1.3.1. Bản chất quá trình cháy
Nhiên liệu sau khi được phun vào xy lanh không tự cháy ngay mà phải có thời gian để oxy hóa sâu các hydrocarbon trong nhiên liệu tạo hợp chất oxy trung gian, có khả năng tự bốc cháy. Khoảng thời gian đó gọi là thời gian cảm ứng hay thời gian cháy trễ. Thời gian cảm ứng càng ngắn càng tốt, lúc đó nhiên liệu sẽ cháy điều hịa. Nếu thời gian cảm ứng kéo dài thì một phần nhiên liệu chưa kịp bị oxy hóa, trong khi một phần khác đã bị oxy hóa và sẽ bốc cháy khiến cả khối nhiên liệu bị cháy theo cùng một lúc ở điều kiện bắt buộc. Tốc độ cháy này rất lớn làm cho áp suất trong xylanh tăng đột ngột làm hao tốn công suất động cơ và gây hư hại cho động cơ.[3]
Nguyên lí cơ bản của động cơ Diesel là dựa trên nhiệt nén làm bốc cháy nhiên liệu. Nhiên liệu được tiêm vào buồng nén mà ở đó khơng khí đãđược nén tới 1 áp lực từ 41,5 ÷ 45,5 kg/cm2 và đạt tới nhiệt độ ít nhất là 5000C. Nhiệt độ này đủ để làm bốc cháy nhiên liệu và khí dãn nở làm tăng áp lực lên tới trên 70 kg/cm2. Áp lực này tác động lên piston và làm động cơ chuyển động.
Trong chu trình làm việc của động cơDiesel, nhiên liệu tự bốc cháy trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tới hạn, không cần mồi lửa từ bugi. Vì thế tính chất quan trọng của nhiên liệu Diesel là chất lượng cháy của nó. Đầu tiên, nhiên liệu phải có khả năng dễ dàng cháy ở nhiệt độ nén đủ thấp để đảm bảo sự cháy, thậm chí khi xuất phát ở điều kiện nhiệt độ thấp. Thứ hai, thời gian giữa khi tiêm nhiên liệu vào xilanh và cháy phải không được quá dài hay quá nhiều dầu trong xylanh khi sự cháy
xảy ra và như thế áp suất cao không cân bằng sẽ sinh ra và động cơ hoạt động không tốt.
Khi chất lượng cháy được thử trong một động cơ Diesel chuẩn thì kết quả được biểu thị bằng chỉ số xêtane.
1.3.2. Các khái niệm cơ bản
Điểm chết: là điểm mà tại đó piston khơng thể tiếp tục đi lên hay đi xuống được. Vậy có hai điểm chết: điểm chết trên (TDC-top death center) và điểm chết dưới (BDC-bottom death center).
Hành trình làm việc: là khoảng chạy của piston từ điểm chết này đến điểm chết kia. Hành trình làm việc người ta cịn gọi là thì.
Chu trình: là số hành trình cần thiết để động cơ sinh cơng một lần. Ta có chu trình của động cơ hai kỳ (một chu trình gồm hai hành trình của piston) và chu trình của động cơ bốn kỳ (một chu trình gồm bốn hành trình của piston).
Thể tích buồng đốt: là phần thể tích được giới hạn bởi nắp máy, join nắp máy, xylanh và piston khi pistonở TDC.
Thể tích cơng tác: là phần thể tích giới hạn bởi xylanh và piston khi piston ở TDC và BDC.
Thể tích tồn phần: là tổng của thể tích buồng đốt và thể tích cơng tác.
Tỷ số nén: là tỷ số giữa thể tích tồn phần và thể tích buồng đốt. Đối với động cơ Diesel, tỉ số nén nằm trong khoảng 1224 (đối với động cơ xăng từ 912).
1.3.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel 4 thì
Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel 4 kỳ
Chu trình làm việc của động cơ bốn thì được thực hiện lần lượt theo bốn thì nối tiếp nhau như sau:
Thì nạp:Nhờ qn tính của thì nổ ở chu trình trước, piston từ TDC di chuyển xuống BDC tạo nên độ chân không trong xylanh. Đồng thời lúc này nhờ hệ thống phân phối khí điều khiển xupáp xả đóng kín, xupáp nạpmở, khơng khí được lọc sạch qua xupáp nạp vào xylanh động cơ. Kết thúc q trình nạp, xupáp nạp đóng lại.
Thực tế, quá trình nạp của động cơ dài hơn lý thuyết nghĩa là xupáp nạp mở trước điểm chết trên một góc tương ứng với góc mở sớm của xupáp nạp và đóng muộn sau BDC một góc tương ứng với góc đóng muộn của xupáp nạp. Điều này giúp cho q trình nạp khơng khí mới được đầy, cơng suất động cơ tăng. Giá trị góc mở sớm, đóng muộn của xupáp nạp được thiết kế tùy theo loại động cơ và thường vào khoảng 30o.
Thì nén: Piston tiếp tục đi từ BDC lên TDC, lúc này hai xupáp nạp và xả đều đóng kín, khơng khí trong xylanh được nén với áp suất cao (30-35 kg/cm2) và nhiệt độ lên khoảng 500-600oC. Tùy theo hình dạng của buồng cháy, kiểu buồng cháy mà xoáy lốc của khối khí nóng nàyở mức độ khác nhau.
Thực tế quá trình nén khơng bắt đầu ngay khi piston ở BDC mà khi xupáp nạp vừa đóng kín. Q trình nén kết thúc khi piston ở TDC.
Thì nổ (hay thì cháy giãn nở): khi piston gần TDC (khỏang 20o trước TDC tùy theo loại động cơ) kimphun phun nhiên liệu vào buồng đốt động cơ. Nhiên liệu gặp khơng
khí có nhiệt độ cao (nhiệt độ trên nhiệt độ sôi của nhiên liệu) sẽ tự bốc cháy, sinh công đẩy piston xuống điểm chết dưới. Lúc này cả hai xupáp nạp và xả đều đóng kín.
Đối với động cơ dieselcũng như động cơ xăng, để công suất đạt cực đại thì giá trị áp suất max đạt được trong quá trình cháy sau TDC khoảng 5-15onhư mơ tả ở hình bên: Thì xả: Nhờ qn tính, piston di chuyển từ BDC lên TDC, lúc này xupáp xả mở, khí cháy (sản vật cháy) thốt ra ngồi qua xupáp xả.
Thực tế thì xả cũng kéo dài như ở thì nạp nghĩa là xupáp xả mở trước BDC một góc tương ứng với góc mở sớm của xupáp xả và đóng muộn sau TDC một góc tương ứng với góc đóng muộn của xupáp xả. Điều này giúp cho q trình thải khí cháy đượcsạch, cơng suất động cơ tăng. Giá trị góc mở sớm, đóng muộn của xupáp thải được thiết kế tùy theo loại động cơ và thường vào khoảng 30o.[3]
1.3.4. Nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel 2 thì
Khác với động cơ bốn kỳ, chu trình làm việc của động cơ hai thìđược thực hiện nối tiếp nhau như sau:
Hình 1.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel 2 thì
Thì thứ 1 (nạp-nén): Khi piston từ BDC lên TDC. Khi piston ở BDC bắt đầu đi lên, xupáp xả cịn mở, gió được thổi vào xylanh nhờ bơm gió và khí cháy ở chu kỳ trước được quét ra ngồi qua xupáp thốt. Piston tiếp tục đi lên làm các lỗ xung quanh piston bị che lại, đồng thời xupáp xả đóng lại, khơng khí trong lịng xylanh bị nén với áp suất và nhiệt độ cao.
Thì thứ 2 (cháy giãn nở-thải): khi piston lên gần TDC (khoảng 17o trục khuỷu tùy loại động cơ) nhiên liệu được phun vào gặp khơng khí nhiệt độ cao nên nhiên liệu tự bốc cháy, sinh công đẩy piston đi xuống. Khi piston đi xuống khoảng ¾ khoảng chạy, xupáp xả mở ra khí cháy thốt ra ngồi. Piston tiếp tục đi xuống mở các cửa thải xung quanh xylanh và bơm gió qt lượng khí cháy cịn lại ra ngồi đồng thời cũng nạp khí mới cho thì tiếp theo
1.3.5. Hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel
Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel
Nguyên tắc làm việc của hệ thống như sau: khi động cơ làm việc, bơm tiếp vận (supply pump) hút nhiên liệu từ thùng chứa (fuel tank) qua lọc thô (pre-filter), qua lọc tinh (second-filter) rồi đến bơm cao áp (injection pump). Áp suất nhiên liệu cung cấp cho bơm cao áp được giữ không đổi theo tốc độ động cơ nhờ vào van ổn áp, nhiên liệu thừa được xả về thùng chứa hoặc lọc thô. Tại bơm cao áp, nhiên liệu được nén lên áp lực cao rồi đưa đến kim phun (injectior) phun vào buồng đốt động cơ đúng thứ tự nổ của động cơ.
Do giữa van kim và đót kim bao giờ cũng có khe hỡ, dầu áp suất cao qua khe hở này theo đường dần hồi (fuel return line) về lại thùng chứa nhiên liệu.
Kim phun và các dạng chùm tia nhiên liệu:
Vòi phun được lắp ở nắp quilát động cơ có nhiệm vụ phun nhiên liệu vào buồng đốt động cơ dưới dạng sương mù, phân bố đều tia nhiên liệu trong toàn bộ thể tích buồng đốt.
Nguyên lý làm việc của kim phun được thực hiện như sau: nhiên liệu từ bơm cao áp theo đường ống dẫn cao áp đến rắc co nơi kim phun. Lượng nhiên liệu này theo đường dẫn dầu vào buồng phía dưới nơi mặt cơn kim phun. Dưới áp lực nhiên liệu cao sẽ nén lò xo, nhiên liệu được phun vào buồng đốt động cơ.
Buồng đốt động cơ Diesel:
Khác với động cơ xăng, thời gian hòa trộn giữa nhiên liệu và khơng khí trong động cơ Diesel ngắn, vì lẽ đó việc thiết kế hình dạng, kích thước buồng đốt rất quan trọng. Hình dạng buồng đốt phải phù hợp với hình dáng, hướng của tia nhiên liệu, phù hợp với hình dáng của piston để đảm bảo việc xốy lốc, hịa trộn của hỗn hợp được tốt nhất.
1.3.6. Các vấn đề về môi trường
Những tác độngcó tính tiêu cực đến sức khỏe của con người và môi trường của động cơ Diesel thể hiện ở 4 yếu tố chính: Oxyt Nitơ (NOx), các chất hạt ơ nhiễm, mùi khó chịu và khói đen, tiếng ồn.
Ngồi ra, cũng có sựhình thành oxyt lưu huỳnh (SOx) trong quá trình hoạt động của động cơDiesel.[4]