CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Quá trình cháy trong động cơ xăng và các nhân tố ảnh hưởng [1],[3] 1.1 Diễn biến của quá trình cháy trong động cơ xăng Hình 1. Quá trình cháy của động cơ xăng I - cháy trễ; II - cháy nhanh; III - cháy rớt; 1 - đánh lửa; 2 - hình thành màng lửa trung tâm; 3 - áp suất lớn nhất pz Quá trình cháy của động cơ xăng được bắt đầu tính từ lúc bugi bật tia lửa điện (1) để hình thành trung tâm cháy và hình thành nên màng lửa, màng lửa được lan truyền cới tốc độ tăng dần theo mọi hướng trong không gian buồng cháy để đốt cháy hết hoà khí nhằm giúp cho hoà khí được cháy hết, cháy kịp thời.
Về mặt kết cấu, người ta bố trí sao cho bugi bật tia lửa điện trước ĐCT một góc θ (θ là góc đánh lửa sớm).1 giới thiệu một đồ thị P- f(φ) điển hình của quá trình cháy. 1- là điểm mà bugi bắt đầu bật tia lửa điện cách ĐCT 1 góc ố được gọi là góc đánh lửa sớm; điểm 2 - là điểm đường áp suất tách khỏi đường cong nén; điểm 3 - là thời điểm áp suất cực đại. Dựa vào đặc trưng biến thiên áp suất trên đồ thị P - ử người ta chia quá trình cháy của động cơ xăng ra làm ba thời kỳ: a) Thời kỳ cháy trễ I (điểm1 đến điểm 2) Quá trình cháy trễ được tình từ lúc bugi bắt đầu bật tia lửa điện điểm 1 cho đến khi đường cong cháy tách khỏi đường cong nén điểm 2, ở thời kỳ này áp suất trong xilanh thay đổi tương tự như thời kỳ nén, lúc này trong không gian buông cháy xuất hiện một nguồn lửa được gọi là màng lửa trung tâm, quá trình cháy chưa được cháy ngay mà xuất hiện một loạt các phản ứng sơ bộ vì thế nhiệt lượng toả ra ở thời kỳ này rất nhỏ coi đường 3 cong cháy trùng với đường cong nén. Thời kỳ cháy trễ dài hay ngắn phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén và năng lượng của tia lửa điện… b) Thời kỳ cháy nhanh II (điểm 2 đến điểm 3) Thời kỳ cháy nhanh được tính từ khi đường cong cháy tách khỏi đường cong nén và đạt được áp suất và nhiệt độ cực đại.
Trong thời kỳ này màng lửa lan truyền với tốc độ tăng dần, hoà khí trong xilanh có phản ứng oxy hoá ngày một mãnh liệt, màng lửa lan truyền khắp không gian buồng cháy, nhiệt lượng toả ra nhiều trong khi đó dung tích của xilanh hầu như không thay đổi. Thể tích không thay đổi sẽ làm cho áp suất và nhiệt độ tăng nhanh đây là giai đoạn cháy chính của động cơ.2 giới thiệu sơ đồ lan truyền màng lửa Hình 1. Sơ đồ lan truyền màng lửa trong thời kỳ cháy nhanh của động cơ xăng. Tốc độ lan truyền và1diện - sảntích vật cháy; màng2lửa- hòa khílớn càng chưa sẽ làm cho cháy tốc độ cháy và nhảbị nhiệt chèn ép; càng3 -lớn trung tâm làm phát cho công suất và hiệu suất của hỏađộng cơ 4-được tự cháy; màngcảilửathiện tốt hơn.
Nhưng nếu tốc độ cháy quá lớn sẽ làm tăng tốc độ tăng áp suất gây va đập và tiếng ồn làm giảm tuổi thọ của động cơ. c) Thời kỳ cháy rớt III tính từ điểm 3 trở đi. Do hoà khí phân bố không đều, điều kiện áp suất và nhiệt đổ ở mọi khu vực trong buồng cháy không hoàn toàn giống nhau nên vẫn còn những khu vực nhiên liệu chưa cháy hết. Trong thời kỳ này lượng nhiệt nhả ra tương đối ít, dung tích xilanh lại tăng nhanh nên áp suất trong xilanh giảm dần.
Thời kỳ cháy rớt dài hay ngắn phụ thuộc vào kết cấu của buồng cháy và vị trí đặt bugi, cá biệt có trường hợp quá trình cháy lan cả sang thời kỳ xả. Những hiện tượng cháy không bình thường 1. Cháy kích nổ * Hiện tượng cháy kích nổ Hiện tượng tự cháy của hoà khí khi màng lửa chưa lan truyền tới gọi làn hiện tượng cháy kích nổ. Tốc dộ lan truyền màng lửa của hiện tượng cháy kích nổ rất lớn có thể đạt tới 1500 ÷ 2000 m/s làm cho hoà khí chưa cháy được bốc cháy với tốc độ cực lớn, làm cho áp suất và nhiệt độ tăng lên đột ngột tạo nên sóng áp suất va đập vào thành vách xilanh tạo nên tiếng gõ của kim loại sắc và đanh.3 giới thiệu đồ thị P-V và đồ thị 4 P-φ của hiện tượng cháy kích nổ.
Từ đồ thị ta thấy, áp suất môi chất cuối quá trình cháy nhanh dao động rất lớn. * Các nhân tố ảnh hưởng tới kích nổ Nếu thời gian lan truyền màng lửa t 1 nhỏ hơn thời gian từ lúc màng lửa bắt đầu lan truyền đến khi hoà khí chưa cháy phát hoả t2 sẽ không có kích nổ. Còn nếu t1 > t2 sẽ xảy ra kích nổ. Có rất nhiều các nhân tố gây ảnh hưởng đến kích nổ như: Chỉ số ốctan, tỉ số nén ồ, cấu tạo buồng đốt, thời gian đánh lửa, thành phân hoà khí và chế độ làm việc của động cơ…Ngoài ra, chỉ số ốctan có ảnh hưởng quyết định đến sự phát sinh cũng như cường độ cháy kích nổ, chỉ số ốctan càng cao thì hiện tượng kích nổ càng khó xảy ra và ngược lại.
Cháy kích nổ a) đồ thị p - V ; b) đồ thị p – φ 1. Cháy sớm Cháy sớm là hiện tượng bốc cháy của hoà khí trước khi bugi bật tia lửa điện, hiện tượng đó làm sai quy luật cháy bình thường của động cơ nguyên nhân là do muội than bám trên cực bugi hoặc tán xupáp…hiện tượng cháy sớm gây ra tiếng gõ mạnh hơi trầm, làm cho áp suất tăng cao gây phụ tải cho động cơ. Hiện tượng cháy sớm và kích nổ là hai hiện tượng riêng rẽ với nhau nhưng chúng lại có quan hệ tương hỗ với nhau. Khi hiện tượng cháy sớm sảy ra sẽ gián tiếp gây ra hiện tượng kích nổ, kích nổ lại làm xuất hiện thêm nhiều mặt nóng làm cho hiện tượng cháy sớm mãnh liệt hơn.
Cả hiện tượng cháy sớm và cháy kích nổ đều có hại với động cơ. Hiện tượng cháy sớm 1. Những hiện tượng cháy không bình thường khác - Hiện tượng ngắt điện nhưng động cơ vẫn còn làm việc bình thường khá lâu ở chế độ không tải, tạo ra tiếng gõ máy rất đanh và không ổn định hiện tượng đó là do động cơ có tỉ số nén cao làm cho hoà khí tự bốc cháy khi nén. - Hiện tượng nổ trên ống xả nguyên nhân là do hiện tượng bỏ lửa của một vài xilanh tạo nên sự tồn tại của hoà khí chưa cháy trên đường thải, số hoà khí trên được châm cháy bởi khí thải của một số xilanh khác hoặc do góc đánh lửa muộn của một số động cơ.
Các nhân tố ảnh hưởng tới quá trình cháy của động cơ xăng 1. Ảnh hưởng của chất lượng hoà khí tới quá trình cháy * Thành phần hoà khí. Quá trình cháy có thể được cháy kiệt và kịp thời hay không phụ thuộc vào tốc độ lan truyền màng lửa, mà thành phần hoà khí là nhân tố gây ảnh hưởng chính tới tốc độ lan truyền màng lửa. Kết quả thực nghiệm cho thấy với mỗi một thành phần hoà khí khác nhau sẽ có tốc độ lan truyền màng lửa khác nhau (H.5) với α = 0,85 ÷ 0,95 thì tốc độ lan truyền màng lửa cao nhất, áp suất và nhiệt độ cực đại cũng lớn nhất.
Nếu thành phần hoà khí nhạt dần đến một giá trị nào đó sẽ làm cho màng lửa không thể lan truyền được khiến cho động cơ hoạt động không ổn định hoặc có thể không hoạt động được. Còn nếu hoà khí quá đậm sẽ dẫn đến thiếu oxy hoà khí không cháy được. Thông thường thành phần hoà khí thường được giới hạn từ: α = 0,8 ÷ 1,2. Phân phối hoà khí vào các xilanh.
Trong động cơ nhiều xilanh chất lượng hoà khí còn liên quan đến sự phân phối số lượng và thành phần hoà khí vào các xilanh, nếu phân phối không đều thì các xilanh động cơ sử dụng hoà khí có thành phần và số lượng không đồng đều do đó làm giảm công suất và hiệu suất động cơ. Ảnh hưởng của thành phần hòa khí tới tốc độ lan truyền màng lửa u 1. Ảnh hưởng của tia lửa điện tới quá trình cháy Ảnh hưởng của tia lửa điện tới quá trình cháy gồm có: góc đánh lửa sớm, vị trí đặt bugi, năng lượng của tia lửa điện… *. Góc đánh lửa sớm Góc đánh lửa sớm ố (độ, góc quay trục khuỷu Hình 1.
Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm tới quá trình cháy H.40) được tính từ thời điểm bắt đầu bật tia lửa điện cho tới ĐCT, nó có ảnh hưởng tới quá trình cháy. 7 Góc đánh lửa sớm ố phụ thuộc vào tính chất của nhiên liệu, tốc độ và phụ tải của động cơ, ảnh hưởng đó được thể hiện trên hình 1. - Đồ thị công d, được xác định khi θ = 390, do phần hoà khí được bốc cháy ở trước ĐCT, điều đó không những làm cho áp suất trong xilanh tăng lên quá sớm mà còn làm tăng áp suất lớn nhất khi cháy. Nhiệt độ của hoà khí tăng cao sẽ làm tăng khuynh hướng kích nổ.
- Đồ thị công a được xác định khi θ = 00 do đánh lửa quá muộn nên quá trình cháy của hoà khí kéo dài sang thời kỳ giãn nở, áp suất và nhiệt độ cao nhất đều giảm, làm giảm hiệu suất của động cơ. - Đồ thị công được xác định khi θ = 260 đó là góc đánh lửa sớm hợp lý, quá trình cháy diễn ra triệt để, công Hình 1. Ảnh hưởng của vị trí và đặt bugi tới quá trình cháy hiệu suất J - xupáp nạp ; p - xupáp xả ; động A, B, C các vị trí đặt bugi cơ đạt giá trị cao nhất. Góc đánh lửa như vậy gọi là góc đánh lửa tối ưu.
* Vị trí đặt bugi. Vị trí đặt bugi trong buồng cháy gây ảnh hưởng lớn tới hiện tượng kích nổ. Khoảng cách từ bugi đến khu vực xa nhất của buồng cháy càng dài thì khuynh hướng kích nổ càng lớn. Nếu đặt bugi gần xupáp nạp, xa xupáp xả cũng làm tăng khuynh hướng kích nổ.
Vị trí của bugi trong buồng cháy khác nhau sẽ đòi hỏi số ốctan khác nhau của nhiên liệu H.7 Vị trí bugi A B C Số ốctan yêu cầu 90 92 94 Pe(x 105Pa) 9,4 9,2 9,0 *Loại bugi Khi chọn bugi phải dựa vào trạng thái phụ tải nhiệt cuả động cơ, phải đảm bảo cho động cơ hoạt động tốt ở tốc độ thấp và không gây đánh lửa bề mặt ở tốc độ cao, Hình 1.