Chương 8 : CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG HỌC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
8.3. Chu trình cơng tác thực tế của ĐCĐT
8.3.3. Quá trình cháy
8.3.3.1. Quá trình cháy trong động cơ xăng
Trong động cơ xăng, q trình cháy của hịa khí được bắt đầu từ nguồn lửa xuất hiện ở cực bugi sau đĩ màng lửa lan truyền theo mọi hướng tới khắp khơng gian buồng
cháy. Trong quá trình cháy hĩa năng của nhiên liệu được chuyển thành nhiệt năng làm tăng áp suất và nhiệt độ mơi chất. Nếu nhiên liệu được cháy càng kiệt, kịp thời thì năng lượng nhiệt nhả ra được chuyển thành cơng càng tốt làm tăng cơng suất và hiệu suất
động cơ.
a) Diễn biến của quá trình
Diễn biến bình thường của quá trình động cơ xăng đều bắt đầu từ cực bugi, tạo nên màng lửa rồi lan truyền với tốc độtăng dần theo mọi hướng tới khi đốt hết hịa khí.
Được thể hiện qua đồ thị P - φ (hình 2.12).
Dựa vào đặc trưng biến thiên áp suất trên đồ thị P –φ, người ta chia quá trình cháy của động cơ xăng thành 3 thời kỳ:
Thời kỳ cháy trễ I: (từđiểm 1 đến điểm 2) tính từlúc đánh lửa đến khi áp suất
p tăng đột ngột. Trong thời kỳ này áp suất trong xilanh thay đổi tương tự như trường
hợp khơng đánh lửa, vì sau khi bugi đã bật tia lửa điện, hịa khí trong xilanh khơng cháy ngay mà phải thực hiện một loạt phản ứng sơ bộ tạo nên sản vật trung gian… Trong
thời kỳ này nhiệt lượng nhả ra của các phản ứng rất nhỏ, vì vậy khơng thấy rõ sự khác biệt của nhiệt độ và áp suất so với trường hợp chưa đánh lửa.
Thời kỳ cháy trễ dài hay ngắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất, trạng thái (áp suất, nhiệt độ) của hịa khí trước khi đánh lửa, năng lượng của tia lửa điện.
Thời kỳ cháy trễ II: được tính từ điểm 2 điểm 3 (điểm áp suất cực đại). Thời kỳ này cũng tương ứng với thời kỳ lan truyền của màng lửa tính từ lúc xuất hiện màng lửa trung tâm tới khi màng lửa lan truyền khắp buồng cháy. Trong quá trình lan truyền, màng lửa cĩ dạng mặt cầu nhấp nhơ lịi lõm. Trong thời kỳ này màng lửa được lan truyền với tốc độ tăng dần, hịa khí trong xilanh cĩ phản ứng ơxy hĩa ngày một mãnh liệt và nhả ra một số nhiệt lượng lớn, trong khi dung tích xilanh thay đổi ít làm cho áp
109 suất và nhiệt độ mơi chất tăng nhanh.
Thời kỳcháy nhanh là giai đoạn chình trong q trình cháy hịa khí của động cơ xăng, phần lớn nhiệt lượng được nhảra trong giai đoạn này, quy luật nhả nhiệt sẽ quyết
định việc tăng áp suất, tức là quyết định khảnăng đẩy piston sinh cơng, vì vậy thời kỳ
này cĩ ảnh hưởng quyết định tới tính năng của động cơ xăng. Để 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 áp suất cực đại và nhiệt độ cực đại xuất hiện tại vị trí gần sát
ĐCT, khiến số nhiệt lượng nhả ra được lợi dụng đầy
đủ, làm tăng cơng suất và hiệu suất động cơ.
Hình 8.17. Quá trình cháy của động cơ xăng đốt cháy
cưỡng bức.
I. Cháy trễ; II. Cháy nhanh; III. Cháy rớt
1. Đánh lửa; 2. Hình thành màng lửa trung tâm; 3. Áp suất lớn nhất pz
Thời kỳ cháy rớt III: được tính từđiểm 3 (điểm áp suất cực đại) trở đi. Mặc dù cuối thời kỳ II màng lửa đã lan khắp buồng cháy, nhưng do hịa khí phân bố khơng thật
đều, điều kiện áp suất và nhiệt độ ở mọi khu vực trong buồng cháy khơng hồn tồn giống nhau, nên cĩ những khu vực nhiên liệu chưa cháy hết. Trong quá trình giãn nở,
do điều kiện hịa trộn thay đổi sẽ làm cho số nhiên liệu chưa cháy được hịa trộn và bốc cháy tiếp tạo nên thời kỳ cháy rớt. Trong thời kỳ này, nhiệt lượng nhảra tương đối ít,
dung tích động cơ lại tăng nhanh nên áp suất trong xilanh sẽ giảm dần theo gĩc quay trục khuỷu. Thời kỳ cháy rớt dài hay ngắn là tùy thuộc vào sốlượng hịa khí cháy rớt, nhìn chung đều mong muốn rút ngắn thời kỳ cháy rớt. Nhưng cũng cĩ trường hợp cháy rớt cịn kéo dài sang cả quá trình thải, thậm chí đến khi bắt đầu q trình nạp của chu trình kế tiếp, khí thải đang cháy cịn chui vào đường nạp đốt cháy hịa khí tại đây, đĩ là
hiện tượng hồi hỏa của động cơ xăng (nổtrên đường nạp). Nĩi chung thời kỳ cháy rớt của động cơ xăng thường rất ngắn.
b) Phân tích những hiện tượng cháy khơng bình thường của động cơ xăng. Cháy kích nổ.
Hiện tượng cháy kích nổ: sau khi bật tia lửa điện và hình thành màng lửa thì màng lửa bắt đầu lan truyền. Trong quá trình lan truyền, áp suất và nhiệt độ phần hịa khí ở phía trước màng lửa được tăng lên liên tục do bức xạ nhiệt và do bị chèn ép bởi kết quả
nhả nhiệt của phần hịa khí đã cháy gây ra, làm gia tăng phản ứng hĩa học tại khu vực
phía trước màng lửa. Càng ở xa màng lửa trung tâm, phản ứng phía trước màng lửa của hịa khí càng sâu. Nếu màng lửa lan tới kịp thời đốt cháy số hịa khí này thì hiện tượng
cháy bình thường. Nếu số hịa khí trên tự phát hỏa bốc cháy khi màng lửa chưa lan tới sẽ tạo nên màng lửa mới thì đĩ chính là hiện cháy kích nổ của động cơ. Khi hiện tượng cháy kích nổ xảy ra, tốc độ lan truyền của màng
lửa mới đạt tới 1200 ÷ 2000 m/s, làm cho hịa
khí chưa cháy được bốc cháy với tốc độ cực lớn. Trên thực tế hiện tượng bốc cháy kể trên mang tính nổ phá. Do tốc độ cháy nhanh, dung tích hịa khí khơng kịp giãn nở làm cho áp suất và nhiệt độ tăng lên đột ngột, tạo nên sĩng áp suất, truyền đi mọi phương theo tốc độ truyền âm,
đập vào thành vách xilanh tạo nên tiếng gõ kim loại sắc và đanh.
110
Hình 8.18: Cháy kích nổ a/ đồ thị P –V; b/ đồ thị P – .
Qua đồ thị P-V và P-φ (hình 8-18) ta thấy cuối quá trình cháy nhanh tạo thành
sĩng dao động rất lớn trong dịng khí xả. Do truyền động qua lại của sĩng áp suất, kích nổ đã gây phá hoại bề mặt của thành xilanh, cũng như lớp dầu nhờn phủ trên bề mặt này. Kết quả sẽ làm tăng tản nhiệt cho thành xilanh, làm tăng nhiệt các chi tiết máy trong buồng cháy, hệ thống làm mát trởnên quá nĩng, đồng thời gia tăng tổn thất nhiệt. Khi cháy kích nổ xảy ra cịn làm xuất hiện khĩi đen và tàn than đỏ một cách gián
đoạn. Vì vậy khơng cho phép động cơ hoạt động lâu ở tình trạng cháy kích nổ, nếu khơng chẳng những cơng suất và tính kinh tế (hiệu suất) của động cơ kém mà cịn gây cháy piston, supap, làm hỏng bạc, phá vỡ lớp sứ cách điện của bugi. Nhưng nếu chỉ
cháy kích nổ nhẹ trong thời gian rất ngắn, sẽ khơng gây tác hại rõ rệt đối với động. Các nhân tố ảnh hưởng tới kích nổ: cĩ rất nhiều nhân tốảnh hưởng tới kích nổ.
Để phân tích cĩ thể lý giải việc phát sinh kích nổnhư: sau khi đã bật tia lửa điện, màng lửa trung tâm bắt đầu lan truyền, đồng thời xảy ra phản ứng phía trước màng lửa của phần hịa khí chưa cháy, những phản ứng trên là tiền đề chuẩn bị phát hỏa. Nếu gọi t1 là thời gian lan truyền của màng lửa (tính từ lúc màng lửa trung tâm bắt đầu lan đến khi màng lửa lan hết buồng cháy) và t2 là khoảng thời gian từ lúc màng lửa trung tâm bắt
đầu lan, tới khi hịa khí chưa cháy tự phát hỏa.Lý giải như vậy cĩ thể thấy rằng: bất kỳ
một nhân tố nào làm giả t1 và làm tăng t2 đều làm giảm khuynh hướng kích nổ, ngược lại các nhân tốlàm tăng t1 và giảm t2 đều làm tăng khuynh hướng kích nổ.
Vì vậy cĩ thể thấy rằng rút ngắn hành trình lan truyền của màng lửa cũng như tăng
tốc độ lan truyền của màng lửa đều làm giảm t1; giảm nhiệt độ hoặc làm tăng hàm lượng khí sĩt của phần hịa khí ở khu vực cuối hành trình màng lửa đều làm cho hịa khí trở
thành đậm đặc hoặc quá nhạt, gây tác dụng tương tự như sử dụng nhiên liệu cĩ sốốc
tan cao, làm tăng t2. Cĩ rất nhiều nhân tố để thực hiện các yêu cầu trên nhưng những nhân tố chính gồm: phẩm chất nhiên liệu (sốốc tan), tỷ sốnén ε, cấu tạo buồng cháy, thời gian đánh lửa, thành phần hịa khí, và chếđộ làm việc của động cơ thể hiện qua tốc
độ và chếđộ tải của động cơ.
Cháy sớm
Cháy sớm xảy ra trước khi bugi bật tia lửa điện, làm sai qui luật cháy bình thường của động cơ. Cĩ hiện tượng cháy sớm của hịa khí trong xilanh động cơ vì xuất hiện những điểm hoặc mặt nĩng rực trong buồng cháy, phần lớn muội than tích nhiệt trên nấm supap thải hoặc trên cực bugi.
Hình 8.19. Quá trình cháy sớm.
a/ Trên đồ thị P – V; b/ Nhiều chu trình cháy sớm liên tiếp trên đồ thị P –φ.
Đặc trưng bên ngồi của hiện tượng cháy sớm cũng tương tự như cháy kích nổ, khơng những gây tiếng gõ kim loại mạnh (tiếng gõ do cháy sớm tạo ra hơi trầm, đục) mà cịn làm cho áp suất tăng cao, gây tăng phụ tải đối với chi tiết động cơ, rút ngắn tuổi thọ sử dụng, do đĩ cũng là hiện tượng khơng mong muốn xảy ra của động cơ đánh lửa
111 Cháy sớm là do kết quả châm cháy hịa khí của một điểm hoặc một diện tích nhỏ
nĩng rực tạo ra, nĩi chung cháy sớm xuất hiện trước thời điểm bật tia lửa điện và khơng tạo ra sĩng áp suất. Cháy sớm được thể hiện qua đồ thị P – V và P –φ (hình 8.19a và
b)
Cĩ rất nhiều nguyên nhân gây ra cháy sớm, ví dụ cấu tạo động cơ, tình trạng sử
dụng, lọc nhiên liệu, loại dầu bơi trơn… tất cả các yếu tốlàm tăng áp suất và nhiệt độ
mơi chất trong xilanh, thúc đẩy việc tạo muội than hoặc hình thành các điểm hoặc các mặt nĩng rực bên trong buồng cháy đều là những nguyên nhân gây cháy sớm.
Cháy tựđộng (động cơ vẫn cịn làm việc khi ngắt tia lửa điện)
Rất khĩ tắt máy khi ngắt điện. Ngắt điện rồi động cơ cịn tiếp tục làm việc bình
thường khá lâu ở chế độ khơng tải, với tiếng gõ máy rất đanh và khơng ổn định. Cĩ hiện tượng đĩ là do tỷ sốnén cao đã làm cho hịa khí tự bốc cháy khi nén, vì áp suất và nhiệt độ cuối kỳnén đảm bảo cho thời gian cháy trễ của hịa khí ngắn hơn thời gian lưu
lại của hịa khí ở trạng thái chịu nén trong xilanh, khi tốc độ quay là 200 ÷ 300 vịng/phút.
Với động cơ cĩ tỷ số nén cao, thì nhiệt độ 3750C cuối kỳ nén cĩ thểđạt được ngay khi chạy ở tốc độ thấp. Khi chạy ở tốc độ thấp, chuyển động rối của hịa khí trong xilanh rất yếu làm cho các lớp hịa khí sát với thành xilanh cĩ nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ vách,
thường khơng nhỏhơn 800C hoặc 3530K. Nếu tỷ sốnén ε = 8 và chỉ số nén n1 = 1,3 thì nhiệt độ cuối kỳ nén Tc = 353.80,3 = 6580K hoặc 3530C.
Như vậy muốn tắt máy phải cắt nhiên liệu cấp cho động cơ nhờ một cơ cấu riêng trên BCHK.
Cháy trên đường thải
Nổ trên ống xả là do cĩ hiện tượng bỏ lửa của một vài xilanh, tạo nên sự tồn tại của hịa khí chưa cháy trên đường thải và trong bình tiêu âm, số hịa khí trên lại được châm cháy bởi khí thải của các xilanh khác, hoặc là hiện tượng cháy rớt của các xilanh kéo dài tới đầu quá trình thải. Như vậy, về thực chất của hiện tượng nổtrên đường ống thải là việc bốc cháy của hịa khí cịn tồn tại trên đường ống thải – Muốn khắc phục hiện tượng trên cần điều chỉnh lại bộ chếhịa khí để khắc phục tình trạng hịa khí q
đậm hoặc q lỗng gây kéo dài cháy rớt, đồng thời phải kiểm tra bảo dưỡng hệ thống đánh lửa nhằm khắc phục hiện tượng bỏ lửa.
c)Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy động cơ xăng.
Ảnh hưởng của chất lượng hịa khí tới q trình cháy
Thành phần hịa khí
Q trình cháy cĩ thểđược cháy kiệt và kịp thời hay khơng 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 hịa khí.
Kết quả thực nghiệm chứng minh rằng: Thành phần hịa khí khác nhau sẽ cho tốc độ màng lửa khác nhau (hình 8-20) với α = 0,85 ÷ 0,95 tốc độ lan màng lửa cao nhất, áp suất cực
đại pz và nhiệt độ cực đại cũng lớn nhất, do đĩ cơng suất động
cơ cao nhất. Thành phần trên của hịa khí được gọi là thành phần cơng suất. Nếu hịa khí nhạt hơn (so với α = 0,85 ÷ 0,95),
tốc độ lan truyền màng lửa giảm bớt nên cơng suất động cơ giảm dần. Nhưng so nhiên liệu cháy kiệt hơn (vì cĩ đủ ơxy
hơn) nên hiệu suất cao hơn. Khi α = 1,05 ÷ 1,1, nhiên liệu được cháy hồn tồn, hiệu suất đạt cao nhất, vì vậy α = 1,05 ÷ 1,1 được gọi là thành phần tiết kiệm.
112
Hình 8.20. Ảnh hưởng của thành phần hịa khí α tới tốc độ lan màng lửa u.
Tiếp tục làm nhạt hịa khí tức là khi α > 1,05 ÷ 1,1, nếu cĩ giải pháp thích hợp,
đảm bảo cho hịa khí cháy kiệt, thì hiệu suất lợi dụng nhiệt vẫn cĩ thể tiếp tục tăng. Nhưng nĩi chung, hịa khí càng nhạt, tốc độ lan truyền màng lửa càng giảm, tốc độ cháy chậm chạp, tăng phần cháy rớt, hiệu suất giảm. Nếu hịa khí quá nhạt, thời gian cháy rớt sẽ kéo dài tới cuối kỳ thải cĩ thể gây nên hiện tượng hồi hỏa.
Phân phối hịa khí vào xilanh
Trong động cơ nhiều xilanh chất lượng hịa khí cịn liên quan đến sự phân phối số lượng và thành phần hịa khí vào các xilanh. Nếu phân phối khơng đều về số lượng
cũng như thành phần hịa khí thì các xilanh của động cơ khơng thể cùng một lúc đều sử
dụng hịa khí cĩ thành phần cơng suất hoặc thành phần tiết kiện nhất, do đĩ làm giảm cơng suất và hiệu suất của động cơ.
Trong động cơ xăng, bay hơi của nhiên liệu và hình thành hịa khí phần lớn được thực hiện trên đường nạp. Vì vậy việc phân phối đồng đều về sốlượng cũng như thành
phần hịa khí phụ thuộc chính vào cấu tạo, tức là hình thức phân bốđường ống nạp. Phân phối khơng đều chủ yếu là do phần nhiên liệu nặng khĩ bay hơi, thành phần này lại dễ gây kích nổ, vì vậy việc phân phối hịa khí khơng đều sẽlàm tăng khuynh hướng gây kích nổ của một số xilanh.
Ảnh hưởng của tia lửa điện tới quá trình cháy
Ảnh hưởng của tia lửa điện tới quá trình cháy gồm cĩ: gĩc đánh lửa sớm, vịtrí đặt bugi, loại bugi, năng lượng của tia lửa điện.
Gĩc đánh lửa sớm:
Người ta dùng gĩc đảnh lửa sớm làm căn cứđểđo thời điểm đánh lửa. Gĩc đánh
lửa sớm θ (độ, gĩc quay trục khuỷu) được tính từ thời điểm bắt đầu bật tia lửa điện cho tới ĐCT, nĩ cĩ ảnh hưởng rất lớn tới tính kịp thời của quá trình cháy. Giá trị tốt nhất của θ phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, tốc độ và phụ tải của động cơ, ảnh hưởng của
gĩc đánh lửa sớm θ tới tính kịp thời của q trình cháy được thể hiện trên hình 8.21
Đồ thị cơng c được xác định khi θ = 260, đĩ là gĩc đánh lửa sớm hợp lý, áp suất và nhiệt độ cháy cao nhất xuất hiện sau ĐCT khoảng 10 ÷ 120, quá trình cháy tương đối kịp thời nhiệt lượng được lợi dụng tốt nên diện tích đồ thị cơng lớn nhất, cơng suất và hiệu suất động cơ cao nhất. Lúc ấy tốc độ tăng áp suất cũng như áp suất cựa đại khi cháy đều khơng lớn quá, gĩc đánh lửa tương ứng với cơng suất và hiệu suất cao nhất
được gọi là gĩc đánh lửa tối ưu.
Đồ thịcơng d, được xác định khi θ
= 390, do bật tia lửa điện sớm quá nên