5. Phương pháp nghiên cứu:
2.4.Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu diesel pha cồn:
Quá trình hình thành hỗn hợp đối với động cơ diesel được thực hiện bên trong xylanh. Cuối hành trình nén nhiên liệu được phun với tốc độ và áp suất cao thành một hoặc nhiều tia phun qua các lỗ phun nhỏ trên vòi phun vào xylanhđộng cơ vào, do lực cản của khí nén trong buồng cháy, nhiên liệu bị xé tơi thành những hạt nhỏ và xuyên vào trong buồng cháy động cơ. Các hạt nhiên liệu này có kích thước khác nhau và phân bố không đều trong xylanh động cơ.
Lớp nhiên liệu trên bề mặt hạt bắt đầu bay hơi và khuếch tán nhanh vào khối không khí nóng xung quanh tạo ra các lớp hỗn hợp hơi nhiên liệu và không khí. Lớp hỗn hợp nằm sát với bề mặt hạt có thành phần đậm và nhiệt độ thấp do hạt nhiên liệu hấp thụ nhiệt để bay hơi, lớp hỗn hợp càng xa hạt nhiên liệu thì thành phần càng nhạt và có nhiệt độcàng cao.
Khi nhiệt độvà áp suất của lớp hỗn hợp cao hơn điểm tựcháy của nhiên liệu, quá trình tự cháy xuất hiện sau thời gian trễ khoảng vài độ góc quay trục khuỷu . Quá trình cháy của phần hỗn hợp này làm áp suất trong xylanh tăng hơn
26 27 28 29 30 31 32 33 34
Diesel ED5 ED10 ED15 ED20 ED25
Sứ c că ng b ề m ặt (N m /m ) Thể tích cồn trong hỗn hợp (%)
Nhiệt độ nhiên liệu thử nghiệm: 37,80C
trước đó do phần hỗn hợp chưa cháy bị nén mạnh, thời gian chuẩn bị cháy được rút ngắn và phần này được cháy rất nhanh, đồng thời thời gian bay hơi của nhiên liệu lỏng còn lại cũng giảm. Quá trình phun nhiên liệu tiếp tục cho đến khi toàn bộ lượng nhiên liệu cần thiết được cung cấp hết vào xylanh động cơ. Toàn bộ nhiên liệu phun vào đều lần lượt trải qua các quá trình xé tơi, bay hơi, hòa trộn nhiên liệu với không khí và bốc cháy. Trong suốt hành trình cháy và giãn nở, liên tục diễn ra sự hòa trộn của không khí còn sót lại trong xylanh với hỗn hợp đang cháy và đã cháy. Như vậy, quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel là rất phức tạp. Có thể rút ra một sốvấn đề chính từquá trình cháy trong động cơ diesel như sau:
- Nhiên liệu được phun vào buồng cháy ngay trước khi quá trình cháy diễn ra nên không có hiện tượng kích nổ như đối với động cơ xăng. Do đó, có thể tăng tỷ số nén giúp tăng hiệu suất cao hơn với động cơ xăng.
- Nhiên liệu diesel phải có chỉ trị sốcetan đủ lớn để rút ngắn thời gian cháy trễ, điều này đảm bảo việc có thể kiểm soát thời điểm bắt đầu cháy qua thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu và đảm bảo áp suất khí cháy tối đa trong xylanh không vượt quá giới hạn cho phép.
- Mômen của động cơ được điều chỉnh theo lượng nhiên liệu phun vào cho mỗi chu trình trongkhi lượng không khí nạp gần như không đổi nên trên đường nạp động cơ không cần có bướm tiết lưu, công bơm nhỏ nên hiệu suất cơ giới của động cơ diesel ởchế độtải bộphận cao hơn so với động cơ xăng.
- Khi lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình tăng, lượng muội than (bồ hóng) được hình thành do nhiên liệu cháy không hết tăng lên, do vậy hệsố dư lượng không khí ởchế độ toàn tải phải cao hơn 20% hệ số dư lượng không khíở điều kiện cháy tiêu chuẩn.
Trong động cơ diesel, tốc độ hòa trộn hỗn hợp sẽ quyết định tốc độcháy, vì vậy buồng cháy của động cơ diesel cần đảm bảo hòa trộn nhanh giữa nhiên liệu phun vào và không khí trong xylanh đểquá trình cháy hoàn thành trong khoảng góc
quay thích hợp gần điểm chết trên. Quá trình cháy trongđộng cơ diesel có thể được chia thành 4 giai đoạn gồm: cháy trễ, cháy nhanh, cháy chính (cháy chậm), cháy rớt. - Giai đoạn cháy trễ (điểm 1 đến 2): được tính từ khi bắt đầu phun nhiên liệu vào buồng cháy đến khi bắt đầu cháy.
Hình 2.5.Đồ thị khai triển quá trình cháyở động cơ diesel.
Đặc điểm của giai đoạn này là:
+ Tốc độ phản ứng hóa học tương đối chậm, phản ứng tạo ra các sản phẩm trung gian.
+ Nhiên liệu được phun vào liên tục vào buồng cháy, lượng nhiên liệu được phun vào cuối thời kỳcháy trễkhoảng 30-40%, cá biệt đối với một vài động cơ cao tốc có thểtới 100%.
+ Tốc độ tỏa nhiệt thấp nên có thể bỏ qua sựkhác biệt về biến thiên áp suất và nhiệt độmôi chất so với đường nén.
Thời gian cháy trễ ở động cơ diesel kéo dài khoảng vài phần nghìn giây, trong thời gian đó có khoảng 30-40% lượng nhiên liệu chu trình được đưa vào buồng cháy, đặc biệt ở một số động cơ diesel cao tốc, lượng nhiên liệu phun trong giai đoạn này có thểtới 100%.
- Giai đoạn cháy nhanh (điểm 2 đến 3): Trong giai đoạn này xảy ra quá trình cháy của nhiên liệu đãđư ợc hòa trộn với không khí trong giai đoạn cháy trễ, quá trình cháy này diễn ra rất nhanh chỉ trong vài độgóc quay trục khuỷu. Đặc điểm của giai đoạn này là:
+ Hình thành nguồn lửa, tốc độ cháy tăng nhanh, tốc độtỏa nhiệt thường lớn nhất, cuối giai đoạn này lượng nhiên liệu được đốt cháy chiếm khoảng 1/3 lượng nhiên liệu cấp cho chu trình.
+ Áp suất và nhiệt độmôi chất tăng nhanh.
+ Nhiên liệu tiếp tục được phun vào làm tăng nồng độ nhiên liệu trong hỗn hợp.
Tronggiai đoạn cháy nhanh tốc độ tăng áp suất p/rất lớn, nếu giá trịnày quá lớn sẽtạo các xung áp suất va đập vào bềmặt các chi tiết tạo thành buồng cháy gây tiếng gõ, giảm tuổi thọ động cơ. Quá trình cháy trong giai đoạn này phụthuộc chính vào lượng nhiên liệu cung cấp và sự chuẩn bị về vật lý và hóa học của hỗn hợp trong giai đoạn cháy trễ. Nếu giai đoạn cháy trễ kéo dài, lượng nhiên liệu phun vào nhiều và được chuẩn bị đầy đủ để cháy thì sau khi có một điểm bắt đầu cháy màng lửa sẽ lan nhanh đến mọi nơi trong buồng cháy và làm tốc độcháy và tốc độ tăng áp suất rất lớn.
- Giai đoạn cháy chính (điểm 3 đến 4): Khi phần hỗn hợp nhiên liệu/không
nhiệt) trong giai đoạn tiếp theo phụ thuộc vào tốc độ hình thành hỗn hợp đủ điều kiện có thểcháy. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độhình thành hỗn hợp và cháy giai đoạn này như mức độ phun sương, khả năng bay hơi nhiên liệu, hòa trộn hơi nhiên liệu với không khí, các phảnứng hóa học chuẩn bị cho sự cháy, trong đó tốc độ cháy bị chi phối lớn nhất bởi quá trình hòa trộn hơi nhiên liệu với không khí. Tốc độ tỏa nhiệt có thể đạt giá trị đỉnh thứ hai (thường thấp hơn đỉnh thứ nhất) và sau đó dần dần giảm xuống. Một số đặc điểm của giai đoạn này là:
+ Quá trình cháy tiếp diễn với tốc độ cháy lớn, cuối giai đoạn này nhiệt lượng được tỏa ra chiếm khoảng 70-80% nhiệt lượng cấp cho chu trình.
+ Nhiên liệu đã kết thúc phun, do lượng sản vật cháy tăng nhanh nên nồng độnhiên liệu và ôxy giảm.
+ Nhiệt độ tăng đến giá trị lớn nhất, tuy nhiên do piston bắt đầu đi xuống nên áp suất hơi giảm xuống.
+ Nồng độ sản phẩm của quá trình cháy trung gian giảm, nồng độ sản phẩm cháy cuối cùng tăng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Giai đoạn cháy rớt (điểm 4 đến 5): Quá trình nhảnhiệt vẫn tiếp diễn với tốc độthấp ngay trong hành trình giãn nở. Một phần nhỏnhiên liệu chưa được cháy, một phần năng lượng của nhiên liệu ở dưới dạng bồhóng và các sản phẩm của quá trình cháy giàu nhiên liệu vẫn tiếp tục nhảnhiệt. Đặc điểm của giai đoạn này là:
+ Tốc độ cháy giảm dần đến kết thúc cháy, tốc độ tỏa nhiệt giảm dần tới không.
+ Thểtích môi chất trong xylanh tăng dần nên áp suất và nhiệt độ môi chất đều giảm xuống.
Điều kiện cháy trong giai đoạn này kém do áp suất, nhiệt độ thấp, chuyển động của dòng khí yếu và sản phẩm cháy tăng dẫn đến tăng khả năng hình thành muội than. Phần nhiệt lượng tỏa ra trong giai đoạn này không những chuyển thành công ít hiệu quả hơn so với các giai đoạn trước mà còn tăng phụ tải nhiệt cho các chi tiết, tăng tổn thất nhiệt truyền cho nước làm mát và làm giảm tính năng của động cơ.
Trị sốcủa góc phun sớm thường xê dịch trong khoảng (s = 10400) và phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo và tốc độ quay của động cơ. Toàn bộ quá trình phun nhiên liệu kéo dài khoảng 25300theo góc quay trục khuỷu.
Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trongđộng cơ diesel:
- Tính chất lý hoá của nhiên liệu: Hai tính chất quan trọng của nhiên liệu
cóảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến quá trình cháy là tính tựbốc cháy và độnhớt. Chỉ tiêu đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là trị sốcetan. Động cơ có trịsốcetan càng cao thì thời gian cháy trễcàng ngắn. Như vậy từ góc độquá trình cháy, nhiên liệu có trịsốcetan càng cao càng tốt. Động cơ diesel có tốc độquay lớn yêu cầu nhiên liệu phải có trịsốcetancao hơn.
Độnhớt của nhiên liệu có liên quan đến quá trình cháy thông quaảnh hưởng tới chất lượng phun nhiên liệu và tốc độ hoá hơi của các hạt nhiên liệu trong buồng cháy. Độ nhớt quá thấp (ví dụ như dầu diesel bị lẫn nhiều xăng, cồn,...) sẽ không đảm bảo độ kín và điều kiện bôi trơn cho các chi tiết thuộc hệ thống phun nhiên liệu. Tia phun nhiên liệu ngắn, hạt nhiên liệu phun tơi và cháy gần vòi phun. Ngược lại, độnhớt quá lớn thì chất lượng phun và khả năng hoá hơi của nhiên liệu bị giảm sút làm tăng cường hiện tượng cháy không hoàn toàn trong động cơ.
- Tốc độ quay của động cơ: Ở tốc độ quay lớn, chất lượng phun nhiên liệu cao và vận động rối mạnh của môi chất công tác trong xylanh sẽcó ảnh hưởng tốt đến quá trình cháy, tốc độ quay càng cao thì nhiên liệu được đưa vào buồng cháy trong thời gian cháy trễcàng nhiều. Kết quảlà tốc độ tăng áp suất ở giai đoạn tiếp theo của quá trình cháy sẽlớn, động cơ làm việc “ồn”, tải trọng tác dụng lên các chi tiết tăng.
Ngoài ra, khi tăng tốc độ quay, thời gian dành cho mỗi chu trình công tác bị rút ngắn, quá trình cháy phải kéo dài trên đường giãn nở, điều này thểhiện qua hiện tượng tăng nhiệt độ khí thải và nhiệt độ nước làm mát khi tăng tốc độ quay của động cơ.
- Áp suất và nhiệt độcuối quá trình nén: Áp suất và nhiệt độcủa môi chất công tác ở cuối quá trình nén càng cao thì quá trình chuẩn bị cho nhiên liệu bốc
cháy diễn ra càng nhanh, tức là thời gian cháy trễcàng ngắn. Trị sốáp suất và nhiệt độcủa môi chất công tácởcuối quá trình nén phụthuộc vào các các yếu tố:
Tỷsốnén của động cơ.
Vật liệu chếtạo pistonvà nắp xylanh.
Áp suất và nhiệt độcủa không khí nạp.
Phụtải của động cơ.
Tình trạng kỹthuật của nhóm piston, xécmăng, xylanh , xupáp,..
- Tỷ số nén:Tăng tỷ số nén làm tăng áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén qua đó gia tăng tốc độ quá trình cháy. Vì vậy các động cơ diesel cao tốc thường phải có tỷ số nén cao hơn so với động cơ thấp tốc. Những động cơ diesel đa nhiên liệu có tỷ sốnén rất cao để tạo ra áp suất pc và nhiệt độ Tc đủ lớn có thểlàm bốc cháy những loại nhiên liệu có trịsốcetan thấp.
- Áp suất quá trình nạp: Ở những động cơ tăng áp do áp suất và nhiệt độ cao hơn áp suất và nhiệt độ khí quyển. Do vậy, nếu tỷ số nén như nhau thì áp suất và nhiệt độ của quá trình nén ở động cơ tăng áp cao hơn ở động cơ không tăng áp. Đây là một trong các nguyên nhân làm cho động cơ tăng áp làm việc “êm” hơn hoặc có thểchạy bằng nhiên liệu xấu hơn so với trường hợp động cơ không tăng áp.
- Sức cản khí động trong hệ thống nạp: Nếu sức cản khí động trong hệ
thống nạp tăng (bình lọc không khí bẩn) không gian công tác của xylanh không kín (piston, xylanh, xécmăng và các xupáp bị mòn rỗ,…) là những yếu tốlàm giảm áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén và có ảnh hưởng không tốt tới quá trình cháy. Trong trường hợp này, không những công suất và hiệu suất giảm mà còn có thểdẫn đến tình trạng khó hoặc không khởi động động cơ được do nhiên liệu không bốc cháy trong điều kiện áp suất và nhiệt độquá thấp.
Ngoài những điều trình bày ở trên, diễn biến và chất lượng quá trình cháy trong động cơ diesel còn bị chi phối bởi các yếu tố khác nữa như: kết cấu buồng cháy, thời điểm, quy luật và chất lượng phun nhiên liệu.