L ỜI CẢM ƠN
i. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
2.1. Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức
2.1.1. Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức
Trong động cơ đốt cháy cưỡng bức, nhiên liệu và không khí được hòa trộn với nhau trên đường ống nạp, đi vào qua xupap nạp vào xylanh, hòa trộn với lượng khí sót còn lại trong xylanh, sau đó hỗn hợp này bị nén lại trong hành trình nén. Cuối hành trình nén, tia lửa điện được phóng ra ở 2 điện cực bugi thực hiện quá trình đốt cháy hỗn hợp. Trong khoảng thời gian ngắn sau khi bugi bật tia lửa điện, năng lượng tỏa ra từ quá trình cháy hỗn hợp rất nhỏ nên không thấy rõ sự khác biệt về áp suất và nhiệt độ trong xylanh so với trường hợp không đánh lửa, đây thường gọi là giai đoạn cháy trễ (Hình 2.1). Sau giai đoạn cháy trễ, màng lửa từ tâm cháy tiếp tục phát triển và
lan truyền khắp buồng cháy, đường áp suất khi này tách ra khỏi đường nén và tăng mạnh đến giá trị cực đại sau ĐCT trước khi toàn bộ hòa khí được đốt cháy hoàn toàn. Giai đoạn này gọi là giai đoạn cháy nhanh. Sau đó, áp suất giảm khi thể tích xylanh tăng dần trong phần hành trình giãn nở gọi là giai đoạn cháy rớt.
Toàn bộ quá trình cháy cần diễn ra lân cận ĐCT để mômen và công suất động cơ đạt lớn nhất. Thời gian từ khi hình thành màng lửa trung tâm đến khi màng lửa lan truyền khắp buồng cháy khoảng 30 đến 90 độ góc quay trục khuỷu. Nếu quá trình cháy diễn ra quá sớm công nén sẽ tăng; ngược lại nếu quá trình cháy diễn ra quá muộn, áp suất lớn nhất trong xylanh xuất hiện trong quá trình giãn nở, khi thể tích trong xylanh khá lớn làm giá trị áp suất này giảm dẫn đến công truyền từ lực khí thể cho piston giảm. Thời điểm đánh lửa tối ưu phụ thuộc vào tốc độ phát triển và lan truyền màng lửa, chiều dài quãng đường màng lửa đi qua trong buồng cháy và diễn biến khi màng lửa chạm thành buồng cháy. Các yếu tố này phụ thuộc vào kết cấu và điều kiện làm việc của động cơ, đặc tính của nhiên liệu, của không khí và hỗn hợp khí cháy.
Màng lửa trong quá trình cháy được hình thành và trải qua các giai đoạn khác nhau, bắt đầu từ khi bugi bật tia lửa điện, hình thành trung tâm màng lửa, lan truyền màng lửa khắp buồng cháy và kết thúc cháy khi màng lửa chạm thành vách buồng cháy. Các nghiên cứu cho thấy, sau khi bugi bật tia lửa điện, một màng lửa hình cầu bề mặt gồ ghề được hình thành và phát triển dần (Hình 2.2). Ban đầu của giai đoạn này màng lửa là một lớp mỏng, có số lượng nếp gấp vừa phải, tuy nhiên khi chịu tác động của dòng chuyển động
Hình 2.1. Diễn biến áp suất trong xylanh
động cơ đốt cháy cưỡng bức
I: Giai đoạn cháy trễ II: Giai đoạn cháy nhanh
-29-
rối, số lượng nếp gấp tăng lên. Ảnh hưởng của chuyển động rối thấy rõ qua bề mặt cuộn lại của màng lửa. Thể tích cháy phía sau màng lửa tiếp tục phát triển theo dạng hình cầu, ngoại trừ nơi tiếp giáp với thành buồng cháy. Lượng hòa khí được đốt cháy và mức độ tăng áp suất trở nên đáng kể khi màng lửa đi khoảng 2/3 buồng cháy. Áp suất trong xylanh đạt cực đại khi màng lửa lan tới thành ở xa của buồng cháy.
Hình 2.2. Hình ảnh quá trình cháy trong xylanh nghiên cứu, diễn biến áp suất và lượng khí cháy ở
tốc độ 1400v/p, áp suất nạp 0,5atm [56].
Hình dạng bề mặt màng lửa cũng phụ thuộc vào mức độ xoáy lốc của hòa khí. Nếu hòa khí không có xoáy lốc hoặc xoáy lốc ở mức độ bình thường, bề mặt màng lửa phát triển theo dạng hình cầu. Tuy nhiên nếu xoáy lốc của hòa khí mạnh bề mặt màng lửa bị kéo duỗi và biến dạng theo hình dạng của dòng xoáy (Hình 2.3). Mức độ chuyển động rối của hòa khí càng lớn làm tăng độ gồ ghề, tăng nếp gấp trên bề mặt màng lửa làm tăng diện tích bề
mặt màng lửa. Diện tích bề mặt màng lửa càng lớn, lượng hòa khí chưa cháy thâm nhập vào màng lửa và tham gia vùng cháy càng lớn, qua đó tăng tốc độ lan truyền màng lửa. Tốc độ lan truyền màng lửa là thông số quan trọng đặc trưng cho quá trình cháy hỗn hợp nhiên liệu, không khí và khí sót. Tốc độ cháy được tính toán khác nhau tùy theo màng lửa chảy tầng hay chảy rối. Với màng lửa chảy tầng trong các hỗn hợp được hòa trộn trước, tốc độ lan truyền màng lửa được định nghĩa là tốc độ màng lửa lan truyền đến phần hòa khí chưa cháy đứng yên phía trước màng lửa. Với màng lửa chảy rối, tốc độ lan truyền màng lửa có thể được tính thông qua tốc độ lan truyền màng lửa chảy tầng và cường độ rối.
Hình 2.3. Hình dạng bề mặt màng lửa
a) Trường hợp hòa khí có xoáy lốc bình thường
-30-
Khi tốc độ động cơ tăng, thời gian của quá trình cháy tính theo góc quay trục khuỷu cũng tăng lên tuy nhiên mức độ tăng chậm hơn so với mức độ tăng tốc độ. Điều này là do khi tốc độ động cơ tăng lên làm tăng mức độ chuyển động rối của hòa khí dẫn đến tăng tốc độ phát triển và lan truyền màng lửa và tốc độ cháy tăng lên.
Thành phần và trạng thái của hòa khí cũng ảnh hưởng tới tốc độ cháy:
- Giảm áp suất nạp trong khi lượng khí sót vẫn duy trì không đổi sẽ kéo dài quá trình cháy,
- Quá trình cháy nhanh nhất với hòa khí hơi đậm (với hệ số dư lượng không khí khoảng 0,83) và sẽ kéo dài khi hòa khí nhạt dần (nhất là khi hệ số dư lượng không khí lớn hơn 1),
- Lượng khí sót trong hòa khí càng lớn, quá trình phát trỉển và lan truyền màng lửa càng chậm,
- Thành phần nhiên liệu khác nhau cũng ảnh hưởng tới quá trình cháy.
Những dạng buồng cháy được thiết kế để quá trình cháy diễn ra nhanh (tạo chuyển động rối cho hòa khí) ít nhạy cảm hơn với thành phần cũng như trạng thái nhiệt độ, áp suất của hòa khí so với dạng buồng cháy có quá trình cháy chậm (chuyển động rối nhỏ). Để nâng cao hiệu suất chu trình cần nâng cao tốc độ cháy, giảm thời gian cháy, làm cho áp suất cực đại và nhiệt độ cực đại xuất hiện gần ĐCT, lượng nhiệt sinh ra được tận dụng đầy đủ. Tuy nhiên tốc độ cháy cũng không nên lớn quá, tốc độ tăng áp suất nhanh gây va đập cơ khí, tăng tiếng ồn, rung động, tăng mài mòn các chi tiết và giảm tuổi thọ động cơ. Thông thường giá trị tăng áp suất nằm trong khoảng (1,752,5).105 Pa/độ góc quay trục khuỷu, đồng thời điểm đạt áp suất cực đại xuất hiện sau ĐCT khoảng 10150 [9].
Cũng cần lưu ý thêm là mặc dù tỷ lệ về khối lượng riêng giữa môi chất chưa cháy và khí cháy (u/b) phụ thuộc vào nhiều thông số như hệ số dư lượng không khí, lượng khí sót trong môi chất chưa cháy, nhiệt độ và áp suất môi chất…, tuy nhiên tỷ lệ này thường khoảng bằng 4 với hầu hết các điều kiện vận hành của động cơ đốt cháy cưỡng bức. Đồ thị biểu diễn qua hệ giữa phần khí cháy theo khối lượng xb và phần khí cháy theo thể tích yb với lượng khí sót xr khác nhau thể hiện trên Hình 2.4.
Một số trường hợp quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức có thể diễn ra không bình thường bao gồm hiện tượng kích nổ và cháy bề mặt gây ồn và hư hỏng động cơ:
- Hiện tượng kích nổ xảy ra khi sự tỏa nhiệt quá nhanh của hòa khí cháy gây tăng áp suất cục bộ và sóng áp suất có biên độ lớn lan truyền khắp buồng cháy. Có hai giả thuyết giải thích nguồn gốc kích nổ: giả thuyết tự đánh lửa và giả thuyết nổ. Giả thuyết tự đánh lửa cho rằng khi hòa khí chưa cháy bị nén đến áp suất và nhiệt độ đủ cao để xảy ra quá
-31-
trình ôxy hóa nhiên liệu, bắt đầu với những điểm lửa và kết thúc với sự tỏa nhiệt nhanh diễn ra tại một phần hoặc toàn bộ vùng hòa khí chưa cháy. Giả thuyết nổ thì cho rằng, ở điều kiện có thể gây kích nổ, tốc độ lan truyền màng lửa tăng nhanh đến tốc độ âm thanh và đốt cháy phần hòa khí còn lại với tốc độ nhanh lớn hơn nhiều so với thông thường,
- Hiện tượng đánh lửa bề mặt là quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu - không khí bởi điểm có nhiệt độ cao trên thành buồng cháy như xupap hoặc bugi bị quá nhiệt hoặc cặn cốc nóng đỏ trong buồng cháy…Đánh lửa bề mặt có thể xảy ra trước hoặc sau khi bugi bật tia lửa điện. Khi có đánh lửa bề mặt, một màng lửa rối được hình thành ở các vị trí đánh lửa và lan truyền ra xung quanh khắp buồng cháy tương tự như đối với trường hợp bugi đánh lửa thông thường.