 34 Hình 2.7: Cảm biến ôxy 2.1.5. Sử dụng máy phân tích a. Các điều kiện kiểm tra Sau khi thực hiện các điều kiện ban đầu, tr−ớc khi tiến hành đo và lấy số liệu cho chế độ kỹ thuật tiêu chuẩn, cần phải kiểm tra lại và bảo đảm rằng: - Phạm vi nhiệt độ môi tr−ờng nằm trong khoảng từ 50C đến 400C - ống xả của xe đ−ợc bắt chặt và kín - Các số liệu liên quan đến: Chế độ không tải, góc cam, góc đánh lửa, hành trình các xu páp… là tiêu chuẩn đ−ợc qui định bởi nhà sản xuất xe. - Nhiệt độ dầu động cơ đ−ợc thông qua cảm biến đã lắp với máy phân tích sẽ cao hơn 600C. b. Đo nhiệt độ Trong khi thực hiện các kiểm tra, nhiệt độ của động cơ đ−ợc hiển thị trên hộp TEMP.0C ở màn hình máy tính sau khi đã đ−ợc đo bởi cảm biến lắp với máy phân tích. Phạm vi nhiệt độ đo từ 50C đến 2000C. Cảm biến nhiệt độ phải đ−ợc cắm vào lỗ thăm dầu. Nhúng vào độ sâu vừa đủ (điều chỉnh nút cao su 1 sao cho độ dài phần nhúng vào đúng bằng độ dài của que thăm dầu). 35 Hình 2.8: Cách nối cảm biến nhiệt độ Chú ý: Khi cắm cảm biến nhiệt độ vào, không để dây cáp nối cạnh những nguồn gây nhiễu mạnh (Cuộn dây, cáp budi, bộ chia điện). Đặc biệt, không đ−ợc xoắn các dây cáp trong buồng động cơ. c. Sử dụng bộ đếm số vòng quay Trong khi thực hiện việc phân tích khí, cần phải vận hành động cơ ở chế độ chạy không tải (Giá trị do nhà sản xuất qui định). Để làm việc này, có thể sử dụng bộ đếm số vòng quay cảm ứng đi cùng với máy phân tích. Bộ đếm số vòng quay đã đ−ợc đặt tr−ớc cho các động cơ 4 kỳ, tuy nhiên có thể đặt lại để đo động cơ 2 kỳ bằng cách sử dụng các nút trên bàn phím. Hình 2.9: Cách nối cảm biến số vòng quay 36 + Nối kẹp cảm ứng 1 vào dây cáp đánh lửa của xi lanh thứ nhất theo h−ớng chỉ bởi mũi tên 2. + Khi động cơ chạy, số vòng quay sẽ hiển thị trên hộp RPM ở màn hình máy tính. Nếu trong khi kiểm tra, số vòng quay không ổn định (Số chỉ theo h−ớng các giá trị không bình th−ờng), Điều này có nghĩa một vài tín hiệu kí sinh hoặc một vài tín hiệu khác nhiễu vào từ hệ thống đánh lửa của các máy khác không liên quan đến xi lanh đ−ợc kẹp cảm ứng kẹp vào. Các lý do tạo nên sự mất mát này là rất nhiều, chúng có thể là: + Các tiếp xúc budi không tốt gây ra điện trở v−ợt quá giới hạn. + Điện áp ra của dây cao áp quá lớn. + Khoảng cách giữa các điện cực budi quá lớn + Các dây cáp budi quá gần nhau và cách điện không tốt + Các dây cáp và budi bị ẩm Để loại trừ đ−ợc các mất mát này, ngoài việc can thiệp trực tiếp vào các khiếm khuyết trên, ta còn có thể giảm (damp) độ nhạy của kẹp điện từ. Cơ cấu này đ−ợc cung cấp bởi một công tắc ở trên kẹp. Trên một số động cơ thông th−ờng, để điều khiển cho nó chạy nhanh, có thể cần phải giữ độ nhạy ở vị trí tiêu chuẩn (Standard), và để điều khiển chạy chậm, phải để ở vị trí chậm (damped). Chú ý: Hãy kiểm tra và đảm bảo rằng không có sự phóng điện giữa dây cáp budi và kẹp, vì điều này có thể gây h− hỏng máy phân tích một cách nghiêm trọng. 2.1.6 Các thao tác tr−ớc khi kiểm tra a. Nguồn Để đo các giá trị khí xả, tr−ớc tiên hãy bật máy tính và máy phân tích: + Bật công tắc máy tính 37 + Bật công tắc 1 nằm sau máy phân tích Các chức năng kiểm tra đ−ợc hiển thị trên màn hình d−ới dạng mẫu của các trang. Hình 2.10: Vị trí công tắc nguồn của thiết bị b. Lựa chọn các chức năng cần thiết có thể đ−ợc chọn bằng cách sử dụng bàn phím cũng nh− bộ điều khiển từ xa theo cách sau: + Thông qua bàn phím: - Dùng các phím từ F1 đến F10 - Di chuyển các mũi tên lựa chọn trên màn hình bằng cách nhấn các phím mũi tên. Để thực hiện chức năng hiện thời, nhấn phím ENTER. + Thông qua bộ điều khiển từ xa: Các phím mũi tên và ENTER trên bộ điều khiển từ xa có chức năng giống với các phím mũi tên và ENTER trên bàn phím. c. Lựa chọn ban đầu Ngay khi hệ thống đ−ợc khởi động, sau thời gian ngắn cho phép nạp hệ điều hành, ch−ơng trình tự nó tự động hiển thị trang đầu Khi trang giới thiệu đ−ợc hiển thị, nhấn phím ENTER trên bàn phím, trang INITIAL SELECTION hiển thị 38 Hình 2.11: Màn hình máy tính của thiết bị khi bắt đầu khởi động d. Sử dụng ch−ơng trình Để vào ch−ơng trình phân tích khí, di chuyển mũi tên đến F3 rồi nhấn phím ENTER trên bàn phím. Thông báo đợi WAIT PLEASE đ−ợc hiện ra và ta tiếp tục vào ch−ơng trình bằng cách lựa chọn F1 rồi nhấn phím ENTER. hình 2.12: Màn hình máy tính của thiết bị khi bắt đầu sử dụng ch−ơng trình e. Đặt Zero tự động Máy phân tích khởi động quá trình đặt về 0 một cách tự động. Kết thúc quá trình này, máy phân tích đã sẵn sàng để thực hiện đo đạc. Tại mỗi AUTOZERO thiết bị tự động thực hiện chuẩn định giá trị O2 (theo các tham số đã l−u trong bộ nhớ). 39 Hình 2.13: Màn hình máy tính của thiết bị khi đặt Zero tự động Trong tr−ờng hợp sinh ra một vài lỗi chuẩn định (ví dụ do cảm biến nóng hoặc hỏng) sẽ xuất hiện thông báo REPLACE O2 SENSOR. Nếu lỗi vẫn tiếp tục xảy ra, phải có sự can thiệp của nhân viên kỹ thuật của hãng cung cấp thiết bị. 2.1.7. Thực hiện đo và lấy số liệu a. Thực hiện các kiểm tra Để thực hiện đo giá trị, cần phải: - Thực hiện tăng tốc không tải nhanh 2 lần và để động cơ trở về trạng thái chạy chậm - Đ−a đầu lấy khí mẫu vào ống xả sâu hết mức, ít nhất là 300 mm - Nếu ống xả không cho phép đ−a đầu lấy mẫu vào đúng yêu cầu thì cần phải thêm ống nối và vặn chặt các vùng nối Máy phân tích hiển thị các giá trị của các khí, hệ số lambda, số vòng quay và nhiệt độ động cơ. Giá trị các khí (CO2, CO) đ−ợc biểu diễn theo hàm l−ợng phần trăm. Giá trị HC đ−ợc biểu diễn theo hàm l−ợng phần triệu (PPM VOL). Corrected CO luôn đ−ợc in cùng với CO. Hàm l−ợng phần trăm này đ−ợc đ−a vào để xem xét chỉ khi giá trị Corrected CO in ra khác với giá trị CO. 40 Cũng nh− các chất khác, các giá trị của khí đ−ợc pha trộn bởi cổ hút khí, nên chúng không đ−ợc tin cậy. Hệ số λ luôn đ−ợc tính kèm với giá trị CO, đây là lý do Corrected CO luôn đ−ợc in d−ới dạng các kí tự nhỏ. Kết thúc kiểm tra, có thể thực hiện các thủ tục sau: + Chọn ESC để thoát khỏi phần đo và trở về phần tr−ớc EXHAUST GAS ANALYSIS. + Chọn F1 để bắt đầu thủ tục CAR DATA + Chọn F2 để in các giá trị đo đ−ợc thông qua một máy in 80 cột + Chọn F3 để in theo chế độ đồ họa các giá trị tìm đ−ợc + Chọn F4 để thực hiện đặt giá trị 0 cho các thông số. b. In các kết quả Hình 2.14: Màn hình máy tính của thiết bị khi chọn in kết quả Chọn F2 từ phần EXHAUST GAS ANALYSIS để in các giá trị đo đ−ợc. Hộp thoại in sẽ hiển thị trên màn hình để ta có thể nhập thêm các dữ liệu của xe đ−ợc kiểm tra từ bàn phím. 41 Hình 2.15: Màn hình máy tính của thiết bị khi cần ghi thông tin + Sau khi đã vào hết các dữ liệu, ta nhấn phím ENTER + Chọn F1 để in ra máy in Chú ý: Nếu máy in ch−a sẵn sàng (ch−a nối với máy tính, ch−a bật công tắc, hết giấy…) sẽ hiển thị thông báo PRINTER NOT READY 3 lần + Tiếp tục đặt lại máy in để thực hiện in và lặp lại các thao tác trên. Khi kết thúc in hộp thoại EXHAUST GAS ANALYSIS hiển thị trở lại. Sau khi in các dữ liệu, có thể: + Chọn ESC để thoát khỏi phần MEASURE và trở về phần tr−ớc đó. + Chọn F1 để vào lại thủ tục CAR DATA + Chọn F2 để in kết quả đo đ−ợc ra máy in + Chọn F3 để in đồ thị các giá trị tìm đ−ợc + Chọn F4 để thực hiện đặt lại giá trị 0 cho các thông số c. Đặt lại giá trị Zero tự động Chức năng Autozero cho phép máy chuyển các giá trị về 0. Thông báo Autozero tự động hiện lên tuỳ theo các tham số đặt tr−ớc hoặc bất kỳ lúc nào ng−ời sử dụng lựa chọn chức năng. 42 Bất kỳ lúc nào máy bắt đầu hoạt động đều tự động đặt lại giá trị 0, nó còn tự động thực hiện chuẩn định giá trị O2. Nếu có bất kỳ một lỗi chuẩn định nào (Ví dụ cảm biến hỏng hoặc nóng) trên màn hình sẽ xuất hiệnthông báo: REPLACE O2 SENSOR. Hình 2.16: Màn hình máy tính của thiết bị khi đặt Zero tự động Sau khi có các dữ liệu liên quan đến xe đang kiểm tra, có thể thực hiện: + Chọn ESC để thoát khỏi phần MEASURE và trở về phần tr−ớc đó. + Chọn F1 để vào lại thủ tục CAR DATA + Chọn F2 để in kết quả đo đ−ợc ra máy in + Chọn F3 để in đồ thị các giá trị tìm đ−ợc + Chọn F4 để thực hiện đặt lại giá trị 0 cho các thông số. 2.2. Ph−ơng pháp tạo tải trọng cho động cơ chẩn đoán 2.2.1. Ph−ơng pháp dùng bệ thử con lăn Để có thể xác định chính xác l−ợng khí thải độc hại từ một xe thải ra ng−ời ta tiến hành thử nghiệm xe trên một thiết bị kiểm tra khí xả trong những điều kiện nhất định. Thiết bị đ−ợc sử dụng phổ biến nhất là bộ phanh, con lăn. Nhờ các con lăn có thể mô phỏng ma sát mặt đ−ờng và lực cản gió t−ơng ứng với lực cản của các con lăn khi quay. Tải trọng trên bộ phanh đ−ợc tạo bởi các cơ cấu phanh cơ học (ma sát, thuỷ lực, dòng điện xoáy hoặc các cơ cấu phanh khác). Thông th−ờng cơ cấu phanh dòng điện 43 xoáy hay đ−ợc sử dụng hơn cả do đảm bảo tính ổn định cao ở đặc tính phanh và có khoảng điều chỉnh bình ổn rộng. Điều này rất quan trọng để xây dựng ch−ơng trình chế độ tải trọng. Để đo lực kéo trên bánh chủ động ôtô (công suất động cơ có tính đến hiệu suất truyền lực) các bộ phận phanh đ−ợc trang bị các bộ phận đo mô men kiểu con lắc, kiểu thuỷ lực, kiểu động cơ điện hoặc điện trở Tenzo. Trên các bàn điều khiển th−ờng bố trí các thiết bị chỉ thị kiểu kim chia theo KN, KW, Km/h và có thể có thêm thiết bị đo số để xác định chi phí nhiên liệu trên 1km đ−ờng chạy. Trong tr−ờng hợp có bàn điều khiển mô men phanh từ xa, chỉ cần một kỹ thuật viên cùng với ng−ời lái ôtô là có thể thực hiện đ−ợc công việc chẩn đoán. Trên một số bệ còn đ−ợc trang bị các cụm thiết bị xách tay, trong thời gian chẩn đoán có thể đặt vào cabin. Ngoài ra trên các bệ thử còn đ−ợc trang bị đồng bộ các quạt gió đặt tr−ớc két n−ớc để tăng c−ờng làm mát và cả các bộ phận để tách khí thải [8]. Hình 2.17 Giới thiệu một sơ đồ bệ thử kiểu phanh con lăn của Liên Xô cũ dùng để chẩn đoán ôtô tải nhẹ 21 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1 2 3 4 7 5 6 Hình 2.17: Sơ đồ bệ thử công suất kiểu phanh con lăn 44 Các con lăn chủ động 2 và 3 liên kết với bánh đà 1 và cơ cấu tạo tải 4. Cơ cấu tạo tải là một phanh dòng điện xoáy hai đĩa, có Stato đ−ợc treo cân bằng, tựa trên đầu đo lực bẩy qua tay đòn. Hệ thống đo tần số quay của con lăn trên bệ gồm các đầu đo tần số quay 5 và 6, bộ biến đổi tần số thành tín hiệu analog 8 và 9, bộ biến đổi chức năng 11 và một trong những thiết bị ở khối đo 19. Hệ thống đo mô men, ngoài đầu đo 7 còn có các bộ biến đổi tín hiệu chuẩn 10 và bộ biến đổi chức năng 13. Khối 17 thực hiện phép nhân hai tín hiệu analog - tần số quay và mô men để xác định công suất. Khối 14 để xác định thời gian khởi hành và đ−ờng chạy trong khoảng tốc độ đã cho. Hệ thống điều chỉnh tự động công suất gồm đầu đo 12 để đo tần số quay, đầu đo 16 để đo mô men, các bộ 15 và 18 dùng để điều chỉnh, sau đó nhờ khối chuyển mạch 20, bộ biến đổi thyristor 21 điều chỉnh dòng điện kích thích của phanh 4. ở Liên Xô cũ đã chế tạo và vận hành các dạng bệ thử: 4817, 4819, các bệ mã K∏. Tại các n−ớc khác ng−ời ta sử dụng bệ thử của các hãng SAN (Mỹ), Kripton (Anh), HPA (Đan Mạch), Hofman và Bosch (Đức) 2.2.2. Ph−ơng pháp gia tốc Các thông số cơ bản để đánh giá một cách tổng hợp trạng thái kỹ thuật của động cơ nh− công suất, mô men quay trên trục khuỷu, chi phí nhiên liệu… có thể đ−ợc đánh giá có hiệu quả nhất trong điều kiện sử dụng nhờ ph−ơng pháp động lực học. Ph−ơng pháp này dựa trên sự phân tích của quá trình chuyển tiếp xảy ra trong động cơ khi tăng tốc tự do (không có tải trọng ngoài) có nghĩa là khi tác động kích thích tức thời làm tăng l−ợng cung cấp hỗn hợp hay nhiên liệu (qua b−ớm ga hay tay th−ớc nhiên liệu) đến giá trị cực đại. Công suất hiệu dụng và mô men quay của động cơ đ−ợc xác định theo giá trị gia tốc của quá trình tăng tốc tự do (tỷ lệ thuận với đạo hàm bậc nhất của vận tốc góc) [8]. Khi tăng tốc trục khuỷu động cơ ph−ơng trình chuyển động có dạng: 45 J dt dω = ZP (Mi1 - MM) Trong đó: J - Mô men quán tính qui đổi của động cơ dt dω - Gia tốc của trục khuỷu ZP - Số xi lanh làm việc Mi1 - Mô men chỉ thị của một xi lanh làm việc MM - Mô men hao tổn cơ học Công suất của động cơ có thể xác định theo công thức: Ne= J dt dω . ω (Kw) Hoặc theo tần số quay của trục khuỷu n: Ne= J dt dω . 974 n (Kw) Nh− vậy, bằng ph−ơng pháp gia tốc ng−ời ta có thể tạo tải trọng cho động cơ trong khi không cần tải trọng ngoài. Trên các thiết bị chẩn đoán gia tốc hiện đại về nguyên lý cơ bản vẫn dựa trên cơ sở tạo tải trọng nhờ tăng vận tốc quay của động cơ và phân tích các thông tin nhận đ−ợc trong quá trình chuyển tiếp. Vì vậy trong luận văn này tôi áp dụng ph−ơng pháp gia tốc để tạo tải trọng cho động cơ chẩn đoán. 2.3. Ph−ơng pháp thực nghiệm đơn yếu tố Trong quá trình nghiên cứu, nhất là các nghiên cứu thực nghiệm ng−ời ta có thể áp dụng nhiều ph−ơng pháp trong đó có ph−ơng pháp thực nghiệm đơn yếu tố. Khi đó, ng−ời ta chỉ thay đổi một yếu tố có ảnh h−ởng đến kết quả thực nghiệm còn các yếu tố khác đ−ợc giữ nguyên (không thay đổi). Nhiệm vụ của nghiên cứu đơn yếu tố là xác minh có sự ảnh h−ởng của một thông số nào đó trên các chỉ tiêu đánh giá, so sánh mức độ ảnh h−ởng đơn lẻ của từng yếu tố lên các thông số chỉ tiêu. Th−ờng thì các thông số vào (còn gọi là các yếu tố hoặc biến ảnh h−ởng) phải là các thông số định l−ợng, điều chỉnh đ−ợc và có ảnh h−ởng rõ nét đến các chỉ tiêu đánh giá. 46 Trên cơ sở đó, đề tài tiến hành xem xét một số yếu tố h− hỏng thông th−ờng tác động đến thành phần khí xả. Các yếu tố đ−ợc chọn là áp suất nén của buồng đốt (lọt hơi), thời điểm đánh lửa và mức cản trở đ−ờng nạp. Thực nghiệm đ−ợc tiến hành nhiều lần với mức độ thay đổi hoặc trạng thái khác nhau của từng yếu tố. Phân tích, tập hợp các số liệu thu đ−ợc cho ta thấy mức độ ảnh h−ởng tới chỉ tiêu chung là thành phần khí xả, từ đó có thể rút ra những kết luận cần thiết [8]. 47 Ch−ơng 3. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết 3.1. Sự hình thành các thành phần khí xả chính Khi động cơ đốt trong hoạt động, sản phẩm của quá trình đốt cháy trong tr−ờng hợp cháy hoàn toàn sẽ gồm n−ớc (H2O) và khí các boníc (CO2). Trong tr−ờng hợp cháy hoàn toàn, sản phẩm cháy sẽ gồm có: - Các bua hidro không cháy CnHm (Paraphin, olephin, Aromatic) - Các bua hidro không cháy từng phần CnHmCHO (Andehyt); CnHmCO (Ketone); CnHmCOOH (Axit cacbon; CO (Oxit cacbon). - Các sản phẩm crackinh nhiệt nh− C2H2, C2H4, H2, muội than và các thành phần Cacbua hydro cao phân tử. Trong khi đốt cháy nhiên liệu còn kèm theo sự ôxy hoá nitơ trong không khí tạo thành NO và NO2, ôxy hoá các phụ gia tạo thành ôxít chì hoặc các muối Hanogen của chì đồng thời ôxy hoá hợp chất l−u huỳnh thành ôxít l−u huỳnh. D−ới tác dụng của ánh sáng mặt trời còn làm xuất hiện các chất tạo thành từ các thành phần khí xả nh− các peroxít hữu cơ, ôzon và các peroxincylnitrat. Các thành phần chính của khí xả là khí Cácboníc, Nitơ và hơi n−ớc. Các chất này không độc, tuy nhiên l−ợng khí thải CO2 phụ thuộc chủ yếu vào chi phí nhiên liệu sẽ góp phần đáng kể làm tăng hiệu ứng nhà kính. Các thành phần khác: - Ôxít cácbon (CO) là khí không màu, không mùi, có vị khó chịu, nếu có 0,3% theo thể tích không khí để thở có thể làm chết ng−ời trong 30 phút. Khi động cơ chạy không, hàm l−ợng CO trong khí xả lớn do vậy không đ−ợc cho phép động cơ chạy không trong gara kín. - Mônô ôxít ni tơ (NO) cũng là khí không màu, không mùi và có vị khó chịu. Trong môi tr−ờng không khí NO sẽ dần biến thành NO2. Khí NO2 48 dạng tinh khiết có màu đỏ nâu là loại khí độc. Với nồng độ lớn trong không khí có thể làm hỏng da. NO và NO2 đ−ợc gọi chung là NOx. - Cácbuahidro trong khí xả có nhiều dạng, trong môi tr−ờng không khí và ánh sáng mặt trời có thể tạo thành các ôxít và các chất ôxi hoá. - Các sản phẩm không ở thể khí gồm các vật chất (trừ n−ớc không liên kết) mà trong điều kiện bình th−ờng ở dạng rắn (tro, muội than) hoặc dạng lỏng trong ống xả [2], [7], [8], [9]. 3.2. Các yếu tố ảnh h−ởng đến thành phần khí xả 3.2.1. Tỷ lệ khí - nhiên liệu lý thuyết Tỷ lệ khí - nhiên liệu lý thuyết là tỷ số giữa khối l−ợng không khí trên khối l−ợng nhiên liệu trong hỗn hợp khí - nhiên liệu. Nh− ta đã biết, xăng là hỗn hợp của một vài hydro cacbon mà chiếm −u thế nhất là ốc tan (C8H18). Nếu một l−ợng nhất định ốc tan bốc cháy hoàn toàn, nó sẽ kết hợp với ôxy trong không khí theo tỷ lệ ở bên trái mũi tên trong phản ứng hoá học d−ới đây để tạo ra năng l−ợng. Kết quả của phản ứng này là (bên cạnh năng l−ợng) khí CO2 và H2O, theo tỷ lệ ở bên phải mũi tên 2C8H18 + 25O2 16CO2 + 18H2O Để đạt đ−ợc kết quả nh− trên, khi đốt cháy hoàn toàn 1 gam C8H18 cần 15 gam không khí. Tỷ lệ khí - nhiên liệu lý thuyết Hỗn hợp quá đậm Hỗn hợp quá nhạt Hình 3.1: Tỷ lệ khí - Nhiên liệu 49 Tỷ lệ khí - nhiên liệu lý thuyết là tỷ lệ không khí trên nhiên liệu sao cho vừa đủ O2 để nhiên liệu cháy hoàn toàn. Trong tr−ờng hợp C8H18 nguyên chất, tỷ lệ này là 15:1. Tuy nhiên xăng dùng trong phần lớn các động cơ ôtô không phải là ốc tan nguyên chất mà là hỗn hợp giữa ốc tan và các hydro cacbon khác. Vì lý do này, tỷ lệ khí - nhiên liệu cho xăng th−ờng nhỏ hơn 15 một chút. Tỷ lệ khí - nhiên liệu lý thuyết đóng vai trò rất quan trọng. Nếu tỷ lệ này của một hỗn hợp cụ thể nhỏ hơn tỷ lệ lý thuyết cho xăng (ví dụ 10:1) Hỗn hợp sẽ quá đậm và sẽ không đủ O2 trong hỗn hợp cho sự cháy của tất cả nhiên liệu. Mặt khác, nếu tỷ lệ khí - nhiên liệu cao hơn lý thuyết cho xăng (ví dụ 20:1), hỗn hợp sẽ quá nhạt và có quá nhiều ôxy cho sự cháy hoàn toàn [8], [9]. 3.2.2. ôxít các bon (CO) Khí CO sinh ra do sự cháy không hoàn toàn của nhiên liệu do thiếu O2 trong buồng cháy (có nghĩa là hỗn hợp quá đậm). Theo lý thuyết, CO sẽ không sinh ra nếu có nhiều O2 theo l−ợng lý thuyết yêu cầu ( nghĩa là hỗn hợp quá nhạt) nh−ng trong thực tế CO vẫn sinh ra trong cả tr−ờng hợp đó. Có ba nguyên nhân sau: - CO biến thành CO2 bởi phản ứng ôxy hoá (2CO + O2 2CO2) nh−ng phản ứng này rất chậm và không thể biến tất cả l−ợng CO còn lại thành CO2 đ−ợc. Vì lý do này, CO._.