3. Tổng quan về hệ thống đánh lửa và lý thuyết về điều chỉnh góc đánh lửa sớm
3.2.1. Diễn biễn quá trình cháy của động cơ châm cháy cưỡng bức
a. Diễn biến bình thường của quá trình cháy của động cơ châm cháy cưỡng bức
Trong động cơ châm cháy cưỡng bức, quá trình cháy được bắt đầu từ nguồn lửa xuất hiện ở điện cực bugi trong môi trường hòa khí đều được hòa trộn trước, sau đó xuất hiện màng lửa theo mọi hướng tới khắp không gian buồng cháy. Trong quá trình cháy hóa năng của nhiên liệu được chuyển thành nhiệt năng làm tăng áp suất và nhiệt độ của môi chất. Nếu nhiên liệu được cháy càng kiệt, kịp thời thì năng lượng nhiệt nhả ra được chuyển thành công càng tốt làm tăng công suất và hiệu suất động cơ.
29 Hình 3-16 Quá trình cháy của động cơ xăng châm cháy cưỡng bức
I – Cháy trễ, II – Cháy nhanh, III – Cháy rớt;
1- Thời điểm bắt đầu đánh lửa; 2- Thời điểm hình thành màng lửa trung tâm; 3- Thời điểm áp suất lớn nhất pz
Điểm 1 là điểm bắt đầu đánh lửa, cách điểm chết trên một góc được gọi là góc đánh lửa sớm; điểm 2 là thời điểm đường áp suất tách khỏi đường nén; điểm 3 là thời điểm đạt áp suất cực đại. Điểm áp suất cực đại và điểm nhiệt độ cực đại không trùng nhau. Điểm nhiệt độ cực đại thường xuất hiện muộn hơn so với điểm áp suất cực đại. Dựa vào đặc trưng biến thiên áp suất trên đồ thị p - , người ta chia quá trình cháy của động cơ châm cháy cưỡng bức thành ba thời kì.
Thời kì cháy trễ I (từ điểm 1 đến điểm 2): tính từ lúc đánh lửa cho đến khi áp suất p tăng đột ngột. Thời gian cháy trễ cũng chính là thời gian của quá trình phát hỏa tương ứng với quá trình nổ dây chuyền nhiệt.
= 1 + 2 + 3 Trong đó: - Thời gian cháy trễ.
1 - Ngọn lửa lạnh. 2 - Ngọn lửa xanh. 3 - Ngọn lửa nóng.
Thời gian cháy trễ phụ thuộc tính chất nhiên liệu, thành phần hòa khí, áp suất và nhiệt độ môi chất. Trong phạm vi nhiệt độ và áp suất nhất định, thời gian cháy trễ được thể hiện qua biểu thức:
30 = a.p .e
Trong đó: a - Hằng số phụ thuộc vào loại nhiên liệu. n - Chỉ số phản ứng (phụ thuộc kiểu phản ứng). E – Năng lượng hoạt hóa.
R – Hằng số khí thể.
Trong thời kì này áp suất trong xilanh thay đổi tương tự như trường hợp không đánh lửa, phân tích từ hình 3-16 ta thấy thời kì này được tính từ lúc bắt đầu đánh lửa, qua một thời gian ngắn đến lúc xuất hiện nguồn lửa được gọi là màng lửa trung tâm. Thời điểm xuất hiện màng lửa trung tâm không nhất thiết trùng với thời điểm tăng đột ngột của áp suất p. Thông thường màng lửa trung tâm xuất hiện trước một chút so với thời điểm tăng đột ngột của p. Nhưng nhiều khi để đơn giản người ta không cần phân biệt rõ rệt hai thời điểm này.
Phân tích thời kì cháy trễ ta thấy rằng, sau khi bugi đã bật tia lửa điện, hòa khí trong xilanh không cháy ngay mà phải thực hiện một loạt phản ứng sơ bộ tạo nên sản vật trung gian… Trong thời kì này nhiệt lượng tỏa ra của các phản ứng rất nhỏ, vì vậy không thấy rõ sự khác biệt giữa nhiệt độ và áp suất so với trường hợp không đánh lửa.
Thời kì đánh lửa dài hay ngắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất, trạng thái (áp suất, nhiệt độ) của hòa khí trước khi đánh lửa, năng lượng của tia lửa điện…
Thời kì cháy nhanh II (được tính từ điểm 2 đến điểm 3 - điểm có áp suất cực
đại):
Thời kì này cũng tương ứng với thời kì lan truyền của màng lửa tính từ lúc xuất hiện màng lửa trung tâm tới khi màng lửa lan truyền khắp buồng cháy. Màng lửa của động cơ châm cháy cưỡng bức hầu hết là màng lửa chảy rối. Trong quá trình lan truyền, màng lửa có dạng mặt cầu nhấp nhô lồi lõm. Trong thời kì này màng lửa được lan truyền với tốc độ tăng dần, hòa khí trong xilanh có phản ứng ôxy hóa ngày một mãnh liệt và nhả ra một số nhiệt lượng lớn, trong khi dung tích trong xilanh thay đổi ít làm cho áp suất và nhiệt độ môi chất tăng lên.
Thời kì cháy nhanh là giai đoạn chính trong quá trình cháy hòa khí của động cơ xăng, phần lớn nhiệt lượng được nhả ra trong giai đoạn này. Quy luật nhả nhiệt sẽ quyết định việc tăng áp suất, tức là quyết định khả năng đẩy píttông sinh công, vì vậy thời kì này có ảnh hưởng quyết định tới tính năng của động cơ xăng.
Nhìn từ khía cạnh nâng cao hiệu suất của chu trình, thì cần thời gian cháy càng nhanh càng tốt. Muốn rút ngắn thời gian cháy phải nâng cao tốc độ cháy, làm cho
31 áp suất cực đại và nhiệt độ cực đại xuất hiện tại vị trí gần sát điểm chết trên (ĐCT), khiến số nhiệt lượng nhả ra được lợi dụng đầy đủ, làm tăng công suất và hiệu suất động cơ.
Khi phân tích quá trình cháy cần phân biệt rõ hai khái niệm: tốc độ lan truyền màng lửa Sr (m/s) và tốc độ cháy U (kg/m2
s). Sr thể hiện tốc độ dịch chuyển của màng lửa theo hướng pháp tuyến, còn U thể hiện khối lượng hòa khí được một đơn vị diện tích màng lửa đốt cháy trong một đơn vị thời gian. Mối quan hệ giữa Sr và U như sau: U = . Sr
Trong đó: – Khối lượng riêng của hòa khí (kg/m3
). Số nhiệt lượng Q nhả ra trong một đơn vị thời gian:
Q = U.FT.Hm = . Sr. FT. Hm (kJ/s) Trong đó: FT - Diện tích màng lửa (m2).
Hm - Nhiệt trị của hòa khí (kJ/kg).
Ta thấy rằng quy luật nhả nhiệt của thời kì cháy nhanh, tức quy luật biến thiên của Q phụ thuộc vào tốc độ lan truyền màng lửa Sr, diện tích màng lửa FT và mật độ môi chất . Màng lửa lan càng rộng, càng lớn và lúc ấy số hòa khí chưa cháy phải chịu sự chèn ép của phần đã cháy gây ra. Số hòa khí cháy cuối cùng bị chèn ép tới 7 8 lần.
Hình 3-17 Sơ đồ lan truyền màng lửa
1- Sản vật cháy; 2- Hòa khí chưa cháy bị chèn ép; 3- Trung tâm phát hỏa tự cháy; 4- Màng lửa
Trường hợp cháy bình thường, tốc độ lan truyền màng lửa vào khoảng 1030 (m/s), diện tích màng lửa thay đổi theo quy luật phân bố dung tích của buồng cháy, đặc điểm lưu động của môi chất, vị trí đặt bugi.
32 Hình 3-18 Sơ đồ phân bố màng và tốc độ màng lửa
a- Chuyển động dòng khí rất yếu; b- Chuyển động xoáy mạnh của dòng khí Sơ đồ a với Sr 16 m/s, sơ đồ b với Sr tới 45 m/s. Tốc độ lan truyền và diện tích màng lửa càng lớn sẽ làm cho tốc độ cháy, tốc độ nhả nhiệt, áp suất và nhiệt độ môi chất trong xilanh trong thời kì cháy nhanh tăng lên càng nhiều làm cho công suất và hiệu suất động cơ đều được cải thiện tốt hơn. Tuy vậy tốc độ cháy không thể lớn quá nếu không sẽ làm tăng nhanh tốc độ tăng áp suất, gây va đập cơ khí, tăng tiếng ồn làm cho hoạt động của động cơ trở nên thô bạo, gây tăng mài mòn chi tiết và giảm tuổi thọ sử dụng động cơ. Tốc độ tăng áp suất trung bình của thời kì cháy nhanh được thể hiện qua (
p p p 2 3 2 3 ), còn giá trị tức thời là d dp . Thông thường phải hạn chế p
trong giới hạn (1,752,5).105 (Pa/độ). Mặt khác phải điều khiển để áp suất cực đại (điểm 3 trên hình 3-16) được xuất hiện sau điểm chết trên một khoảng 100 150 góc quay trục khuỷu, lúc đó động cơ sẽ chạy êm, nhẹ nhàng và có tính năng động lực tốt.
Thời kì cháy rớt III được tính từ điểm 3 (điểm áp suất cực đại) trở đi:
Mặc dù cuối thời kì II màng lửa đã lan truyền khắp buồng cháy, nhưng do hòa khí phân bố không thật đều, điều kiện áp suất và nhiệt độ ở mọi khu vực trong buồng cháy không hoàn toàn giống nhau, nên có những khu vực nhiên liệu chưa cháy hết. Trong quá trình giãn nở, do điều kiện hòa trộn thay đổi sẽ làm cho số nhiên liệu chưa cháy được hòa trộn và bốc cháy tiếp tạo nên thời kì cháy rớt. Trong
33 thời kì này, nhiệt lượng nhả ra tương đối ít, dung tích động cơ lại tăng nhanh nên áp suất trong xilanh sẽ giảm dần theo góc quay trục khuỷu. Thời kì cháy rớt dài hay ngắn là tùy thuộc vào số lượng hòa khí cháy rớt, nhìn chung đều mong muốn rút ngắn thời kì cháy rớt. Nhưng cũng có trường hợp cháy rớt còn kéo dài sang cả quá trình thải, thậm chí đến khi bắt đầu quá trình nạp của chu kì kế tiếp, khí thải đang cháy còn chui vào đường nạp đốt cháy hòa khí tại đây, đó là hiện tượng hồi hỏa của động cơ xăng (nổ trên đường nạp). Nói chung thời kì cháy rớt của động cơ xăng thường ngắn.
Trong các giai đoạn trên, giai đoạn mồi lửa chịu ảnh hưởng rất nhiều của các yếu tố sau: thành phần hỗn hợp công tác, nhiệt độ, áp suất và tốc độ chuyển động (mức độ hòa trộn) của hỗn hợp công tác trong xilanh.
Như vậy quá trình cháy của hỗn hợp công tác không xảy ra tức thời mà cần một khoảng thời gian nhất định. Để phát huy được hiệu quả cao nhất khi hỗn hợp công tác được đốt cháy, giãn nở sinh công của động cơ, tia lửa điện giữa các cực của bugi cần phải xuất hiện trước khi píttông chuyển động tới điểm chết trên (ĐCT) của cuối chu trình nén, để sao cho hỗn hợp công tác sẽ được bén lửa, bốc cháy và giãn nở trong vùng có thể tích nhỏ nhất (thể tích của buồng đốt).
Trong động cơ xăng, hỗn hợp hòa khí được đánh lửa để đốt cháy (nổ), và áp lực sinh ra từ sự bốc cháy sẽ đẩy píttông xuống. Năng lượng nhiệt được biến thành động lực có hiệu quả cao nhất khi áp lực nổ cực đại được phát sinh vào thời điểm trục khuỷu ở vị trí 100 sau điểm chết trên (ATDC). Động cơ không tạo ra áp lực nổ cực đại vào thời điểm đánh lửa, nó phát ra áp suất cực đại chậm một chút, sau khi đánh lửa. Vì vậy, phải đánh lửa sớm, sao cho áp suất cực đại được tạo ra vào thời điểm 100 sau điểm chết trên (ATDC).
b. Các nhân tố chính ảnh hưởng đến quá trình cháy động cơ châm cháy cưỡng bức
Ảnh hưởng của chất lượng hòa khí đến quá trình cháy:
Thành phần hòa khí: Quá trình cháy có thể được cháy kiệt và kịp thời hay không 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.
Kết quả thực nghiệm chứng minh rằng: thành phần hòa khí khác nhau sẽ cho tốc độ lan truyền màng lửa khác nhau, với = 0,850,95 tốc độ lan màng lửa cao nhất, áp suất cực đại pz và nhiệt độ cực đại cũng lớn nhất, do đó công suất động cơ cao nhất. Thành phần trên của hòa khí được gọi là thành phần công suất. Nếu
34 hòa khí nhạt hơn (so với = 0,850,95), tốc độ lan truyền màng lửa giảm bớt nên công suất động cơ giảm dần. Nhưng do nhiên liệu cháy kiệt hơn (vì có đủ ôxy hơn) nên hiệu suất cao hơn. Khi = 1,051,1 nhiên liệu được cháy hoàn toàn, hiệu suất đạt cao hơn, vì vậy = 1,051,1 được gọi là thành phần tiết kiệm. Tiếp tục làm nhạt hòa khí tức là khi > 1,051,1 nếu có giải pháp thích hợp, đảm bảo cho hòa khí cháy kiệt, thì hiệu suất lợi dụng nhiệt vẫn có thể tiếp tục tăng. Nhưng nói chung, hòa khí càng nhạt, tốc độ lan truyền màng lửa càng giảm, tốc độ cháy càng chậm, tăng phần cháy rớt, hiệu suất giảm. Nếu hòa khí quá nhạt, thời gian cháy rớt sẽ kéo dài tới cuối kỳ thải có thể gây nên hiện tượng hồi hỏa. Nếu hòa khí nhạt hơn nữa làm cho khoảng cách giữa các phần tử nhiên liệu quá lớn, khiến màng lửa không thể lan trong hòa khí, động cơ hoạt động không ổn định thậm chí gây bỏ lửa và chết máy. Do đó = 1,31,4 là giới hạn dưới của thành phần hòa khí đảm bảo màng lửa có thể lan truyền. Tương tự như vậy nếu hòa khí có thành phần đậm hơn = 0,85
0,95, do tốc độ lan truyền lửa giảm sút làm công suất giảm, và do lượng nhiên liệu không cháy hết tăng lên, nên làm tăng lượng nhiên liệu tiêu hao. Khi = 0,40,5 do thiếu ôxy 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, tức là hòa khí sẽ không cháy. Trong thực tế để đạt độ tin cậy của động cơ khi hoạt động, thành phần hòa khí thực tế thường nằm trong giới hạn từ 0,81,2.
Hình 3-19 Ảnh hưởng của thành phần hòa khí tới tốc độ lan truyền màng lửa Giới hạn của thành phần hòa khí không phải là một hằng số vật lý bất biến, mà tùy thuộc theo điều kiện khác nhau có thể mở rộng hoặc thu hẹp. Ví dụ nếu hòa
35 khí có nhiệt độ cao, giới hạn lan truyền màng lửa của thành phần hòa khí sẽ mở rộng hơn, ngược lại nếu tăng hàm lượng khí sót trong hòa khí sẽ thu nhỏ giới hạn.
Thành phần hòa khí cũng gây ảnh hưởng rõ rệt tới kích nổ. Hòa khí đậm với = 0,850,95 có tốc độ lan truyền màng lửa lớn nhất và cho nhiệt độ và áp suất cao nhất ở cuối kỳ cháy nhanh. Lúc ấy thời gian cháy trễ của số hòa khí ở cuối hành trình màng lửa cũng ngắn nhất, do đó với = 0,850,95 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 hay nhạt đi (làm tăng t2) 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.
Động cơ ôtô thường hạt động ở tải nhỏ và tải vừa, chỉ khi leo dốc và khi cần khắc phục lực cản lớn của đường sá mới cần phát công suất lớn nhất. Để thích ứng với điều kiện hoạt động trên, hệ thống phun chính của bộ chế hòa khí cần cung cấp nhiên liệu có thành phần tiết kiệm nhất. Chỉ khi gần với toàn tải mới dùng cơ cấu làm đậm (hoặc cơ cấu tiết kiệm) cấp nhiên liệu làm cho hòa khí đậm lên tới thành phần công suất của hòa khí.
Phân phối hòa khí vào các xilanh: Trong động cơ nhiều xilanh chất lượng hòa khí còn liên quan đến sự phân phối số lượng và thành phần hòa khí vào các xilanh. Nếu phân phối không đều về số lượng cũng như thành phần hòa khí thì các xilanh của động cơ không thể cùng một lúc đều sử dụng hòa khí có thành phần công suất hoặc thành phần tiết kiệm nhất, do đó làm giảm công suất và hiệu suất của động cơ. Phân phối không đều chủ yếu là do phần nhiên liệu nặng khí bay hơi, thành phần này lại dễ gây kích nổ, vì vậy việc phân phối hòa khí không đều sẽ làm tăng khuynh hướng gây kích nổ của một số xilanh.
Trong động cơ xăng, bay hơi của nhiên liệu và hình thành hòa khí phần lớn được thực hiện trên đường nạp. Vì vậy việc phân phối đồng đều về số lượng cũng như thành phần hòa khí phụ thuộc chính vào cấu tạo, tức là hình thức phân bố đường ống nạp.
Động cơ xăng 4 kỳ bốn xilanh thường dùng hai nhánh ống nạp. Cách bố trí này đảm bảo cho khoảng cách cũng như chuyển hướng của dòng chảy từ bộ chế hòa khí đến xupáp nạp của các xilanh đều tương tự nhau. Nhưng do tác dụng quán tính của dòng khí nạp làm cho lưu động của dòng thiên về các xilanh 1 và 4 (ở rìa