21T: Chu k ỳ dao độ ng
2.2.3. Ồn do q trình cơng tác.
Việc tổ chức quá trình bốc cháy và cháy nhiên liệu trong động cơ D243 ảnh hưởng một cách rõ rệt đến các thông số chỉ thị của động cơ, cũng như ảnh hưởng đến mức ồn chung và thành phần phổ âm.
Động cơ D243 là động cơ diesel 4 kỳ, không tăng áp, cao tốc, buồng cháy thống nhất.
Quá trình tạo thành hỗn hợp và nhiên liệu bốc cháy rất phức tạp; thậm chí chúng chỉ sai lệch không đáng kểcũng dẫn đến tăng chi phí nhiên liệu, áp suất cháy tăng, áp suất cháy tăng không theo quy luật, động cơ làm việc không êm, gây rung, dao động và ồn. Sự tạo thành hỗn hợp làm việc bắt đầu từ thời điểm phun nhiên liệu vào xy lanh động cơ. Quá trình phun diễn biến trong một thời gian rất ngắn, không quá ba phần nghìn giây. Phần nhiên liệu được phun dưới 0,1 gam có thể tích khơng q 0,1 cm3.
Để bảo đảm cháy nhanh và hoàn toàn, nhiên liệu cần phải trộn đều với khơng khí. Muốn vậy, nhiên liệu được phun vào buồng đốt với áp suất cao (17,5 MPa) và góc phun sớm là 22o.
Buồng đốt của động D243 là buồng cháy thống nhất trên đỉnh piston, có khả năng xốy lốc cao nên cho phép tăng Pa và giảm suất tiêu hao nhiên liệu ge (buồng đốt thuộc loại thể tích – màng).
Q trình tự bốc cháy trong xy lanh của động diesel được chia thành 4 giai đoạn cơ bản và đặc trưng như sau:
2.2.3.1. Giai đoạn 1:
Là giai đoạn cháy trễ được đánh giá bằng khoảng thời gian từ khi bắt đầu phun nhiên liệu cho đến lúc đường cháy tách khỏi đường nén. Giai đoạn này có ảnh hưởng rất lớn đến tồn bộ qúa trình cháy. Vì đây là giai đoạn chuẩn bị cho q trình hỗn hợp khí khơng đồng đều cháy được tốt. Cho nên giai đoạn này phản ứng xảy ra với tốc độ không lớn, sựthay đổi áp suất và nhiệt độ của khí trong xy lanh là không đáng kể.
35
Giai đoạn này là giai đoạn phát triển của những trung tâm bốc cháy và lan tràn màng lửa, nó chiếm một khoảng thời gian từ lúc bắt đầu bốc cháy đến thời điểm đạt áp suất cực đại. Ở giai đoạn này tốc độ tỏa nhiệt rất lớn, áp suất tăng lên rất mạnh là do kết quả của việc chuẩn bị phần nhiên liệu phun vào ở giai đoạn cháy trễ, càng lớn thì tốc độtăng áp suất dp/dФ tăng càng nhanh, và áp suất cực đại tăng càng cao bởi vì trong thể tích làm việc khi đó được tích lũy một sốlượng lớn nhiên liệu đã đến thời điểm bốc cháy.
2.2.3.3. Giai đoạn 3:
Là giai đoạn cháy chính, nó được bắt đầu từ lúc áp suất đạt cực đại (Pmax) và kết thúc ở thời điểm quá trình cháy đạt nhiệt độ cực đại.
Trong giai đoạn này việc cung cấp nhiên liệu vào xy lanh cơ bản là chấm dứt. Khí hỗn hợp cống tác chủ yếu được cháy trong giai đoạn này được tiến hành ở tốc độ tỏa nhiệt thấp. Ngoài ra đặc trưng cho giai đoạn này là nhiệt độ khí rất cao, mặc dù vậy áp suất khí trong xy lanh lại giảm mãnh liệt.
36
- I, II, III, IV: Các giai đoạn của quá trình cháy.
- C” ÷ C: Giai đoạn chuẩn bị các trung tâm bốc cháy (I)
- C ÷ Z: Giai đoạn phát triển trung tâm bốc cháy và lan tràn màng lửa (II). - Z ÷ T: Giai đoạn cháy chính của hỗn hợp cơng tác (III).
- T ÷ X: Giai đoạn cháy rớt phần hỗn hợp còn lại (IV).
2.2.3.4. Giai đoạn 4:
Đây là giai đoạn cháy rớt phần hỗn hợp khí cơng tác cịn lại, nó được bắt đầu từ lúc nhiệt độtrong xy lanh đạt cực đại đến khi kết thúc quá trình cháy. Đặc trưng của giai đoạn này là sự giảm tốc độ tỏa nhiệt và giảm tốc độ cháy.
Từ những quan điểm này và quá trình bốc lửa và cháy nhiên liệu ở động cơ cho phép kết luận:
Sựảnh hưởng cơ bản đến ồn của động cơ ởhai giai đoạn 2 và 3. Việc tách ra thành từng giai đoạn từ tồn bộ q trình cháy đã giúp cho việc giải thích bản chất của tiếng ồn có liên quan đến q trình này.
Tiếng gõ của động cơ diesel trong q trình cháy có thể là do sựtăng áp suất với tốc độ lớn. Và trong một số trường hợp riêng biệt cịn có sự kích nổở đầu q trình cháy nhiên liệu khi ở giai đoạn cháy trễ gây nên. Khi kích nổ trong xy lanh của động cơ sẽ hình thành sóng áp lực tiếp xúc với thành ống lót gây nên rung động mạnh và là nguyên nhân làm xuất hiện âm thanh có tần số cao. Đây là hiện tượng hiếm và khơng bình thường mà ta có thể khắc phục bằng cách chọn góc phun sớm hoặc sử dụng loại nhiện liệu thích hợp hơn với việc tăng giai đoạn cháy trễ như Xokolic đã chỉ ra rằng: Mật độ của các trung tâm tự bốc cháy với giá trị bốc cháy tăng lên với giá trị tương đối lớn của giai đoạn cháy trễ thì khơng thể loại trừđược sự lan truyền các sóng áp lực mạnh với tốc độ âm thanh lớn hơn.
Do ở giai đoạn 3 của sự cháy tiến triển không đồng đều dẫn đến sự tăng và giảm áp suất theo thời gian có tính chất chu kỳ cục bộ. Điều đó làm xuất hiện khả năng cộng hưởng của ống lót và đỉnh piston ở trong vùng có tần số cao, dẫn đến làm tăng cường độ rung của động cơ diesel. Nói chung giai đoạn này cũng đóng vai trị nhất định về việc hình thành ồn trong động cơ diesel phải nghiên cứu chúng.
37
Như vậy ồn do quá trình cháy được xác định bằng đặc tính của sự phát triển ban đầu và hai giai đoạn khác nhau của quá trình bốc cháy và cháy hỗn hợp, ta thấy giai đoạn này được đặc trưng bởi sự tăng áp suất một cách đột ngột trong xy lanh. Các chi tiết của động cơ diesel chịu tải trọng động lực được đặc trưng bởi tốc độ tăng áp suất (dp/dФ), thời gian tác động của tốc độ cực đại tăng áp suất và tỷ số Pz/Pc như thực nghiệm đã chỉra khi (dp/dФ) thay đổi ít thì tỷ số (Pz/Pc) ảnh hưởng rất rõ lên biên độ của các thành phần ồn ở dải tần số cao và trung bình. Ngồi ra các đặc tính của sự chuyển từ đường nén sang đường cháy được xác định bằng hiện tượng tăng áp ởtrên đường cháy và đường nén gần điểm chuyển tiếp hoặc là ở góc giữa hai đường tiếp tuyến với đường nén và đường cháy ở điểm này. Khi tăng góc này thì nội lực động lực được truyền tới các chi tiết của nhóm piston xy lanh và cơ cấu tay quay thanh truyền chỉ xảy ra khi quá sớm hoặc quá muộn của sự bốc cháy. Thông thường sự chuyển tiếp đột ngột từ đường nén sang đường cháy (trên đồ thị cơng) có liên quan đến giai đoạn cháy trễ lớn. Nghĩa là do tốc độ tăng, áp suất lớn trong q trình cháy khi có sự chuyển tiếp đột ngột từđường nén sang đường cháy thì xảy ra sự biến dạng cục bộ lớn của các chi tiết riêng biệt của động cơ diesel mà sau này sẽ thực hiện những dao động tắt dần và tần số riêng. Thậm chí với giá trị như nhau của tốc độ tăng áp suất cực đại thì đặc tính chuyển tiếp của đường nén sang đường cháy ảnh hưởng một cách rõ rệt đến tải trọng động lực của các chi tiết động cơ diesel và tiếng ồn của nó.
Như vậy sự phát ồn có liên quan đến q trình cháy xảy ra ở tần số bất lợi hơn đối với những dải tần số nghe được. Mức ồn của các dải tần có tần số cao và trung bình tạo nên do quá trình cháy phụ thuộc vào sự biến dạng của các chi tiết khi bốc cháy và khi cháy nhiên liệu cũng như ma sát trong ở trong các chi tiết đó. Tất cả những điều kiện trên đặc trưng cho một trong những nguyên nhân xuất hiện bức xạ dao động có liên quan đến quá trình bốc cháy và cháy nhiên liệu trong động cơ diesel. Một trong những nguyên nhân khác là trong những giai đoạn của quá trình cháy tiếp sau khi bốc cháy và tăng áp suất đột ngột thì xuất hiện dao động của khí trong xy lanh động cơ. Âm thanh đặc biệt - âm cao đặc biệt khi động cơ diesel làm
38
việc dữ dội được gây ra bởi các dao động khí động ở trong xy lanh của động cơ ở trong quá trình cháy nhiên liệu.
Tóm lại, góc phun sớm nhiên liệu, trạng thái nhiệt của động cơ, tải trọng và số vịng quay của nó có thể liệt vào những yếu tố sử dụng cơ học có thểảnh hưởng đến tiếng ồn do cháy.
Xét sựảnh hưởng của các thông số sử dụng tải trọng và tốc độ góc đến tiếng ồn của động cơ ta thấy ở loại động cơ cao tốc loại nhẹ thì sựtăng dao động lớn nhất vào khoảng từ 3 ÷ 5 (db) trong tồn bộ chế độ tải trọng. Nếu theo dõi sự thay đổi tần số và bội số của sốlượng bật lửa trong xy lanh thì sựtăng cường độở dải tần số này sẽ nhọn hơn so với mức ồn chung. Nghĩa là dao động có tần số thấp của ống lót và thân động cơ với tần số f phụ thuộc vào trị số áp suất trong xy lanh PZ. Xong như ta đã biết, sựtăng mức ồn thay đổi không lớn bởi cường độ dao động của tần số và bội số của số lần bật lửa thì nhỏhơn rất nhiều so với ở trên các tần số khác của phổ.
Sự thay đổi tốc độ góc ảnh hưởng đến quá trình cháy, nhưng quan trọng hơn sự thay đổi tốc độ góc dẫn đến lực qn tính sẽ tăng lên rất lớn, do đó sẽ làm cho tiếng ồn tăng khá lớn trong động cơ hơn là quá trình cháy.
Qua những cơ sở trên thì q trình cháy có thể là nguồn ồn rõ rệt trong dải tần trung và cao. Chỉ trong trường hợp khi xảy ra sự trùng hợp dao động tự do của kết cấu với tần số dao động của khí trong xy lanh. Vì vậy đặc tính của q trình cháy có thể khơng tính đến khi đánh giá tiếng ồn của những động cơ diesel lớn có tốc độ chậm có trọng lượng lớn hơn (10 kg/ml) mà tần số dao động tự do của các chi tiết vượt khỏi tần số dao động của khí động, vì tần số tự do bao giờ cũng lớn hơn tần số của sự cháy.