Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2 QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL
2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy
2.2.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy:
Thời gian của giai đoạn chuẩn bị cháy rất ngắn i = 0,005 0,001(s).
Thời gian chuẩn bị cháy và quy luật cấp nhiên liệu hay lượng nhiên liệu cấp trong thời gian chuẩn bị cháy có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ tăng áp suất và độ cứng của động cơ làm việc êm, tránh được các hư hỏng do các ứng suất cơ gây ra. Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian chuẩn bị cháy bao gồm các yếu tố hoá học, các yếu tố vật lý, các yếu tố cấu tạo và các yếu tố khai thác.
Các yếu tố về hoá học bao gồm thành phần, tính chất và cấu trúc của nhiên liệu, nồng độ ôxy trong buồng đốt, lượng khí sót còn sót lại của chu trình trước và các chất phụ gia kích thích quá trình cháy khi pha thêm vào nhiên liệu.
Trong các yếu tố về hoá học thì thành phần và tính chất của nhiên liệu có ảnh hưởng đáng kể đến giai đoạn chuẩn bị cháy. Trị số xetan của nhiên liệu sử dụng càng lớn càng rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy và do vậy tốc độ tăng áp suất sẽ giảm đi. Tăng nồng độ ôxy, giảm lượng khí sót trong buồng đốt hay pha thêm các chất phụ gia kích thích quá trình cháy vào trong nhiên liệu đều có thể làm rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy.
Các yếu tố vật lý bao gồm áp suất, nhiệt độ cuối kỳ nén và mật độ không khí trong buồng đốt.
Trong các yếu tố vật lý thì áp suất và nhiệt độ cuối kỳ nén có ảnh hưởng nhiều nhất đến giai đoạn chuẩn bị cháy. Tăng áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén sẽ rút ngắn được i. Tuy nhiên người ta cũng chứng tỏ được rằng khi nhiệt độ cuối kỳ nén nhỏ hơn 400C thì ảnh hưởng của Tc đến i mới thấy rõ.
Còn khi Tc lớn hơn 400C thì ảnh hưởng của nó đến thời gian chuẩn bị cháy là không đáng kể.
Các yếu tố kết cấu bao gồm tỷ số nén, kết cấu buồng cháy, vòng quay động cơ, góc phun sớm nhiên liệu, tính dẫn nhiệt của piston, xilanh, cường độ làm mát piston là các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy.
Các yếu tố kết cấu ảnh hưởng đến thông số cuối kỳ nén và chất lượng hoà trộn của hỗn hợp. Tăng làm cho thông số cuối kỳ nén tăng, tạo điều kiện thuận lợi cho sự chuẩn bị cháy nhiên liệu. Đối với động cơ sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau thì ảnh hưởng của tỷ số nén đến thời gian chuẩn bị cháy cũng khác nhau.
Tăng số vòng quay của động cơ làm cho thời gian chuẩn bị cháy i giảm xuống còn góc tương ứng với thời gian chuẩn bị cháy i lại tăng lên.
Chất lượng tạo hỗn hợp sẽ làm thay đổi quá trình ôxy hoá các hạt nhiên liệu trong thời gian chuẩn bị cháy và do đó thời gian chuẩn bị cháy sẽ dài ra hay ngắn đi. Chất lượng tạo hỗn hợp phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng phun nhiên liệu và chuyển động xoáy lốc của dòng không khí cuối kỳ nén. Động cơ có buồng cháy xoáy lốc có khả năng tạo hỗn hợp tốt hơn động cơ có buồng cháy thống nhất.
Vật liệu chế tạo piston cũng có ảnh hưởng đáng kể tới thời gian chuẩn bị cháy, đặc biệt là ở chế độ khởi động. Những động cơ có piston chế tạo bằng nhôm khi ở chế độ khởi động sẽ khó khởi động hơn hoặc dễ bị nhảy van an toàn do thời gian chuẩn bị cháy kéo dài. Ở những động cơ này, thời gian chuẩn bị cháy bị kéo dài chủ yếu do khả năng truyền nhiệt tốt của piston và khe hở giữa piston và xilang lớn do hệ số giãn nở nhiệt lớn, điều này làm giảm chỉ số nén đa biến và dẫn đến làm giảm áp suất và nhiệt độ cuối kì nén.
Các yếu tố về khai thác bao gồm các điều kiện về môi trường như áp suất, nhiệt độ, độ ẩm không khí môi trường, nhiệt độ nước làm mát, phụ tải và trạng thái nhiệt của động cơ. Các yếu tố này sẽ ảnh hưởng đến các thông số vật lý, hoá học và do đó ảnh hưởng đến thời gian chuẩn bị cháy trong xilanh động cơ.
2.2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến các giai đoạn còn lại của quá trình cháy Giai đoạn 2 tức là giai đoạn cháy nổ phụ thuộc rất nhiều vào thời gian chuẩn bị cháy. Trong cùng một điều kiện khai thác, khi rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy i sẽ làm cho tốc độ tăng áp suất
d
dP và áp suất cháy lớn nhất pzmax giảm xuống, động cơ làm việc êm, nhẹ nhàng hơn.
Ngoài yếu tố i thì lượng nhiên liệu cấp vào trong thời gian chuẩn bị cháy i cũng là yếu tố đáng kể ảnh hưởng tới sự thay đổi pzmax và dp/d. Thay đổi quy luật cấp nhiên liệu sẽ làm i thay đổi, vì vậy trong những động cơ diesel tàu thuỷ hiện đại, người ta chế tạo cam nhiên liệu có biên dạng thay đổi nhằm thay đổi vận tốc của piston bơm cao áp. Áp suất phun nhiên liệu ở giai đoạn đầu của những bơm cao áp loại này có thể nhỏ hơn 2 3 lần so với giai đoạn cuối.
Giai đoạn cháy thứ 3 là giai đoạn cháy khi piston đã đi từ ĐCT xuống ĐCD. Thời gian của giai đoạn 3 phụ thuộc vào thời gian của giai đoạn 1, giai đoạn 2 và góc cấp nhiên liệu toàn bộ. Thay đổi góc cấp nhiên liệu toàn bộ sẽ làm cho thời gian của giai đoạn 3 thay đổi. Khi góc cấp nhiên liệu toàn bộ không đổi việc kéo dài hay rút ngắn thời gian của giai đoạn 1 sẽ làm thay đổi giai đoạn 3.
Giai đoạn 4 của quá trình cháy là hậu quả của tất cả các giai đoạn trước.
Càng rút ngắn được thời gian của giai đoạn 4 thì tính kinh tế của động cơ càng tăng, trạng thái nhiệt của các chi tiết nhóm piston xilanh càng đảm bảo.
Giảm tốc độ quay của động cơ, tăng hệ số dư lượng không khí hoặc cải thiện chất lượng phun sương và tạo hỗn hợp là những biện pháp hữu hiệu nhằm rút ngắn giai đoạn cháy rớt này. Tuy nhiên giai đoạn 4 này vẫn tồn tại trong tất cả các động cơ diesel.
2.2.2.3 Ảnh hưởng của góc phun sớm đến quá trình cháy
Ảnh hưởng của góc phun sớm có tác dụng lớn đến diễn biến quá trình cháy và do đó nó quyết định đến hiệu quả của quá trình biến đổi nhiệt năng thành công năng.
Trong mỗi động cơ, khi làm việc ở tốc độ quay định mức đều có một góc phun sớm có lợi nhất gọi là góc phun sớm tối ưu. Tăng góc phun sớm lớn hơn
góc phun sớm tối ưu là nhiên liệu được phun vào trong xilanh động cơ khi nhiệt độ và áp suẩt trong xilanh còn thấp dẫn đến thời gian chuẩn bị cháy bị kéo dài. Kết quả làm cho quá trình cháy lúc này chỉ làm cản trở sự đi lên của piston (sinh công âm), làm cho hiệu qủa biến đổi nhiệt năng thành cơ năng thấp. Còn giảm góc phun sớm so với góc phun sớm tối ưu sẽ làm cho quá trình cháy rớt kéo dài vì áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp đã giảm nhiều do thể tích công tác đã tăng lớn lên nhiều, tính kinh tế của động cơ giảm xuống.