VII. Bố cục luận án
2.1. Tổng quan về cháy cưỡng bức
Cháy (Combustion) được hiểu một cách đơn giản là phản ứng oxy hóa nhiệt độ cao giữa chất đốt và chất oxy hóa. Trong nghiên cứu về động cơ đốt trong, chất đốt chính là nhiên liệu cấp từ vòi phun có thể trực tiếp hoặc gián tiếp vào trong xylanh động cơ, chất ô xi hoá thường là ôxy có trong khí quyển và được nạp vào trong xylanh động cơ thông qua hệ thống nạp.
Sản phẩm được tạo ra từ phản ứng ô xi hoá khử nhiệt độ cao thường ở dạng hơi khi ở trong buồng cháy và được gọi là khí thải. Khái niệm về cháy đi kèm với ánh sáng và nhiệt độ cao thì được gọi là phản ứng ô xi hoá nhanh sinh ra nhiệt, tuy nhiên cháy cũng có thể không xuất hiện ánh sáng mà chỉ sinh một chút nhiệt thì được gọi là phản ứng ô xi hoá khử tốc độ chậm.
Trong nghiên cứu về cháy có hai khái niệm cơ bản đó là cháy hoàn toàn và cháy không hoàn toàn. Cháy hoàn toàn là lượng nhiên liệu cấp vào trong xylanh động cơ đã được đốt cháy hoàn toàn, về lý thuyết khi đó sản phẩm chỉ gồm có CO2, H2O, N2 và nhiệt giải phóng ra rất lớn. Tuy nhiên trong thực tế quá trình cháy ở động cơ đốt trong khó có thể đạt được quá trình cháy hoàn toàn, thường là quá trình cháy không hoàn toàn với sản phẩm của quá trình ô xy hoá nhiên liệu gồm nhiều loại khí phụ thuộc vào nhiều điều kiện khác nhau như: loại nhiên liệu, tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu (A/F), hình dạng buồng cháy. …v.v.
Động cơ đốt trong làm việc theo chu trình Otto được gọi là động cơ cháy cưỡng bức (SI engine), quá trình cháy của động cơ này được chia thành ba giai đoạn cháy đơn giản như thể hiện trên hình 2.1 và có thể gọi tên như sau: Giai đoạn đầu tiên là đánh lửa và hình thành màng lửa (Flame development phase), giai đoạn thứ 2 là phát triển màng lửa hay còn gọi là cháy chính (Fast burning phase), và giai đoạn thứ ba là cháy sau hoặc có thể hiểu là giai đoạn kết thúc của màng lửa (Completion phase).
Ở giai đoạn cháy thứ nhất, khối lượng nhiên liệu được đốt cháy chỉ khoảng 5- 10% do vậy sự gia tăng về áp suất và nhiệt độ giai đoạn này là rất ít, công có ích được sinh ra trong giai đoạn này là vô cùng nhỏ.
Giai đoạn thứ hai, công có ích được sinh ra chủ yếu ở giai đoạn này là nhờ lượng nhiên liệu ở bên trong xylanh được đốt cháy rất nhanh và có thể đạt đến 90%
khối lượng; Vì vậy mà áp suất và nhiệt độ trong xylanh động cơ tăng lên rất nhanh các khí trong xylanh giãn nở mạnh.
Giai đoạn thứ ba là giai đoạn kết thúc của màng lửa với 10% khối lượng nhiên liệu còn lại tiếp tục cháy. Ở giai đoạn này có sự giãn nở của các phân tử khí vẫn còn tiếp tục nhưng rất nhỏ, áp suất nhiệt độ giảm rất nhanh và màng lửa bị tắt. Tuy nhiên để xem xét sự thay đổi của các thông số khác nhau ảnh hưởng đến quá trình cháy ở động cơ trong điều kiện không có các thiết bị hiện đại và quá đắt tiền, phương án xây dựng các mô hình cháy cơ bản thông qua các định luật bảo toàn và giải các phương trình năng lượng là có tính khoa học và thực tiễn cao.
Hình 2.1. Quá trình cháy của động cơ làm việc theo chu trình Otto