CHƯƠNG 3 : QUÁ TRÌNH CHÁY
3.3 Quá trình tạo hỗn hợp cháy
3.3.1 Đặc điểm quá trình tạo hỗn hợp cháy
Quá trình tạo hỗn hợp cháy (HHC) bao gồm tất cả những sự thay đổi về trạng thái, thành phần, nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp nhiên liệu - khơng khí tính từ thời điểm nhiên liệu bắt đầu được hồ trộn với khơng khí đến thời điểm hỗn
hợp hơi nhiên liệu - khơng khí bốc cháy. Để đảm bảo cho nhiên liệu cháy nhanh, cháy hoàn toàn và cháy gần ĐCT với tốc độ tăng áp suất và áp suất cháy cực đại khơng q lớn, q trình tạo HHC phải thoả mãn những yêu cầu phù hợp với phương pháp tổ chức quá trình cháy ở từng loại động cơ.
Qua tìm hiểu đặc điểm kết cấu, nguyên lý hoạt động của động cơ xăng và động cơ diesel có thể rút ra một số nhận xét có liên quan đến q trình tạo HHC như sau:
Động cơ xăng Động cơ diesel
1. HHC được hình thành từ bên ngồi khơng gian cơng tác của xilanh.
1. HHC được hình thành bên trong không gian công tác của xilanh. 2
.
HHC trong buồng đốt tại thời điểm phát hoả có thể coi là đồng nhất do quá trình tạo HHC diễn ra trong một khoảng thời gian dài .
2. HHC tại thời điểm phát hỏa là không đồng nhất do thời gian để chuẩn bị HHC rất ngắn và nhiên liệu thường là loại khó bay hơi. 3
.
Nhiên liệu được phát hỏa bằng tia lửa
điện có nhiệt độ rất cao.
3 .
Nhiên liệu tự phát hỏa dưới tác động của áp suất và nhiệt độ cao của khơng khí trong buồng đốt. 4
.
Nhiên liệu thường là loại dễ bay hơi.
4 .
Nhiên liệu thường là loại khó bay hơi.
Cần lưu ý rằng: khơng phải nhiên liệu quyết định nguyên lý hoạt động của động cơ mà ngược lại. Việc sử dụng các loại nhiên liệu dễ bay hơi ( xăng, alcohol, benzyl, khí đốt hố lỏng, v.v.) cho động cơ xăng và nhiên liệu khó bay hơi hơn (gas oil, dầu solar, mazout, v.v.) cho động cơ diesel được quyết định trước hết bởi các chỉ tiêu chất lượng cơ bản của nhiên liệu (số octane, số cetane, nhiệt trị) và hiệu quả kinh tế khi dùng các loại nhiên liệu đó.
Đặc điểm hình thành HHC bên ngồi đối với động cơ xăng cũng không phải là bất biến. Đã có những thử nghiệm động cơ phát hoả bằng tia lửa chạy bằng xăng được phun trực tiếp vào không gian công tác của xilanh, nhưng những lợi ích mà
giải pháp này mang lại không tương xứng với những bất lợi kèm theo nên tất cả động cơ xăng phổ biến hiện nay đều thuộc loại hình thành HHC bên ngồi.
Tất cả các bộ phận có chức năng thực hiện q trình tạo ra HHC được gọi chung là hệ thống tạo HHC. Ở động cơ xăng, bộ chế hồ khí hoặc hệ thống phun xăng là những bộ phận có vai trị chính trong việc thực hiện q trình tạo HHC ; cịn ở động cơ diesel - hệ thống phun nhiên liệu. Ngồi ra, cấu hình của buồng đốt, hệ thống nạp-xả cũng có vai trị nhất định trong việc tạo ra HHC theo những tiêu chí định trước.
3.3.2 Chất lượng q trình tạo hhc ở động cơ xăng
Chất lượng quá trình tạo HHC ở động cơ xăng có thể được đánh giá thơng qua 3 đại lượng chính: độ đồng nhất của HHC, chất lượng định lượng và thành phần của HHC.
1) Độ đồng nhất của HHC
HHC được coi là đồng nhất nếu nó có thành phần như nhau tại mọi khu vực trong buồng đốt. Độ đồng nhất của HHC có ảnh hưởng trực tiếp đến cơng suất , hiệu suất và độ độc hại của khí thải của động cơ. HHC càng đồng nhất thì lượng khơng khí thực tế cần thiết để đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng nhiên liệu sẽ càng nhỏ. Nói cách khác là độ đồng nhất càng lớn thì động cơ có thể làm việc với HHC có hệ số dư lượng khơng khí (λ) càng nhỏ mà vẫn đảm bảo yêu cầu đốt cháy hoàn tồn nhiên liệu. Nếu HHC khơng đồng nhất, sẽ có những khu vực trong buồng đốt thiếu hoặc thừa oxy. Tại khu vực thiếu oxy, nhiên liệu cháy khơng hồn tồn sẽ làm giảm hiệu suất nhiệt của động cơ và tăng hàm lượng các chất độc hại trong khí thải. Việc thừa oxy quá mức cũng làm giảm hiệu suất của động cơ do phải tiêu hao năng lượng cho việc sấy nóng, nạp và xả phần khơng khí dư q mức, đồng thời giảm hiệu quả sử dụng dung tích cơng tác của xilanh.
Độ đồng nhất của HHC được quyết định bởi các yếu tố: tính chất vật lý của nhiên liệu ( tính hố hơi, sức căng bề mặt, độ nhớt), nhiệt độ của khơng khí và của các bề mặt tiếp xúc với HHC (vách đường ống nạp, đỉnh piston, thành xilanh), chuyển động rối của khí trong đường ống nạp và trong xylanh, v.v...
2) Thành phần của hỗn hợp cháy ( λ)
Trong lĩnh vực ĐCĐT, thành phần của HHC thường được đánh giá bằng đại lượng có tên là hệ số dư lượng khơng khí :
(3.3-1)
Trong đó : L0 - lượng khơng khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị số lượng nhiên liệu; L - lượng khơng khí thực tế cần thiết để đốt cháy 1 đơn vị số lượng nhiên liệu trong động cơ; G0K - lưu lượng khơng khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu; GK - lưu lượng khơng khí thực tế đi vào khơng gian cơng tác của động cơ.
HHC có λ < 1 được gọi là hỗn hợp đậm (hoặc hỗn hợp giàu) ; λ > 1 - hỗn hợp loãng (hoặc hỗn hợp nghèo); λ = 1 - hỗn hợp lý thuyết hoặc hỗn hợp hoá định lượng.
3) Chất lượng định lượng
Chất lượng định lượng được định nghĩa là khả năng điều chỉnh lượng nhiên liệu chu trình cho phù hợp với chế độ làm việc của động cơ và khả năng phân bố đồng đều HHC cho các xilanh của động cơ nhiều xilanh.
Đối với động cơ xăng nhiều xylanh, HHC được cung cấp cho từng xylanh phải như nhau về phương diện số lượng và thành phần. Mức độ khác nhau về số lượng giữa lượng nhiên liệu chu trình ở các xylanh của cùng một động cơ được đặc trưng bằng đại lượng "độ định lượng không đồng đều Δgct "
Trong đó gct.max và gct.min là lượng nhiên liệu chu trình lớn nhất và nhỏ nhất ở các xylanh với cùng một vị trí của cơ cấu điều khiển.
Sự phân bố không đồng đều HHC cho các xylanh sẽ dẫn đến những hậu quả sau đây :
- Giảm công suất danh nghĩa và tăng suất tiêu hao nhiên liệu. - Phụ tải cơ và phụ tải nhiệt không đồng đều ở các xylanh.
- Có thể xuất hiện hiện tượng kích nổ ở một số xylanh do thành chưng cất của nhiên liệu ở những xylanh đó có số octane nhỏ.
- Tăng hàm lượng các chất độc hại trong khí thải, v.v.
Các biện pháp thường được sử dụng nhằm hạn chế độ định lượng không đồng đều ở động cơ xăng bao gồm :
- Kết cấu hệ thống nạp hợp lý.
- Sấy nóng đường ống nạp bằng nhiệt của khí thải để tăng cường sự bay hơi của xăng trong ống nạp.
- Sử dụng hệ thống phun xăng nhiều điểm.