VII. Bố cục luận án
41. Chuyển đổi động cơ diesel một xylanh S1100 thành động cơ khí thiên nhiên
4.6.2. Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston và tỷ số nén đến khả năng cháy
Hình 4.24 thể hiện các kết quả thu được từ cảm biến đo áp suất trong xylanh của động cơ theo góc quay trục khuỷu của ba biên dạng đỉnh piston khác nhau. Quan sát trên hình vẽ có thể thấy rằng sự thay đổi áp suất ở bên trong xylanh động cơ của ba dạng đỉnh piston giống nhau. Nhưng giá trị áp suất lớn nhất của PS3 nhỏ hơn so với PS2 mặc dù có cùng tỷ số nén = 12,5 là do kết cấu hình học của buồng cháy khác nhau. Khoảng cách giữa đường tâm xylanh và đường tâm của phần thể tích trên đỉnh piston là OB và khoảng cách này đã tăng lên một đoạn là OB = 4,5 mm. Do vậy vận tốc squish được sinh ra ở cuối kỳ nén sẽ có giá trị khác nhau phụ thuộc vào những vùng xuất hiện squish. Điều này dẫn đến khả năng màng lửa bị dập tắt và tăng lượng nhiệt truyền ra thành buồng cháy, đây cũng chính là nguồn gốc làm cho các thông số đo được (Mômen và giá trị lớn nhất của áp suất trong xylanh) của PS3 nhỏ hơn so với PS2 và cả PS1 ở cùng tốc độ n = 1400 vòng/phút.
Đối với trường hợp PS1 và PS2 đều có OB = 0, giá trị lớn nhất của áp suất đo được ở trong buồng cháy của PS1 nhỏ hơn PS2 nhưng mô men và công suất lại lớn hơn (hình 4.22, hình 4.23). Trước tiên có thể giải thích sự khác biệt này là do sự thay đổi về phần thể tích buồng cháy trên đỉnh piston, khi đường kính phần thể tích trên đỉnh piston tăng từ Db = 61,5 mm đến Db = 66 mm nhưng khoảng cách từ mặt trên của đỉnh piston đến mặt đáy của phần thể tích đỉnh piston được cố định tại Hb = 19 mm. Kích thước của Db tăng làm cho tỷ số nén động cơ bị giảm từ = 12,5 xuống = 11,5, vì vậy áp lực của các chất khí trong buồng cháy lên đỉnh piston cũng giảm. Từ phương trình 2.48 suy ra được rằng khi đường kính của thể tích buồng cháy trên đỉnh piston (Db) tăng sẽ làm cho vận tốc squish (Vsq) giảm vì vậy trường dòng
của các khí bên trong buồng cháy có động năng giảm. Đây là nguyên nhân làm cản trở quá trình vận chuyển nhiệt từ các khí truyền cho thành vách buồng cháy.
Để giải thích rõ hơn nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt về kết quả đo giữa PS1 và PS2, bước tiếp theo sẽ phân tích ảnh hưởng của kích thước hình học đỉnh piston đến khả năng đốt cháy nhiên liệu ở bên trong xylanh động cơ.
Hình 4.24. Sự thay đổi của áp suất trong xylanh theo góc quay trục khuỷu
Hình 4.25. Lượng nhiên liệu đã cháy thay đổi theo góc quay trục khuỷu
Từ phương trình 2.16 và các thông số đo như áp suất trong buồng cháy trục khuỷu và lượng nhiên liệu cấp từ vòi phun, lượng nhiên liệu đã cháy theo góc quay trục khuỷu đã được tính và trình bày như hình 4.25. Ở cùng điều kiện làm việc như: tốc độ động cơ cố định tại n = 1400 vòng/phút, giá trị lambda được kiểm soát và giữ tại = 1, thời điểm đánh lửa sẽ điều chỉnh để được giá trị mô men lớn nhất, xu
hướng thay đổi của lượng nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu của PS1 và PS2 là tương đối giống nhau.
Trong khoảng xb = 0 ÷ 0,2, lượng nhiên liệu đã cháy của SP1 và SP2 là như nhau vì vậy có thể suy ra khả năng dễ bắt cháy của hỗn hợp đối với SP1 và SP2 là như nhau. Với xb = 0,2 ÷ 0,8, lượng nhiên liệu đã cháy của PS1 chậm hơn so với trường hợp PS2, ngược lại lượng nhiên liệu đã cháy của PS1 lại lớn hơn so với PS2 trong khoảng xb = 0,8 ÷ 1. Tuy nhiên sự khác biệt về khối lượng nhiên liệu đã cháy giữa PS1 và PS2 là rất nhỏ và không đáng kể, do vậy có thể suy ra tốc độ cháy của hai trường hợp này là tương đương nhau. Để xác định được chính xác nguyên nhân làm cho giá trị công suất của PS1 lớn hơn PS2, bước tiếp theo cần phân tích tốc độ giải phóng nhiệt thay đổi theo góc quay trục khuỷu.
Hình 4.26 cho thấy tốc độ giải phóng nhiệt của PS1 và PS2 thay đổi theo góc quay trục khuỷu ở cùng điều kiện làm việc. Do PS2 có tỷ số nén = 12,5 và Db = 61,5 mm trong khi đó PS1 có tỷ số nén = 11,5 và Db= 66 mm nên vận tốc squish được sinh ra ở gần cuối kỳ nén của PS2 sẽ lớn hơn. Nhờ tạo được vận tốc squish lớn hơn nên tốc độ giải phóng nhiệt (HRR) của PS2 nhanh hơn so với PS1 khi trục khuỷu quay được góc α = 350 ÷ 360 độ. Tốc độ giải phóng nhiệt của PS2 đạt đến giới hạn cao nhất khi góc quay của trục khuỷu đã vượt quá một chút so với α = 360 độ. Trong khi đó tốc độ giải phóng nhiệt lớn nhất của PS1 lại lùi sau so với điểm chết trên (α = 360 độ) khoảng 10 độ góc quay trục khuỷu.
Từ sự khác biệt này đã đủ cơ sở để kết luận được rằng với kích thước hình học của kiểu PS2 thì chắc chắn sẽ bị tổn thất nhiệt truyền ra thành buồng cháy lớn hơn so với kiểu PS1. Nguyên nhân gây ra tổn thất nhiệt này chủ yếu là do đường kính phần thể tích buồng cháy trên đỉnh piston (Db) của kiểu PS2 nhỏ hơn so với PS1.