3.1.1. Thành phần hòa khí
Quá trình cháy có thể được cháy kiệt và kịp thời hay không là phụ thuộc vào tốc độ lan truyền màng lửa. Nhân tố gây ảnh hưởng chính đến tốc độ lan truyền màng lửa là thành phần hòa khí, hình 3.1.1.a
Hình 3.1.1.a: Ảnh hưởng của thành phần hòa khí α tới tốc độ lan màng lửa u
Thực nghiệm cho thấy thành phần hòa khí khác nhau sẽ cho tốc độ lan truyền màng lửa khác nhau. Thành phần hòa khí được đặc trưng bởi hệ số dư lượng không khí α:
α = L
Lo Trong đó :
L: khối lượng không khí đưa vào xilanh tương ứng với 1kg nhiên liệu; L0: khối lượng không khí cần thiết để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu.
Với α = 0,85 ÷ 0,95: tốc độ lan màng lửa cao nhất, áp suất cực đại và nhiệt độ cực đại cũng lớn nhất do đó động cơ có hiệu suất cao nhất.
Nếu thành phần hòa khí nhạt hơn so với α = 0,85 ÷ 0,95 thì tốc độ lan truyền màng lửa giảm bớt nên công suất động cơ giảm dần nhưng nhiên liệu cháy kiệt hơn vì có đủ ôxi nên hiệu suất cao hơn.
Khi α = 1,05 ÷ 1,1: nhiên liệu cháy hoàn toàn hiệu suất đạt cao nhất.
Khi α > 1,05 ÷ 1,1: nếu có giải pháp hợp lí đảm bảo cho hòa khí cháy kiệt thì hiệu suất vẫn có thể tăng.
Nhưng hòa khí càng nhạt, tốc độ lan truyền màng lửa càng giảm, tốc độ cháy chậm, tăng phần cháy rớt, hiệu suất giảm. Nếu hòa khí quá nhạt làm cho khoảng cách giữa các phần tử nhiên liệu quá lớn, khiến màng lửa không thể lan truyền trong hòa khí, động cơ hoạt động không ổn định thậm chí gây bỏ lửa và chết máy. Do đó α = 1,3 ÷ 1,4 là giới hạn dưới của thành phần hòa khí đảm bảo cho màng lửa có thể lan truyền.
Nếu hòa khí có thành phần đậm hơn 0,85 ÷ 0,95 do tốc độ lan truyền màng lửa giảm làm công suất giảm, do lượng nhiên liệu không cháy hết tăng lên, làm tăng lượng nhiên liệu tiêu hao.
Nếu α = 0,4 ÷ 0,5: do thiếu ôxi trầm trọng, khiến hòa khí không cháy được, đó là giới hạn trên của thành phần hòa khí đảm bảo cho màng lửa lan truyền được. Bên ngoài hai giới hạn trên màng lửa không lan truyền được, hòa khí sẽ không cháy. Thực tế khi sử dụng để đạt độ tin cậy của động cơ khi hoạt động, thành phần hòa khí thường nằm trong giới hạn 0,8 ÷ 1,2.
Giới hạn của thành phần hòa khí không phải là một hằng số vật lí bất biến mà tùy thuộc vào điều kiện khác nhau, ta có thể mở rộng hoặc thu hẹp.
Thành phần hòa khí cũng gây ảnh hưởng rõ rệt tới kích nổ. Khi hòa khí ở mức α = 0,85 ÷ 0,95 có tốc độ lan truyền màng lửa lớn nhất cho nhiệt độ và áp suất cao nhất ở cuối kì cháy nhanh. Thời gian cháy trễ cũng ngắn nhất, do đó với α = 0,85 ÷ 0,95 thì khuynh hướng gây kích nổ của hòa khí cũng mạnh nhất. Khi xuất hiện kích nổ, bất kì giải pháp nào làm cho hòa khí đậm lên hay nhạt đi đều có tác dụng điều khiển chống kích nổ. Nhưng nếu điều khiển cho hòa khí đậm lên sẽ gây tốn nhiên liệu, nếu làm cho hòa khí nhạt đi sẽ làm giảm công suất động cơ.
Để đáp ứng các yêu cầu trên trong động cơ có sử dụng bộ chế hoà khí (BCHK), nó được xây dựng dựa trên BCHK lí tưởng, BCHK lí tưởng luôn đảm bảo cho hòa khí có thành phần tối ưu theo điều kiện hoạt động của động cơ. Ta xét đường đặc tính của BCHK lí tưởng, hình 3.1.1.b
Hình3.1.1.bđường đặc tính của BCHK lí tưởng
Ở chế độ từ không tải đến tải nhỏ, giai đoạn a-b hòa khí phải rất đậm do tỉ lệ khí sót trong hỗn hợp lớn và nhiệt độ động cơ thấp nên điều kiện bay hơi, hòa trộn hình thành hỗn hợp và cháy kém.
Từ chế độ tải nhỏ đến chế độ tải lớn, giai đoạn b-c bướm ga mở to dần tải trọng tăng, những điều kiện nêu trên đã được cải thiện nên BCHK phải cung cấp hỗn hợp nhạt dần α = 1,07 ÷ 1,15 để động cơ làm việc tiết kiệm nhất, tức là có mức tiêu thụ nhiên liệu nhỏ nhất.
Từ chế độ tải lớn đến chế độ toàn tải, giai đoạn c-d hỗn hợp phải được làm đậm để động cơ phát ra công suất cao tức là có tính hiệu quả cao.
Khi bướm ga mở hoàn toàn điểm d, hỗn hợp được làm đậm nhất α = 0,75 ÷ 0,9 động cơ khi đó phát ra công suất cực đại.
Như vậy trong thực tế người ta phải đi thiết kế BCHK có đường đặc tính càng gần với đường đặc tính lí tưởng càng tốt. Do đó BCHK được xây dựng với nhiều hệ thống: hệ thống phun chính; hệ thống không tải; hệ thống làm đậm; bơm tăng tốc; hệ thống khởi động. Mỗi hệ thống sẽ đảm nhận một chế độ làm việc của động cơ, giúp động cơ hoạt động với công suất cao nhất và đạt hiệu suất lớn nhất đồng thời tiết kiệm nhiên liệu như BCHK lí tưởng.
1. Hệ thống phun chính: cung cấp hỗn hợp nhạt dần khi động cơ chạy ở tải trọng nhỏ và trung bình, ngoài ra còn cug cấp nhiên liệu cho một số chế độ khác.
2. Hệ thống không tải: khi động cơ chạy không tải, bướm ga đóng gần kín, lưu lượng không khí qua họng khuếch tán nhỏ khiến cho độ chân không tại đây nhỏ nên khả năng hút xăng cũng như xé tơi và hoà trộn xăng với không khí kém. Do đó hệ thống phun chính không có khả năng cung cấp hỗn hợp cho động cơ chạy không tải. Trong khi đó độ chân không sau bướm ga lớn nên được tận dụng để hút xăng ra họng khuếch tán và tạo thành hỗn hợp cho động cơ chạy không tải.
3. Hệ thống làm đậm: cung cấp thêm nhiên liệu làm đậm hỗn hợp để động cơ phát ra công suất cực đại khi bướm ga mở hoàn toàn.
4. Hệ thống tăng tốc: khi cần thiết phải tăng nhanh tốc độ hay tải trọng động cơ phải mở đột ngột bướm ga. Khi ấy, lượng không khí vào động cơ nhanh nhưng lượng nhiên liệu tăng không kịp do quán tính của xăng lớn hơn nhiều so với quán tính của không khí nên hỗn hợp nhạt đi đột ngột có thể làm chết máy. Để khắc phục hiện tượng này trên BCHK có bố trí hệ thống tăng tốc.
5. Hệ thống khởi động: khi khởi động tốc độ vòng quay động cơ rất nhỏ thường chỉ khoảng 50 đến 100 v/ph nên tốc độ không khí qua họng rất nhỏ, nhiên liệu phun vào ít và chất lượng phun kém. Mặt khác, động cơ khi đó lạnh nên xăng khó bay hơi và dễ tạo thành màng trên thành ống nạp, hỗn hợp tạo thành thực tế rất loãng và động cơ khó khởi động. Vì vậy để khởi động động cơ dễ dàng phải cung cấp thêm nhiên liệu làm đậm hỗn hợp.
Để thoả mãn yêu cầu ngày càng cao đối với quá trình hình thành hoà khí, nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu và độc hại trong khí thải cũng như cải thiện chất lượng làm việc của động cơ ở mọi chế độ làm việc, người ta đã trang bị các bộ phận điện tử cho BCHK. BCHK đó gọi là BCHK điều khiển bằng điện tử, hình 3.1.1.c (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.1.1.c BCHK điều khiển bằng điện tử
1. bướm ga ; 2. cảm biến tốc độ mở bướm ga ; 3. cần đẩy ; 4. cơ cấu điều chỉnh độ mở bướm ga kiểu điện tử ; 5. cơ cấu điều khiển đóng mở bướm khởi động; 6. bướm khởi động (bướm gió); 7. cần đẩy; 8. kim điều chỉnh tiết diện thông qua giclơ không khí không tải; 9. cảm biến nhiệt độ động cơ; 10. tín hiệu nhiệt độ động cơ; 11. tín hiệu tốc độ mở bớm ga ; 12. tín hiệu vị trí màng đàn hồi của bộ điều chỉnh độ mở bướm ga kiểu điện tử; 13. tín hiệu tốc độ vòng quay động cơ; 14. tín hiệu cảm biến xác định α; 15. các tín hiệu ra bộ điều chỉnh độ mở bướm ga; 16. các tín hiệu điều chỉnh độ mở bướm gió; 17. đầu phát tín hiệu ra; 18. bộ vi xử lí; 19. đầu thu nhận tín hiệu vào; 20. bộ điều khiển tín hiệu điện tử.
Về cơ bản BCHK điện tử gồm một BCHK thông thường, một bộ điều khiển điện tử 20 và các cơ cấu điều khiển 4 để thay đổi độ mở bướm ga 1 và cơ cấu điều khiển 5 thay đổi độ mở bướm gió 6.
Bộ điều khiển điện tử 20 gồm có các bộ phận chính như đầu nhận tín hiệu 19, bộ vi xử lí trung tâm 18 và đầu phát tín hiệu ra 17. Tín hiệu vào sẽ được tiếp nhận và xử lí. Sau đó, bộ điều khiển sẽ phát tín hiệu ra để điều khiển các cơ cấu chấp hành 4 và 5 nhằm tạo ra thành phần khí hỗn hợp tối ưu cho mọi chế độ làm việc của động cơ.
Khi động cơ khởi động bộ điều khiển đóng bướm gió và mở bướm ga ở một góc độ phù hợp. Hệ thống phun chính và hệ thống không tải cùng làm việc cho hỗn hợp đậm để khởi động giống như ở bộ chế hoà khí thông thường.
Chế độ tăng tốc được thực hiện: từ tín hiệu mở đột ngột bướm ga 11, bộ điều khiển điện tử sẽ chỉ thị cho cơ cấu 5 đóng mở rất nhanh bướm gió 6. Do đó hỗn hợp đậm lên đột ngột đáp ứng cho động cơ tăng tốc.
Khi động cơ chạy không tải bộ điều khiển điện tử giữ cho tốc độ vòng quay không tải không đổi. Khi đó vị trí bướm ga và bướm gió đều do bộ điều khiển điện tử quyết định. Ngoài ra, cần điều khiển 7 do cơ cấu điều khiển 5 dẫn động sẽ tác động lên kim hiệu chỉnh 8 đóng bớt giclơ không khí của hệ thống không tải, hỗn hợp sẽ được làm đậm. Do thành phần hỗn hợp được điều chỉnh tự động phù hợp với chế độ không tải, chính vì vậy mà động cơ không bị chết máy trong những trường hợp sau: khi động cơ từ không tải chuyển về chế độ có tải hoặc ngược lại.
Tuy BCHK đã được cải tiến thành BCHK điện tử nhưng làm cho nó trở thành một hệ thống phức tạp hơn. Do vậy hệ thống phun xăng điện tử được sử dụng thay thế cho BCHK, đảm bảo tỉ lệ không khí - nhiên liệu thích hợp cho
động cơ làm việc, việc phun nhiên liệu điều khiển điện tử theo các chế dộ làm việc khác nhau.
Hệ thống phun xăng điện tử có các cảm biến sau: 1. Cảm biến vị trí trục cam.
2. Cảm biến vị trí trục khuỷu. 3. Cảm biến ôxi.
4. Cảm biến nhiệt độ. 5. Cảm biến vị trí bướm ga. …
Các tín hiệu của cảm biến được chuyển thành tín hiệu điện, các tín hiệu này được truyền tới bộ xử lí và điều khiển trung tâm tại đây các tín hiệu điện được chuyển thành tín hiệu số sau đó xử lí theo một chương trình đãvạch sẵn. Những số liệu khác cần cho việc tính toán đã được ghi trong bộ nhớ của máy tính dưới dạng đồ thị hoặc dạng số. Các tín hiệu của bộ điều khiển trung tâm được khuếch đại và vào bộ chấp hành để phát ra xung điện chỉ huy việc phun xăng, đánh lửa và điều hành một số cơ cấu và thiết bị khác đảm bảo cho động cơ hoạt động tối ưu ở mọi chế độ.