3) Những hiện tượng cháy không bình thường khác
5.5.2. Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy ở động cơ diesel
ở động cơ diesel
1) Tỷ số nén
Tăng tỷ số nén sẽ có ảnh hưởng tốt đến quá trình cháy về phương diện nhiệt động học vì nhiệt độ và áp suất tại thời điểm phun nhiên liệu (Tcf , pcf) sẽ tăng, thời gian chậm cháy ( τi ) giảm. Tuy nhiên , tăng tỷ số nén sẽ làm tăng áp suất cháy cực đại, do đó các chi tiết chịu lực sẽ phải có kích thước lớn hơn. Tiêu chí đầu tiên để chọn tỷ số nén cho động cơ diesel là đảm bảo khởi động được động cơ ở mọi điều kiện khai thác.
2) Cấu hình của buồng đốt
Cấu hình của buồng đốt là một trong những yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp nhất đến diễn biến và chất lượng của quá trình cháy và kéo theo nó là hàng loạt chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật của động cơ , như : suất tiêu thụ nhiên liệu, áp suất chỉ thị trung bình, tốc độ tăng áp suất và áp suất cháy cực đại, độ độc hại của khí thải, tính năng khởi động của động cơ, v.v. Do đặc điểm quá trình tạo HHC và phát hoả nhiên liệu , buồng đốt của động cơ diesel thường có cấu hình phức tạp hơn nhiều so với ở động cơ xăng. Mọi cố gắng hoàn thiện buồng đốt ở động cơ diesel tập trung trước hết vào vấn đề rút ngắn giai đoạn chậm cháy, hoá hơi nhanh và hoà trộn hơi nhiên liệu với không khí trong buồng đốt theo một quy luật phù hợp với đặc điểm tổ chức quá trình cháy và tính năng kỹ thuật của động cơ .
3) Tính chất lý hoá của nhiên liệu
Các tính chất lý hoá của nhiên liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến quá trình cháy ở động cơ diesel bao gồm : tính tự bốc cháy, độ nhớt và tính hoá hơi.
Hiện nay, tính tự bốc cháy của nhiên liệu thường được định lượng bằng số cetane (Cetane Number - CN). Nhiên liệu có CN càng lớn thì thời gian chậm cháy (τi) càng ngắn. Nếu các điều kiện khác như nhau mà τi ngắn thì lượng nhiên liệu cháy ở đầu giai đoạn cháy không điều khiển sẽ ít hơn, thời gian cháy toàn bộ lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt cũng ngắn hơn. Kết quả là không những động cơ làm việc mềm hơn mà các chỉ tiêu khác (ví dụ : công suất, hiệu suất, độ độc khí thải. v.v.) cũng được cải thiện. Điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với động cơ cao tốc , ở đó thời gian dành cho quá trình tạo HHC và cháy rất ngắn. Như vậy, từ góc độ quá trình cháy, nhiên liệu diesel có CN càng lớn càng tốt. Động cơ diesel có tốc độ quay càng cao thì yêu cầu nhiên liệu phải có CN càng lớn.
Độ nhớt và tính hoá hơi của nhiên liệu có liên quan trực tiếp đến tốc độ hình thành HHC, từ đó ảnh hưởng đến diễn biến quá trình cháy. Tuy nhiên trong thực tế, động cơ diesel có thể chạy được bằng các loại nhiên liệu có độ nhớt và tính hoá hơi rất
khác nhau, bao gồm từ xăng đến dầu nặng. Sở dĩ như vậy là vì có nhiều biện pháp khác để đảm bảo tốc độ tạo HHC trong trường hợp nhiên liệu có độ nhớt cao và tính hoá hơi kém, như : sấy nóng nhiên liệu, phun nhiên liệu thành những hạt nhỏ hơn, tạo chuyển động rối trong buồng đốt mạnh hơn , sử dụng các chất phụ gia giảm sức căng bề mặt ,v.v.
4) Cấu trúc của các tia nhiên liệu , quy luật phun nhiên liệu và quy luật tạo HHC
• Cấu trúc của các tia nhiên liệu (xem mục 1.3.6.4) có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tạo HHC. Trong trường hợp tạo HHC kiểu thể tích thuần tuý, cấu trúc các tia nhiên liệu có vai trò quyết định trong việc đảm bảo nhiên liệu hoá hơi, hoà trộn nhanh hơi nhiên liệu với không khí trong buồng đốt. Nếu các tia nhiên liệu quá ngắn, hạt nhiên liệu lớn thì tốc độ tạo HHC sẽ thấp, lượng nhiên liệu cháy rớt , thậm chí cháy không hoàn toàn sẽ nhiều. Các tia nhiên liệu quá dài sẽ làm cho một phần nhiên liệu bám trên vách buồng đốt và kéo theo là hàng loạt hậu quả như cháy rớt, cháy không hoàn toàn, phá huỷ màng dầu bôi trơn trên thành xylanh,v.v. Trong các trường hợp khác, ảnh hưởng của cấu trúc tia nhiên liệu có mức độ khác nhau tuỳ thuộc vào phương pháp tạo HHC. Ví dụ trong trường hợp sử dụng buồng đốt kiểu M hoặc buồng đốt ngăn cách (xem chương 5), chất lượng HHC chủ yếu do buồng đốt quyết định , cấu trúc của các tia nhiên liệu chỉ giữ vai trò thứ yếu.
• Quy luật phun nhiên liệu là khái niệm bao hàm thời gian phun nhiên liệu và quy luật phân bố tốc độ phun (xem mục 1.3.6.4). Quy luật tạo HHC là khái niệm bao hàm thời gian tạo HHC và quy luật phân bố tốc độ tạo HHC. Quy luật tạo HHC mới là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến quá trình cháy. Với phương pháp tạo HHC kiểu thể tích thông dụng (toàn bộ lượng nhiên liệu chu trình được phun trực tiếp vào buồng đốt và hoà trộn ngay với toàn bộ khối không khí có trong buồng đốt ) thì quy luật phun nhiên liệu quyết định quy luật tạo HHC. Với một số phương pháp tạo HHC khác (ví dụ : tạo HHC kiểu bề mặt bằng buồng đốt kiểu M, bằng buồng đốt ngăn cách ,v.v.), quy luật phun nhiên liệu và quy luật tạo HHC rất khác nhau. Có thể tất cả lượng nhiên liệu chu trình được phun vào buồng đốt trong một thời gian rất ngắn, nhưng sự hoá hơi nhiên liệu và hoà trộn hơi đó với không khí để bốc cháy lại được điều chỉnh theo một quy luật khác.
Với những điều kiện khác như nhau (ví dụ : cùng một loại nhiên liệu, lượng nhiên liệu chu trình - gct , góc phun sớm - θ ,v.v.) nhưng có thể thu được những đồ thị công khác nhau nếu thay đổi quy luật tạo HHC. H. 5-22. thể hiện ảnh hưởng của quy luật phun nhiên liệu đến diễn biến quá trình cháy trong trường hợp áp dụng phương pháp tạo HHC kiểu thể tích, trong đó có thể coi quy luật tạo HHC trùng với quy luật phun nhiên liệu.
Với quy luật phun 1 (H. 5-22b), lượng nhiên liệu được phun vào buồng đốt trong giai đoạn chậm cháy lớn hơn (gI.1 > gI.2) sẽ dẫn đến tốc độ tăng áp suất (wp) và áp suất cháy cực đại (pz) lớn hơn (đồ thị công 1). Kết quả là động cơ làm việc cứng hơn, nhưng công do MCCT sinh ra sẽ lớn hơn. Với quy luật phun 2, động cơ sẽ làm việc mềm hơn do lượng nhiên liệu cháy trong giai đoạn 2 ít hơn dẫn đến wp và pz nhỏ hơn, nhưng công suất và hiệu suất của động cơ sẽ giảm do lượng nhiên liệu cháy rớt nhiều hơn.
5) Góc phun sớm nhiên liệu ( θ )
Tương tự như ở động cơ xăng, nhiên liệu ở động cơ diesel cũng phải được phát hoả trước khi piston tới ĐCT để quá trình cháy diễn ra xung quanh ĐCT. Góc quay trục khuỷu tính từ thời điểm nhiên liệu bắt đầu được phun vào buồng đốt đến thời điểm piston tới ĐCT được gọi là góc phun sớm (θ). H. 5-23 thể hiện ảnh hưởng của góc phun sớm đến đặc điểm biến thiên áp suất cháy, công suất và tiêu thụ nhiên liệu ở động cơ diesel.
Nếu θ quá lớn, nhiên liệu được phun vào buồng đốt khi áp suất và nhiệt độ của không khí nén vẫn còn thấp, quá trình chuẩn bị cho nhiên liệu phát hoả diễn ra chậm.
H. 5-22. ảnh hưởng của quy luật phun nhiên liệu đến đồ thị công chỉ thị của động cơ diesel ef ef ci cf b) a) p gct.x ϕ z'1 ϕi θ ec1 ci cf ϕ T z 1 z2 z'2e c2 12 1 2
Kết quả là tại thời điểm phát hoả, trong buồng đốt đã tập trung một phần lớn lượng nhiên liệu chu trình (gI lớn). Lượng nhiên liệu này sẽ bốc cháy mãnh liệt trong điều kiện nồng độ oxy lớn và thể tích của không gian công tác nhỏ, áp suất cháy cực đại (pz) và tốc độ tăng áp suất (wp) sẽ lớn và động cơ làm việc " cứng " (đường 1).
Nếu θ quá nhỏ, động cơ làm việc " mềm " hơn nhưng công suất và hiệu suất của động cơ sẽ giảm do lượng nhiên liệu cháy rớt nhiều hơn.
H. 5-24. Quan hệ giữa góc phun sớm tối ưu (θopt) với công suất (Ne) , lượng tiêu thụ nhiên liệu giờ (Ge), suất tiêu thụ nhiên liệu (ge)
và tốc độ quay của động cơ (n).
H. 5-23. ảnh hưởng của góc phun sớm nhiên liệu đến một số thông số công tác của động cơ diesel
ϕopt ϕfs ϕopt.1 ϕopt.2 ϕopt.3
Ne Ne Ge ge n1 = 1000 rpm n1 = 1500 rpm n1 = 2000 rpm ϕfs ge.min Ne.max Ne Ge ge ϕ [0gqtk] p [bar] 80 2 1 3 ϕi.3 ϕi.1ϕi.2 60 40 20 0 40 ĐCT 40 cf3 cf2 cf1
Trị số góc phun sớm tối ưu (θopt) phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, như : cấu hình buồng đốt, tỷ số nén, loại nhiên liệu, chế độ làm việc của động cơ , v.v. Đối với một loại động cơ cụ thể, θopt được lựa chọn bằng con đường thực nghiệm và được nhà chế tạo quy định trong tài liệu hướng dẫn khai thác kỹ thuật động cơ. Những loại động cơ có chế độ làm việc thường xuyên thay đổi trong phạm vi rộng thường được trang bị thiết bị tự động điều chỉnh góc phun sớm để đảm bảo θopt trên cơ sở xử lý các thông số công tác của động cơ như tốc độ quay, tải, nhiệt độ và áp suất khí nạp, v.v.
6) Tốc độ quay của động cơ ( n )
Tốc độ quay ảnh hưởng đến quá trình cháy theo hai chiều trái ngược nhau. Tốc độ quay tăng sẽ làm tăng chất lượng phun nhiên liệu và tăng cường độ chuyển động rối của MCCT, điều đó có ảnh hưởng tốt đến quá trình cháy. Tuy nhiên, tốc độ quay càng cao thì góc cháy càng lớn. Nếu tốc độ tạo HHC không thoả đáng thì lượng nhiên liệu cháy rớt sẽ tăng nhanh. Chính vì vậy, để nâng cao tốc độ quay của động cơ diesel, nguời ta phải áp dụng các biện pháp nhằm tăng tốc quá trình tạo HHC, phát hoả và cháy, ví dụ : sử dụng nhiên liệu có số cetane cao, hệ thống phun nhiên liệu kiểu bơm cao áp-vòi phun liên hợp với áp suất phun rất lớn (tới 1500 bar) để phun nhiên liệu thành hạt rất nhỏ, buồng đốt ngăn cách để tạo hiệu ứng nhiệt, hiệu ứng phun thứ cấp và chuyển động rối rất mạnh của MCCT, v.v.
7) Tải của động cơ
Tải của động cơ cũng ảnh hưởng đến quá trình cháy theo hai chiều hướng ngược nhau. ở những chế độ tải lớn hơn, nhiệt độ và áp suất trong xylanh cao hơn sẽ có tác dụng tăng tốc độ cháy. Tuy nhiên, để đốt cháy hoàn toàn lượng nhiên liệu chu trình lớn hơn cần phải có nhiều thời gian hơn. Khác với động cơ xăng, mức độ tăng tốc độ cháy thường không bù đắp hết mức độ tăng thời gian cháy nên ở động cơ diesel thường phải tăng góc phun sớm khi tăng tải để đảm bảo yêu cầu cháy gần ĐCT.
tài liệu tham khảo
1. Nguyễn Tất Tiến
Nguyên lý động cơ đốt trong
NXB Giáo dục – 2000
2. Quách Đình Liên, Nguyễn Văn Nhận
Động cơ đốt trong tàu cá - Phần I NXB Nông nghiệp – 1992
3. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận
Động cơ đốt trong
Bài giảng - Nha trang - 2004 4. Hoàng Xuân Quốc
Hệ thống phun xăng điện tử dùng trên xe du lịch
NXB Khoa học và Kỹ thuật - Hà nội 1996 5. V. Arkhangelski, M. Khovakh, et all
Motor vehicle engine
Mir Publishers - Moscow 1979 6. Hồ Tấn Chẩn, Nguyễn Đức Phú
Kết cấu và tính toán ĐCĐT . Tập 1, 2, 3
câu hỏi trắc nghiệm nguyên lý ĐCĐT