Hiện tượng cháy kích nổ: Trong động cơ xăng hoà khí được hình thành bên ngồi trước khi được đưa vào buồng cháy nên hồ khí là tương đối đồng nhất. Trong xylanh hồ khí bị nén tới một thời điểm thích hợp thì nến điện (bugi) đánh lửa, tại thời điểm đó hỗn hợp hơi xăng bắt cháy rất nhanh. Thể tích khí cháy trong xylanh tăng lên đẩy piston xuống, cịn khí thải theo cửa xả ra ngồi.
Như vậy q trình cháy của hơi xăng trong buồng đốt của động cơ xăng là một quá trình cháy cưỡng bức, thực hiện được là nhờ tia lửa điện của bugi. Quá trình cháy như vậy diễn ra rất nhanh, nhưng không phải xảy ra tức khắc trong tồn bộ thể tích xylanh, mà bắt đầu cháy từ bugi sau đó cháy lan dần ra tồn bộ thể tích xylanh, lúc đó chu trình cháy kết thúc.
Tốc độ lan truyền của mặt cầu lửa bình thường là (20 ÷ 25) m/s. Với tốc độ lan truyền của mặt cầu lửa như vậy, áp suất hơi trong xylanh tăng đều đặn, động cơ hoạt động bình thường.
Vì một lý do khách quan nào đó như dùng xăng khơng đúng chất lượng yêu cầu hoặc cấu tạo động cơ không được chuẩn xác hoặc điều kiện làm việc của động cơ khơng thuận lợi (góc đánh lửa đặt sớm, thành phần hỗn hợp khí thay đổi, áp suất, nhiệt độ máy cao.) sẽ tạo điều kiện cháy khơng bình thường trong động cơ. Khi đó sẽ xuất hiện cháy kích nổ, tức là tại một điểm nào đó trong xylanh dù mặt cầu lửa chưa lan tới, hồ khí đã bốc cháy đột ngột với tốc độ cháy lan truyền nhanh gấp trăm lần cháy bình thường. Tốc độ cháy truyền lan khi kích nổ lên tới (1.500÷2.500)m/s. Áp suất trong xylanh vọt tăng tới 160 kG/cm2. Chính sự tăng áp suất đột ngột đó tạo ra các sóng áp suất va đập vào vách xylanh, phát tiếng kêu lách cách, máy nổ rung giật và nóng hơn
bình thường rất nhiều.
Cháy kích nổ trong động cơ phá vỡ chế độ làm việc bình thường, làm giảm công suất máy, tiêu hao năng lượng do máy cháy khơng hết, mài mịn các chi tiết máy, thậm chí gây nứt rạn piston, chốt piston, vòng găng (séc măng)., tạo ra nhiều muội than làm bẩn xylanh, piston làm bẩn máy.
Để bảo đảm cho động cơ làm việc bình thường, tránh được hiện tượng kích nổ, địi hỏi động cơ phải có cấu tạo và điều kiện sử dụng phù hợp. Ngoài ra nhiên liệu cũng hải đạt được chất lượng theo đúng yêu cầu. Trị số octan: Thực tế cho thấy hiện tượng cháy kích nổ của động cơ xăng có quan hệ chặt chẽ với thành phần hố học của xăng.
Để đánh giá khả năng cháy kích nổ của một nhóm hydrocacbon hoặc một loại xăng nào đó người ta phát minh ra một phương pháp thực nghiệm dựa trên sự so sánh quá trình cháy của các loại nhiên liệu cụ thể với một loại nhiên liệu tiêu chuẩn, từ đó xác định một chỉ tiêu chất lượng có tên là trị số octan (TSOT). TSOT là một đơn vị đo quy ước dùng để đặc trưng cho tính chống kích nổ của nhiên liệu khi đốt cháy trong động cơ. TSOT của một loại xăng càng cao càng khó bị kích nổ khi cháy trong động cơ, nghĩa là xăng đó có tính chống kích nổ tốt. Ngược lại TSOT càng thấp càng dễ bị cháy kích nổ, loại xăng đó có tính chống kích nổ kém.
Nhiên liệu chuẩn để xác định TSOT bao gồm hai hợp phần:
+ Hợp phần n - heptan (n-C7H14) có cơng thức cấu tạo mạch cacbon thẳng CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH3
n - nheptan có tính chống kích nổ kém, quy ước n - heptan có TSOT = 0. + Hợp phần iso- octan (2.2.4.trimetyl pentan) có cơng thức cấu tạo mạch nhánh. Iso –octan có tính chống kích nổ tốt, quy ước iso-octan có TSOT =100 CH3
|
CH3-C-CH2-CH-CH3 | |
CH3 CH3
Khi pha chế hai hợp phần này với nhau theo tỷ lệ thể tích nhất định sẽ suy ra được TSOT của nhiên liệu hỗn hợp đó. Ví dụ nhiên liệu chuẩn có 30% thể tích là n- heptan và 70% thể tích là iso-octan, có TSOT = 70.
Người ta đo TSOT của một loại nhiên liệu bằng máy đo TSOT. Máy đo TSOT là một động cơ chuyên dùng có cấu tạo đặc biệt một xilanh, loại động cơ này có thể thay đổi đựơc tỷ số nén và trên động cơ có gắn một số thiết bị cảm biến đặc biệt để có thể ghi lại được hiện tượng cháy kích nổ của động cơ. Khi tiến hành đo người ta tăng tỷ số nén đến khi xảy ra cháy kích nổ.
Bảng 2-2. Các điều kiện để đo TSOT
Các thơng số của thí nghiệm Phương pháp nghiên cứu (RON)
Phương pháp moto (MON) Số vòng quay của động cơ thử
nghiệm (v/ph)
600±6 900±9
Nhiệt độ sấy nóng khơng khí (°C) 52±1 50±5 Nhiệt độ hỗn họp nhiên liệu –
khơng khí (°C) 13 149±1 Góc đánh lửa sớm (độ) // Điều chỉnh tự động 15 ÷ 28 Nhiệt độ chất lỏng làm mát xilanh (°C) 100±2 100±2
Độ ẩm tuyệt đối của khơng khí dẫn vào động cơ, g H2O/ 1kg khơng
khí khơ
3,5 ÷ 7,0 3,5 ÷ 7,0
Bản chất của các phương pháp này là so sánh độ bền chống kích nổ của nhiên liệu thí nghiệm và nhiên liệu tiêu chuẩn, biểu thị bằng trị số octan. Người ta tiến hành pha chế một dãy nhiên liệu tiêu chuẩn có TSOT khác nhau rồi đưa tất cả dãy nhiên liệu chuẩn này chạy trên máy đo TSOT. Sau khi chạy sẽ ghi lại được hiện tượng kích nổ (tỷ số nén xảy ra kích nổ) của cả dãy nhiên liệu chuẩn.
Cần xác định TSOT của một loại nhiên liệu nào người ta lại đưa nhiên liệu đó chạy trên máy đo TSOT, rồi cũng ghi lại tỷ số nén kích nổ của động cơ khi chạy loại nhiên liệu này. Trên cơ sở so sánh tỷ số nén kích nổ của động cơ khi sử dụng loại nhiên liệu cần đo với tỷ số nén kích nổ của động cơ khi chạy các nhiên liệu trong dãy nhiên liệu chuẩn, sẽ xác định được TSOT của nhiên liệu cần đo gần bằng TSOT của nhiên liệu chuẩn mà có cùng giới hạn nén.
Ví dụ nhiên liệu cần đo TSOT có giới hạn nén kích nổ gần giống với nhiên liệu chuẩn có 92% iso-octan (TSOT = 92) thì có thể kết luận TSOT của nhiên liệu cần đo bằng 92. Nói như vậy khơng có nghĩa là nhiên liệu cần đo có 92% là iso- octan mà là nhiên liệu này có hiện tượng cháy kích nổ tương đương với hiện tượng cháy kích nổ của nhiên liệu chuẩn có 92% iso-octan.
Các loại trị số octan: Theo phương pháp xác định người ta phân TSOT thành các loại sau đây:
+ Phương pháp motor (Motor Octan Number - MON). Trị số MON thể hiện đặc tính của xăng dùng cho động cơ hoạt động trong điều kiện tải lớn, tốc độ cao.
+ Phương pháp nghiên cứu (Reseach Octan Number - RON). Trị số RON thể
bình.
Cùng một loại xăng trị số RON bao giờ cũng lớn hơn MON. Vì vậy khí nói TSOT của một loại xăng nào đó cần phân biệt RON và MON để tránh nhầm lẫn. Hiệu số của hai trị số RON và MON (RON - MON) biểu thị cho tính thay đổi tính chất của xăng khi động cơ hoạt động ở hai điều kiện khác nhau như đã nói ở trên và được gọi là độ nhạy cảm của xăng. Độ nhạy cảm của xăng càng thấp có nghĩa là loại xăng đó ít thay đổi khả năng cháy trong các điều kiện hoạt động khác nhau của động cơ. Độ nhạy thay đổi từ 8 ^ 10 đơn vị. Đối với xăng tốt, độ nhạy không được quá 10 đơn vị octan và càng nhỏ càng tốt. Độ nhạy phản ánh tính thay đổi của nhiên liệu phụ thuộc vào động cơ.
+ Trị số octan thông dụng (Popullar Octan Number - PON). Ở một số nước, sử
dụng PON bằng trung bình cộng của MON và của RON ([RON + MON]/2) để đặc trưng cho tính chống kích nổ của xăng thay vì dùng MON và RON riêng biệt.
Quan hệ giữa trị số octan với tỷ số nén của động cơ: Việc lựa chọn TSOT của xăng sử dụng phụ thuộc vào tỷ số nén của động cơ. Động cơ có tỷ số nén cao là động cơ tạo ra cơng suất lớn địi hỏi phải sử dụng loại xăng có TSOT cao. Nếu đem dùng loại xăng có TSOT thấp sẽ gây hiện tượng kích nổ. Nếu dùng xăng có tỷ số nén cao hơn yêu cầu cũng khơng tốt, gây lảng phí xăng và còn làm cho động cơ hoạt động không ổn định, dễ nóng máy. Tóm lại, để tạo ra hiện tượng cháy bình thường trong buồng cháy của động cơ, cho động cơ hoạt động ổn định, cần phải sử dụng xăng có TSOT phù hợp với tỷ số nén của động cơ (xem bảng 2-3).
Bảng 2-3. Quy định tương quan giữa tỷ số nén và TSOT của một số nước Tây Âu