b) Hệ thống dẫn động phun
2.1.3. Quy luật cháy trong động cơ Diesel
2.1.3.1. Diễn biến và các thông số đặc trưng
Diễn biến quá trình cháy trong động cơ Diesel nói chung được chia thành 4 giai đoạn: giai đoạn cháy trễ, giai đoạn cháy nhanh, giai đoạn cháy chính và giai đoạn cháy rớt.
Hình 2.17. Các đồ thị mô tả quá trình cháy ở động cơ diesel
a) Đồ thị công khai triển ;b) Quy luật phun nhiên liệu dạngtích phân; c)Quy luật phun nhiên liệu dạng vi phân và hệ số toả nhiệt
- Giai đoạn I : Giai đoạn cháy trễ
Giai đoạn cháy trễ kéo dài từ thời điểm nhiên liệu thực tế bắt đầu được phun vào buồng đốt (điểm cf) đến thời điểm nhiên liệu phát hoả (điểm ci). Trong giai đoạn nàydiễn ra hàng loạt quá trình lý hoá đối với nhiên liệu, như phá vỡ tia nhiên liệu thành những hạt nhỏ, sấy nóng và hoá hơi các hạt nhiên liệu bằng không khí nén trong buồng đốt, hoà trộn hơi nhiên liệu với không khí nén, sấy nóng hơi đến nhiệt độ tự phát hoả, các phản ứng tiền ngọn lửa và cuối cùng là hình thành các trung tâm cháy đầu tiên. Đường áp suất cháy trong giai đoạn cháy trễ hầu như trùng với đường nén do tốc độ toả nhiệt từ các phản ứng tiền ngọn lửa rất nhỏ, thậm chí nhiệt độ và áp suất trong xylanh giảm chút ít khi nhiên liệu mới được phun vào buồng đốt do một phần nhiệt của MCCT tiêu hao để hoá hơi nhiên liệu.
Giai đoạn cháy trễ ở động cơ diesel kéo dài khoảng vài phần ngàn giây, dài hơn nhiều so với trường hợp động cơ xăng. Lượng nhiên liệu được phun vào buồng đốt trong giai đoạn cháy trễ gi = (30÷40) % gct; đôi khi gi = 100 % gct ở một số loại động cơ Diesel cao tốc.
- Giai đoạnII: Giai đoạn cháy nhanh
Giai đoạn II kéo dài từ thời điểm đường cháy tách khỏi đường nén (điểm ci) đến thời điểm áp suất cháy đạt đến trị số cực đại pz (điểm z).Trong giai đoạn này, lượng nhiên liệu đã được phun vào trong giai đoạn chậm cháy (gi) cùng với nhiên liệu được phun vào ở đầu giai đoạn II (g'i) bốc cháy mãnh liệt trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ oxy lớn.Ngọn lửa từ các trung tâm cháy đầu tiên phát triển ra khắp không gian buồng đốt. Tốc độ toả nhiệt rất lớn trong điều kiện thể tích của không gian công tác nhỏ làm cho nhiệt độ và áp suất trong xylanh tăng lên mãnh liệt. Đường áp suất rất dốc nên có thể coi giai đoạn II của quá trình cháy ở động cơ diesel tương ứng với quá trình cấp nhiệt đẳng tích của chu trình lý thuyết cấp nhiệt hỗn hợp.
Các thông số đặc trưng cho giai đoạn cháy nhanh bao gồm: áp suất cháy cực đại (pz), tốc độ tăng áp suất trung bình (wp), tỷ số tăng áp suất pz / pc..
Trị số của pz, wp và phụ thuộc trước hết vào thời điểm phun nhiên liệu, quy luật tạo HHC và thời gian chậm cháy.
- Giai đoạn III: Giai đoạn cháy chính
Khác với động cơ xăng, trong quá trình cháy ở động cơ Diesel có giai đoạn áp suất trong xylanh được duy trì gần như không đổi (đoạn z - z'), được gọi là giai đoạn cháy chính. Đặc điểm này là kết quả tác động đồng thời của 2 yếu tố: yếu tố không gian công tác tăng dần.
Giai đoạn cháy chính dài hay ngắn phụ thuộc chủ yếu vào quy luật tạo HHC và tốc độ của động cơ. Ở động cơ thấp tốc, người ta thường kéo dài quá trình phun nhiên liệu để có thể đảm bảo lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt trong giai đoạn chậm cháy là ít, do đó động cơ làm việc ít rung giậ thơn. Một phần lớn nhiên liệu sẽ cháy trong giai đoạn III nên áp suất cực đại được duy trì trong thời gian dài hơn. Ngược lại, để đảm bảo cho nhiên liệu ở động cơ cao tốc cháy gần ĐCT, thời gian phun nhiên liệu phải ngắn, phần lớn lượng nhiên liệu chu trình được phun vào buồng đốt trong giai đoạn chậm cháy và cháy ở đầu giai đoạn II. Bởi vậy hình dạng đồ thị công của động cơ diesel cao tốc không khác nhiều so với của động cơ xăng. Vào cuối giai đoạn III, phần lớn lượng nhiên liệu chu trình đã cháy, cả áp suất và nhiệt độ trong xylanh đều rất lớn, nồng độ oxy giảm đáng kể, nồng độ khí trơ (CO2, H2O, ... ) tăng. Nếu chất lượng quá trình tạo HHC cháy không tốt, sẽ có khu vực trong buồng đốt tập trung nhiều nhiên liệu hoặc các hạt nhiên liệu chưa hoá hơi; lượng oxy còn lại khó tiếp xúc
với các phân tử nhiên liệu. Trong điều kiện thiếu oxy, áp suất và nhiệt độ cao, các phân tử nhiên liệu sẽ bị phân huỷ thành C, H ,... làm cho khí thải có màu đen.
Giai đoạn IV: Giai đoạn cháy rớt
Hiện tượng cháy rớt ở động cơ diesel thường nghiêm trọng hơn ở động cơ xăng vì ở động cơ diesel rất khó tạo ra một HHC đồng nhất trong một thời gian rất ngắn. Vì vậy, mặc dù đã áp dụng nhiều biện pháp để hoá hơi và hoà trộn nhanh nhiên liệu với không khí trong buồng đốt, đối với động cơ Diesel vẫn phải sử dụng hệ số dư lượng không khí khá lớn (= 1,3 ÷ 2,0) để đảm bảo cho nhiên liệu cháy hoàn toàn.
Cháy rớt ở động cơ Diesel cũng gây ra những tác hại như ở động cơ xăng. Nguyên nhân chính làm tăng cháy rớt ở động cơ Diesel là góc phun sớm quá nhỏ, cấu trúc tia nhiên liệu không phù hợp, chuyển động rối của MCCT trong buồng đốt không đủ lớn, nhiên liệu có số cetane thấp.
2.1.3.2. Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy của động cơ diesel
a. Tỷ số nén
Tăng tỷ số nén sẽ có ảnh hưởng tốt đến quá trình cháy về phương diện nhiệt động học vì nhiệt độ và áp suất tại thời điểm phun nhiên liệu (Tcf , pcf) sẽ tăng, thời gian chậm cháy (τi) giảm. Tuy nhiên, tăng tỷ số nén sẽ làm tăng áp suất cháy cực đại, do đó các chi tiết chịu lực sẽ phải có kích thước lớn hơn. Tiêu chí đầu tiên để chọn tỷ số nén cho động cơ Diesel là đảm bảo khởi động được động cơ ở mọi điều kiện khai thác.
b. Cấu hình của buồng đốt
Cấu hình của buồng đốt là một trong những yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp nhất đến diễn biến và chất lượng của quá trình cháy và kéo theo nó là hàng loạt chỉ tiêu kinh tế ký thuật của động cơ như: suất tiêu hao nhiên liệu, áp suất chỉ thị trung bình, tốc độ tăng áp suất và áp suất cháy cực đại, độ khói độc hại của khí thải, tính năng khởi động của động cơ… Do đặc điểm quá trình tạo HHC và phát thải nhiên liệu của động cơ Diesel thường có cấu hình phức tạp hơn nhiều so với động cơ xăng. Mọi cố gắng hoàn thiện buồng đốt ở động cơ Diesel tập trung trước hết vào vấn đề rút ngắn giai đoạn chậm cháy, hoá hơi nhanh và hoà trộn hơi nhiên liệu với không khí trong buồng đốt theo một quy luật phù hợp với đặc điểm tổ chức quá trình cháy và tính năng kỹ thuật của động cơ.
c. Tính chất lý hoá của nhiên liệu
Các tính chất lý hoá của nhiên liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến quá trình cháy ở động cơ Diesel bao gồm: tính tự bốc cháy, độ nhớt và tính hoá hơi.
Hiện nay, tính tự bốc cháy của nhiên liệu thường được định lượng bằng số cetane.Nhiên liệu có CN càng lớn thì thời gian chậm cháy càng ngắn. Nếu các điều kiện khác như nhau mà τ i ngắn thì lượng nhiên liệu cháy ở đầu giai đoạn cháy nhanh
sẽ ít hơn, thời gian cháy toàn bộ lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt cũng ngắn hơn. Kết quả là không những động cơ làm việc ít giật hơn rung hơn mà các chỉ tiêu khác cũng được cải thiện (ví dụ: công suất, hiệu suất, độ độc khí thải, v.v.). Điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với động cơ cao tốc, ở đó thời gian dành cho quá trình tạo HHC và cháy rất ngắn. Như vậy, từ góc độ quá trình cháy, nhiên liệu Diesel có CN càng lớn càng tốt. Động cơ Diesel có tốc độ quay càng cao thì yêu cầu nhiên liệu phải có CN càng lớn.
2.1.3.3. Cấu trúc của các tia nhiên liệu, quy luật phun nhiên liệu và quy luật tạo HHC HHC
Chất lượng phun ảnh hưởng rất lớn đến tạo thành hòa khí và cháy.Nếu nhiên liệu phun tơi tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuẩn bị hòa khí thì thời gian cháy trễ τ i và tốc độ tăng áp suất ∆p/∆φ nhỏ, động cơ làm việc êm.Chính vì vậy, áp suất phun trong động cơ Diesel hiện đại có xu hướng ngày càng tăng. Trong hệ thống nhiên liệu common rail, áp suất phun có thể lên tới 2000 bar nên nhiên liệu phun rất tơi, hạt rất nhỏ và đều.
Quy luật phun cũng là một nhân tố ảnh hưởng quyết định đến diễn biến quá trình cháy. Nếu rút ngắn thời gian phun tức là tăng cường độ phun (bằng cách thay đổi dạng cam của bơm cao áp đối với hệ thống thông thường hay thay đổi qui luật phun với hệ thống nhiên liệu điện tử) sẽ làm cho lượng nhiên liệu chuẩn bị trong giai đoạn cháy trễ tăng lên dẫn tới tăng ∆p/∆φ và Pmax, động cơ khi đó làm việc ồn và rung giật. Trong động cơ dùng hệ thống common rail có thể tổ chức phun thành nhiều giai đoạn: phun mồi, phun chính và phun sau. Phun mồi trước khi phun chính làm giảm tốc độ tăng áp suất khí cháy do hạn chế lượng nhiên liệu tham gia chuẩn bị trong giai đoạn cháy trễ nên động cơ làm việc êm hơn, tiếng gõ đặc thù ở động cơ Diesel giảm. Phun sau có tác dụng gia nhiệt trong quá trình giãn nở để tăng cường phản ứng oxi hóa các chất độc hại trong khí thải như CO, CmHn và muội than.
2.1.3.4. Góc phun sớm nhiên liệu (φs)
Tương tự như ở động cơ Xăng, nhiên liệu ở động cơ Diesel cũng phải được phun trước khi piston tới ĐCT để quá trình cháy diễn ra xung quanh ĐCT.Góc quay trục khuỷu tính từ thời điểm nhiên liệu bắt đầu được phun vào buồng đốt đến thời điểm piston tới ĐCT được gọi là góc phun sớm (φs).Hình 2.18 thể hiện ảnh hưởng của góc phun sớm đến đặc điểm biến thiên áp suất cháy, công suất và tiêu thụ nhiên liệu ở động cơ diesel.
Nếu φs quá lớn, nhiên liệu được phun vào buồng đốt khi áp suất và nhiệt độ của không khí nén vẫn còn thấp, quá trình chuẩn bị cho nhiên liệu phát hoả diễn ra chậm. Kết quả là tại thời điểm phát hoả, trong buồng đốt đã tập trung một phần lớn lượng
nhiên liệu chu trình (gi lớn). Lượng nhiên liệu này sẽ bốc cháy mãnh liệt trong điều kiện nồng độ oxy lớn và thể tích của không gian công tác nhỏ, áp suất cháy cực đại (pz) và tốc độ tăng áp suất (wp) sẽ lớn và động cơ làm việc rung giật hơn (đường 1).
Nếu φs quá nhỏ, động cơ làm việc ít rung giật hơn nhưng công suất và hiệu suất của động cơ sẽ giảm do lượng nhiên liệu cháy rớt nhiều hơn.
Hình 2.18.Ảnh hưởng của góc phun sớm nhiên liệu đến một số thông số công tác
của động cơ diesel
2.1.3.5. Tốc độ quay của động cơ (n)
Tốc độ quay ảnh hưởng đến quá trình cháy theo hai chiều trái ngược nhau. Tốc độ quay tăng sẽ làm tăng chất lượng phun nhiên liệu và tăng cường độ chuyển động rối của MCCT, điều đó có ảnh hưởng tốt đến quá trình cháy. Tuy nhiên, tốc độ quay càng cao thì góc cháy càng lớn. Nếu tốc độ tạo HHC không thỏa đáng thì lượng nhiên liệu cháy rớt sẽ tăng tăng nhanh. Chính vì vậy, để nâng cao tốc độ quay của động cơ Diesel, nguời ta phải áp dụng các biện pháp nhằm tăng tốc quá trình tạo HHC, phát hoả và cháy, ví dụ: sử dụng nhiên liệu có số cetane cao, hệ thống phun nhiên liệu kiểu bơm cao áp-vòi phun liên hợp với áp suất phun rất lớn (tới 1500 bar) để phun nhiên liệu thành hạt rất nhỏ, buồng đốt ngăn cách để tạo hiệu ứng nhiệt, hiệu ứng phun thứ cấp và chuyển động rối rất mạnh của MCCT …
2.1.3.6. Tải của động cơ
Tải của động cơ cũng ảnh hưởng đến quá trình cháy theo hai chiều hướng ngược nhau. Ở những chế độ tải lớn hơn, nhiệt độ và áp suất trong xylanh cao hơn sẽ có tác dụng tăng tốc độ cháy. Tuy nhiên, để đốt cháy hoàn toàn lượng nhiên liệu chu trình lớn hơn cần phải có nhiều thời gian hơn. Khác với động cơ xăng, mức độ tăng tốc độ cháy thường không bù đắp hết mức độ tăng thời gian cháy nên ở động cơ Diesel thường phải tăng góc phun sớm khi tăng tải để đảm bảo yêu cầu cháy gần ĐCT.
2.1.4. Quá trình phun và điều khiển phun nhiên liệu của hệ thống nhiên liệu Common Rail Common Rail
2.1.4.1. Quá trình phun nhiên liệu
Hình 2.19. Đồ thị thể hiện áp suất phun khi có phun mồi
Quá trình phun nhiên liệu của hệ thống nhiên liệu Comon Rail được điều khiển phun bằng điện tử nên có thể tổ chức phun thành ba giai đoạn, bao gồm: Phun mồi, phun chính và phun sau.
Phun mồi tạo ra những phần tử hoạt tính là các trung tâm cháy sau này.Sau đó, quá trình hình thành và tích tụ các phần tử hoạt tính tiếp tục xảy ra một cách tự nhiên thông qua các phản ứng dây chuyền phân nhánh. Phun mồi trước khi phun chính làm giảm tốc độ tăng áp suất khi cháy do hạn chế lượng nhiên liệu tham gia chuẩn bị trong giai đoạn cháy trễ nên động cơ làm việc êm hơn, tiếng gõ đặc thù của động cơ diesel giảm.
Phun chính có lượng phun nhiều hơn, quá trình cháy của động cơ chỉ thực sự diễn ra sau khi quá trình phun chính được thự hiện. Công suất đầu ra của đông cơ xuất phát từ giai đoạn phun chính tiếp theo giai đoạn phun sơ khởi. Điều này có nghĩa là giai đoạn phun chính giúp tăng lực kéo của động cơ. Áp suất phun vẫn giữ không đổi trong suốt quá trình phun.
Phun sau có tác dụng gia nhiệt trong quá trình giãn nở để tăng cường phản ứng oxy hóa các chất độc hại trong khí thải như CO, CmHn và muội than. Phun sau không có tác dụng sinh công lớn mà chủ yếu để tận dụng nhiệt trên đường dãn nở để oxy hóa tiếp các thành phần độc hại.
2.1.4.2.Quá trình điều khiển phun nhiên liệu của hệ thống nhiên liệu Common Rail
Qua hình 2.30 ta nhận thấy rằng để điều khiển được quá trình phun nhiên liệu thì có các tín hiệu điều khiển (các thông số đầu vào) cần phải được thu thập hoặc là đặt mặc định đối với từng loại động cơ. Các thông số điều khiển vòi phun bao gồm các thời điểm phun và thời gian phun cũng như số lần phun mồi.Các lần phun đều có mối quan hệ và phụ thuộc lẫn nhau.
Chúng ta thấy rằng tổ chức phun được chia làm ba lần: phun mồi, phun chính và phun sau. Phun mồi là phun một ít nhiên liệu trước khi phun chính. Phun chính là lần phun nhiên liệu chính để có thể tạo ra công suất cho động cơ, hầu hết nhiên liệu được phun ở lần phun này. Phun sau là phun thêm nhiên liệu để đốt cháy hết nhiên liệu chưa cháy.Vai trò của từng lần phun có ý nghĩa khác nhau.Phun mồi giúp cho động cơ Diesel tạo ra được hỗn hợp đồng nhất dẫn đến giảm được thời gian cháy trễ vì vậy động cơ sẽ cháy tốt hơn, giảm ∆p/∆φ nên động cơ hoạt động êm dịu hơn. Chính yếu tố này mà ngày nay động cơ Diesel được ứng dụng rất rộng rãi cho rất nhiều loại động cơ khác nhau kể cả xe con. Phun chính có tác dụng cung cấp đúng, đủ lượng nhiên liệu để tạo ra được công suất lớn nhất cho động cơ.Phun sau có tác dụng cháy tiếp và phân hủy các thành phần độc hại trước khi được thải ra môi trường ở đây là chủ yếu là khử thành phần CmHn chưa cháy hết.
Hình 2.20. Sơ đồ các tham số điều khiển
+Cơ sở để xác định bài toán tối ưu góc phun sớm
Cũng như chương trình tính toán lượng nhiên liệu phun vào động cơ thì việc tính toán để xác định thời điểm phun nhiên liệu tối ưu vào động cơ chính là xác định góc
phun sớm tối ưu của động cơ (góc phun chính là góc quay của trục khuỷu).Sau khi tìm được góc phun tối ưu thì sẽ được nạp vào ROM của ECU để điều khiển động cơ. Xác