1) Góc xả sớm
Xả được mở trước khi piston ở ĐCD trong hành trình dãn nở nhằm mục đích để một lượng đáng kể khí thải tự Xupap thốt ra khỏi khơng gian công tác của xylanh, qua đó giảm được cơng tiêu hao cho việc đẩy khí thải trong hành trình xả và giảm lượng khí sót. Giả sử b1 là thời điểm bắt đầu mở xupap xả tối ưu và đường xả được thể hiện bằng đường liền trên Hình 2.4
Nếu xupap xả mở quá sớm (điểm b1s – hình 2.4, tức là khi mà áp suất trong xylanh vẫn cịn khá cao, sẽ có những điểm lợi hại như sau :
- Lãng phí nhiều cơng dãn nở,
- Cơng tiêu hao cho việc đẩy khí thải trong giai đoạn xả cưỡng bức sẽ nhỏ hơn do đã có một phần lớn sản phẩm cháy tự thốt ra ngồi trong hành trình dãn nở.
- Lượng khí sót ít hơn.
Tuy nhiên, phần cơng lãng phí vẫn lớn hơn và kết quả là cơng suất động cơ sẽ giảm nếu mở xupap xả quá sớm.
Nếu xupap xả mở quá muộn (điểm b1m – Hình 2.4, tức là khi piston đã đến quá gần ĐCD trong hành trình dãn nở, thì :
- Khí thải bắt đầu thốt ra khỏi khơng gian công tác của xylanh khi áp suất trong đó đã khá thấp, do đó phần cơng dãn nở bị lãng phí sẽ ít hơn.
- Cơng tiêu hao cho việc đẩy khí thải trong giai đoạn xả cưỡng bức lớn hơn,
- Lượng khí sót nhiều hơn.
Kết quả cuối cùng là hệ số khí sót sẽ lớn hơn và cơng suất động cơ cũng giảm khi mở xupap xả quá muộn do phần công dãn nở tận dụng được không bù đắp nổi phần cơng tiêu hao cho việc đẩy khí thải ra ngồi.
2) Góc xả muộn
Xupap xả được đóng kín sau khi piston đã rời ĐCT trong hành trình nạp nhằm mục đích giảm lượng khí sót, bởi vì mặc dù tác dụng "đẩy" của piston đã chấm dứt nhưng do qn tính của dịng khí thải và chênh lệch áp suất nên một lượng khí thải sẽ bị "hút" ra khỏi xilanh ở những thời điểm đầu của hành trình nạp. Thậm chí một lượng nhất định khí mới cũng được hút ra đường ống xả nếu
các góc nạp sớm (ns) và xả muộn (xm) có trị số thích hợp. Hiện tượng này được gọi là quét buồng đốt. Giả sử r1 là thời điểm đóng kín xupap xả tối ưu, đường áp suất tương ứng là đường liền (H. 3.2-1c).
Nếu góc xả muộn quá nhỏ, tức là xupap xả đóng quá sớm (điểm r1s) thì tiết diện lưu thơng của xupap xả sẽ rất nhỏ tại những thời điểm piston ở gần ĐCT. Trong điều kiện đo, khí thải khơng kịp thốt ra ngồi và bị nén lại, rồi sau đó sẽ giãn nở (đường ) và làm chậm lại quá trình nạp vì khí mới chỉ có thể đi vào xilanh khi áp suất trong đó nhỏ hơn áp suất trước xupap nạp. Kết quả là hệ số khí sót tăng và hệ số nạp giảm khi góc xả muộn quá nhỏ.
Nếu góc xả muộn quá lớn cũng có hậu quả tương tự như trường hợp góc xả muộn q nhỏ, vì khi đó sẽ có một lượng nhất định khí thải trong ống xả được hút ngược trở lại không gian công tác của xilanh.
3) Góc nạp sớm
Xupap nạp được mở trước khi piston ở ĐCT trong hành trình xả nhằm mục đích tăng lượng khí nạp vào xilanh nhờ đảm bảo tiết diện lưu thông của xupap nạp đủ lớn ở giai đoạn đầu của hành trình nạp. Giả sử d1 là thời điểm bắt đầu mở xupap nạp tối ưu và đường áp suất được thể hiện bằng đường liền trên Hình 2.4
Nếu góc nạp sớm (ϕns) quá nhỏ, tức là thời điểm bắt đầu mở xupap nạp quá gần
ĐCT (điểm d1m), thì tiết diện lưu thơng của xupap nạp tại những thời điểm piston ở ĐCT sẽ nhỏ, sức cản khí động tăng sẽ làm cho áp suất trong xilanh ở giai đoạn đầu hành trình nạp thấp hơn. Kết quả là lượng khí nạp sẽ giảm và cơng tiêu hao cho quá trình nạp- xả cũng tăng.
Nếu xupap nạp mở quá sớm thì hậu quả cũng tương tự như trường hợp xupap nạp mở quá muộn, vì khi đó một lượng nhất định khí thải sẽ bị đẩy vào đường ống nạp rồi sau đó quay trở lại khơng gian cơng tác của xilanh.
4) Góc nạp muộn
Việc mở xupap nạp được duy trì một thời gian sau khi piston đã rời ĐCD trong hành trình nén nhằm mục đích tăng lượng khí mới được nạp vào xilanh. Bởi vì, mặc dù piston đã bắt đầu đi lên nhưng do quán tính của dịng khí nạp và chênh
lệch áp suất, một lượng nhất định khí mới vẫn tiếp tục đi vào xilanh ở những thời điểm đầu của hành trình nén.
Nếu xupap nạp đóng q sớm (điểm a1s – Hình 2.3)thì tiết diện lưu thơng của xupap nạp khi piston ở gần ĐCD sẽ nhỏ. Điều đó làm giảm hiệu quả nạp thêm.
Nếu xupap nạp đóng q muộn thì một phần khí mới sẽ bị đẩy ngược trở lại đường ống nạp.
Qua phân tích ở trên ta thấy, các góc phối khí có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng q trình nạp-xả, qua đó ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật của động cơ. Việc lựa chọn hoặc điều chỉnh đúng các góc phối khí sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến cơng suất và hiệu suất của động cơ. Góc phối khí lớn hay nhỏ tùy thuộc trước hết vào tốc độ quay của động cơ và phương pháp nạp-xả. Thông thường, trị số của các góc phối khí được lựa chọn bằng con đường thực nghiệm.
Bảng 2. 2 Góc phối khí của một số động cơ
Động cơ n [rp m] ϕns [ 0 gqtk] ϕnm [ 0 gqtk] ϕxs [ 0 gqtk] ϕxm [ 0 gqtk] Zill - 130 3200 31 83 67 47 Peugeot 404 5400 0 30,5 35 4,5 Gaz - 21 4000 24 64 58 30 D6 1500 20 48 48 20 D50 740 80 50 50 54
CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH CHÁY
3.1 Khái niệm chung
Cháy ở ĐCĐT là một q trình hố học có kèm theo tỏa nhiệt. Phương trình phản ứng hố học giữa các phân tử nhiên liệu và khơng khí ở ĐCĐ có thể được biểu diễn như sau:
(3.1-1)
Ví dụ, phương trình (4.1) viết cho nhiên liệu là octane (C8H18) sẽ có dạng: (3.1-2) Từ phương trình (4.1-2) ta thấy, để đốt cháy hồn tồn 1 phân tử octane cần phải có ít nhất 12,5 phân tử oxy, tương đương với 59,5 phân tử khơng khí. Nếu tính theo khối lượng thì cần phải có ít nhất 15,03 kg khơng khí để đốt cháy hồn tồn 1 kg octane.
Nếu sử dụng lượng khơng khí nhiều hơn lượng khơng khí lý thuyết để có thể đốt cháy hồn tồn nhiên liệu trong điều kiện thực tế thì trong khí thải sẽ có oxy dư. Ví dụ phương trình hố học của q trình cháy octane với lượng khơng khí dư 20 % sẽ có dạng:
Nếu lượng khơng khí nạp vào động cơ ít hơn lượng khơng khí lý thuyết thì nhiên liệu sẽ cháy khơng hồn tồn và trong khí thải sẽ có thêm các sản phẩm khác như: CO, H2, CnHm, C,v.v. Ví dụ: phương trình cháy octane với lượng khơng khí bằng 80 % lượng khơng khí lí thuyết sẽ có dạng:
(3. 1-4)
Trong đó : a, b, c, d và e là số kmol của mỗi loại sản phẩm cháy.
Các phản ứng hoá học giữa các phân tử nhiên liệu và oxy giới thiệu ở trên là sự thể hiện kết quả cuối cùng của hàng loạt q trình lý-hố diễn ra từ thời điểm các phân tử nhiên liệu và oxy chịu tác động của nhiệt độ và áp suất đủ cao để có thể diễn ra các q trình hố học. Kết quả nghiên cứu quá trình cháy nhiên liệu ở ĐCĐT chỉ ra rằng, các phản ứng oxy hóa các phân tử nhiên liệu diễn ra với nhiều giai đoạn và theo kiểu phản ứng dây chuyền, trong đó sự hình thành các phần tử hoạt tính trung gian đóng vai trò quyết định trong sự mở đầu và phát triển của các phản ứng oxy hoá. Cháy hay nổ nhiệt là giai đoạn các phản ứng oxy hóa nhiên liệu diễn ra với tốc độ lớn với sự tồn tại của ngọn lửa nóng lan truyền từ khu vực cháy sang khu vực hỗn hợp khí cơng tác chưa cháy. Sự cháy của nhiên liệu thường bắt đầu từ những trung tâm cháy đầu tiên . Chúng ta quy ước gọi thời điểm xuất hiện những tâm cháy đầu tiên là thời điểm phát hoả. Cơ chế hình thành những trung tâm cháy đầu tiên, tức là cơ chế của sự phát hỏa ở ĐCĐT vẫn chưa được lý giải một cách hoàn chỉnh. Phần dưới đây sẽ giới thiệu một số lý thuyết được thừa nhận tương đối rộng rãi [1], [4], [5] và các khái niệm cơ bản liên quan đến sự phát hoả và cháy của nhiên liệu ở ĐCĐT để làm cơ sở cho việc phân tích diễn biến và ảnh hưởng của những yếu tố khác nhau đến chất lượng của quá trình cháy ở động cơ xăng và động cơ diesel.
1) Lý thuyết phát hoả do nhiệt
Lý thuyết phát hoả do nhiệt lý giải sự hình thành những trung tâm cháy đầu tiên là nhờ gia tốc dương của phản ứng toả nhiệt, tức là sự phát triển các phản ứng
chỉ dựa vào nhiệt năng do bản thân của các phản ứng tạo ra để tự sấy nóng và làm tăng tốc phản ứng.