Chương 1 NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ XĂNG Mục tiêu: - Trình bày được tính chất, tiêu chuẩn chất lượng của xăng - Trình bày được hiện tượng kích nổ và vai trò của trị số ốc tan trong việc chống kích nổ của xăng - Xác định đúng loại xăng cho động cơ - Tuân thủ đúng quy định, quy phạm về kỹ thuật an toàn lao động. NHIÊN LIỆU VÀ BỘ CHẾ HÒA KHÍ Động cơ sử dụng bộ chế hòa khí thường gọi theo nhiên liệu sử dụng là động cơ xăng. Loại động cơ này đang được sử dụng rộng rãi trên các máy móc, phương tiện kỹ thuật như ô tô, máy kéo, máy phát điện, động cơ tĩnh tại. Xăng là nhiên liệu nhẹ được chưng cất từ dầu mỏ chuyên sử dụng cho các loại động cơ đốt trong dạng đốt cháy cưỡng bức.
Ưu điểm của loại động cơ bộ chế hòa khí là cấu tạo đơn giản, làm việc ổn định nhưng lại có yêu cầu khắt khe về nhiên liệu, đặc biệt là tính bay hơi. Quá trình hòa khí Quá trình tạo hỗn hợp cháy gồm nhiên liệu và không khí được thực hiện bên ngoài buồng đốt nhờ bộ chế hòa khí (hình 1. Động cơ bộ chế hòa khí có loại động cơ 4 kỳ và động cơ 2 kỳ. Ở đây chỉ giới thiệu quá trình làm việc của động cơ bộ chế hòa khí 4 kỳ.
Nhiên liệu từ bình chứa qua bình lọc đến buồng phao nhờ có bơm hoặc tự chảy. Khi piston đi từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới thực hiện quá trình hút thì xu páp hút mở, xu páp xả đóng, thể tích buồng đốt tăng lên, áp suất trong buồng đốt giảm xuống. Do sự chênh lệch áp suất trong xilanh và ngoài môi trường nên không khí từ ngoài môi trường bị hút qua bình lọc vào cổ hút của bộ chế hòa khí tới xilanh buồng đốt. Tại cổ hút tiết diện nhỏ nhất nên vận tốc của không khí tăng lên, áp suất tĩnh tại đây giảm xuống tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa buồng phao với miệng của đường dẫn xăng tại cổ hút.
Nhờ sự chênh lệch áp suất đó nhiên liệu từ buồng phao chảy vào cổ hút. Tại đây nhiên liệu gặp dòng khí chuyển động mạnh nên bị xé thành các hạt nhỏ khoảng 0,01mm và hòa trộn với không khí rồi bay hơi tạo thành hỗn hợp cháy, theo ống hút đi qua xu páp hút vào trong buồng đốt. Giảng viên biên soạn: Nguyễn Quang Hiển 14 Trường CĐN Hà Nam Giáo trình nhiên liệu dầu mỡ, nước làm mát Hình 1. Sơ đồ làm việc của động cơ bộ chế hòa khí 4 kỳ 1.Xupáphút 13 Buống đốt 2.
Đường dẫn xăng chính 10.Eo hút chế hòa khí 1I.Ống xả khí 15. Ống phản phối 4. Bầu lọc khí 12. Bướm ga Khi piston từ điểm chết dưới đi lên điểm chết trên thì xu páp hút và xupáp xả đều đóng làm cho hỗn hợp cháy bị nén lại, áp suất và nhiệt độ tăng lên tạo điều kiện cho các hạt sương nhiên liệu kịp bốc hơi ở trong bộ chế hòa khí và ở ống hút tiếp tục bốc hơi.
Khi piston tới gần điểm chết trên, bu gỉ bật tía lửa điện, hỗn hợp bắt cháy và chấy tạo ra sản phẩm cháy gồm chủ yếu là nước và khí CO2. Áp suất và nhiệt độ tăng cao, tãng nhanh nhất khi piston đến điểm chết trên, theo quán tính tạo ra lực đẩy, đẩy piston đi xuống diểm chết dưới thực hiện quá trình giãn nở sinh công. Khi piston tới điểm chết dưới, theo quán tính lại đi lên điểm chết trên thực hiện quá trình xả và làm sạch, lúc này xupáp hút đóng, xu páp xả mở. Khi tới điểm chết trên, theo quán tính piston lại đi xuống và lặp lại chu trình trên.
Tỷ lệ hòa khí Để nhiên liệu trong buồng đốt bắt cháy và cháy được, tỷ lệ hòa khí phải thỏa mãn các điều kiện sau: - Nhiên liệu phải ở dạng hơi với thành phần đồng nhất trong thể tích buồng đốt. - Nhiệt độ hỗn hợp hơi nhiên liệu - không khí phải đạt tới một trị số nhất định đủ để nhiên liệu bắt cháy. Người ta thường biểu thị thành phần hỗn hợp cháy bằng nồng độ hơi nhiên liệu hoặc phổ biến hơn bằng hệ số dư không khí α. Giảng viên biên soạn: Nguyễn Quang Hiển 15 Trường CĐN Hà Nam Giáo trình nhiên liệu dầu mỡ, nước làm mát Hệ số dư không khí là đại lượng biểu thị tỷ số giữa lượng không khí tiêu thụ thực tế với lượng khóng khí cần thiết theo lý thuyết để đốt cháy một lượng nhiên liệu đó.
𝐿𝑡𝑡 ∝= 𝐿𝑙𝑡 Trong đó: + Ltt : Lượng không khí tiêu thụ thực tế (kg) + Llt : Lượng không khí cần thiết theo lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn lượng nhiên liệu đã cho (kg). Khi biết chính xác thành phần các nguyên tố trong nhiên liệu, có thể xác định L theo công thức: Trong đó: + H,C, O: Tỷ lệ % của hydro, các bon và ôxy trong nhiên liệu. + 23: Tỷ lệ % của ô xy trong không khí ở điều kiện tiêu chuẩn. Trong thực tế để đốt cháy hoàn toàn 1kg xăng ở áp suất 1at, nhiệt độ 20°C cần tiêu tốn 12,5 kg không khí.
Dựa vào hệ số dư không khí người ta phân hỗn hợp thành 3 loại: + α = 1- hỗn hợp bình thường. + α < ] - hỗn hợp giàu nhiên liệu. + α > 1 - hỗn hợp nghèo nhiên liệu. Hệ số dư không khí phải nằm trong một giới hạn nhất định để hỗn hợp nhiền liệu - không khí cháy tốt.
Người ta phân ra giới hạn bắt cháy trên và bắt cháy dưới. Hệ số dư không khí giới hạn trên là giá trị hệ số dư không khí lớn nhất Chỗn hợp nghèo nhất) mà nếu lớn hơn giá trị đó hỗn hợp cháy không thể bắt cháy được. Giá trị hệ số dư không khí giới hạn dưới là giá trị nhỏ nhất (hỗn hợp giàu nhất) mà nếu nhỏ hơn giá trị đó hỗn hợp cháy không thể bắt cháy được. Đối với động cơ bộ chế hòa khí giới hạn dưới của hệ số α = 0,4 và giới hạn trên của hệ số α = 1.
Để nhiên liệu cháy hoàn toàn và đạt hiệu quả kinh tế cao trong vận hành động cơ, hệ số α = 1,05. Giới hạn cháy rất quan trọng đối với các loại nhiên liệu. Khi khởi động, động cơ còn đang nguội, nhiên liệu phải bay hơi mạnh sao cho nồng độ hơi trong hỗn hợp cháy phải lớn hơn giới hạn bắt cháy đưới (hôn hợp giàu). Muốn vậy nhiên liệu phải chứa một thành phần nhất định dễ bay hơi.
Khi động cơ đang hoạt động có thể xảy ra hiện tượng hơi nhiên liệu quá nhiều làm cho hỗn hợp cháy quá giàu, vượt quá giới hạn bắt cháy dưới điều đó có thể dẫn tới động cơ ngừng hoạt động. Giảng viên biên soạn: Nguyễn Quang Hiển 16 Trường CĐN Hà Nam Giáo trình nhiên liệu dầu mỡ, nước làm mát II. NHIÊN LIỆU XĂNG 1. Hiện tượng kích nổ Trong quá trình làm việc động cơ có thể xảy ra hiện tượng cháy không bình thường.
Hiện tượng kích nổ và cháy do sự nung nóng hay xảy ra nhất. Chúng làm giảm công suất động cơ và hiệu quả sử dụng nhiên liệu, phá hủy các chỉ tiết dẫn tới tuổi thọ động cơ bị giảm. Cháy kích nổ Đây là hiện tượng cháy không bình thường hay gặp nhất và gây hậu quả nghiêm trọng nhất. Nó xuất hiện khi sử dụng xăng với trị số ốctan thấp hơn quy định hoặc do chế độ làm việc của động cơ không đáp ứng yêu cầu khai thác sử dụng.
Cháy kích nổ diễn ra như sau: Giai đoạn 1 và đầu giai đoạn 2 điễn ra như cháy bình thường. Cuối giai đoạn 2, khi bề mặt của ngọn lửa đã cháy hết phần lớn hỗn hợp công tác, vận tốc cháy chậm lại. Sau đó, đột ngột, phần hỗn hợp công tác chưa cháy bắt đầu cháy rất nhanh với tốc độ rất lớn (2000m/s). Nhiệt độ và áp suất tăng đột ngội, cục bộ.
Sóng xung kích đập vào buồng đốt gây ra tiếng gõ kim loại mạnh. Nhiệt độ nắp máy và thân máy tăng lên, công suất động cơ giảm. Nhiệt độ khí xả giảm, trong khí xả chứa nhiều thành phần chưa cháy triệt để có màu đen. Bản chất và cơ chế của hiện tượng cháy kích nổ được nhà bác học Ba-khơ giải thích theo thuyết peroxit.
Theo thuyết này các hyđrôcacbon khi ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao sẽ bị ô xy hóa tạo ra hợp chất peroxit (-O-O-) dạng alkylperoxit (ROOR). Đây là những hợp chất rất kém bền, dễ bị phân hủy, tạo ra nhiều gốc tự do có hoạt tính hóa học cao, tỏa ra nhiều năng lượng. Do nhiệt độ và áp suất trong buồng đốt cao, thời gian có mặt trong buồng đốt lâu nên những phần nhiền liệu còn lại ở cuối giai doạn 2 sẽ tích tụ nhiều hợp chất peroxit. Nếu nồng độ peroxit tích tụ chưa đạt tới giá trị tới hạn thì quá trình cháy sẽ diên ra bình thường.
Nếu nồng độ peroxit tích tụ rong phần nhiên liệu chưa cháy tại một vị trí nào đó (điểm A.2) vượt quá giá trị tới hạn sẽ dẫn tới quá trình phân hủy peroxit mãnh liệt, tỏa nhiều nhiệt, thúc đẩy phản ứng ôxy hóa dây chuyền làm xuất hiện ngọn lửa. Do thành phần hỗn hợp công tác quanh điểm A được chuẩn bị kỹ, có các biến đổi trước khi cháy tương tự nhau nên khi có mồi lửa, bắt cháy và cháy rất nhanh, tạo ra sóng xung kích. Sóng xung kích này gặp Sóng xung kích của bề mặt ngọn lửa chính (từ bugi - hình 1.2b) hoặc cộng hưởng với sóng xung kích phần hồi từ thành buồng đốt kích thích làm cho toàn bộ phần nhiên liệu chưa cháy sẽ cháy gân như tức thời (từ điểm Ð - hình 1. Giảng viên biên soạn: Nguyễn Quang Hiển 17 Trường CĐN Hà Nam Giáo trình nhiên liệu dầu mỡ, nước làm mát a-a: Vị trí bề mặt ngọn lửa ở thời điểm bắt đầu kích nổ; A: Vùng ngọn lửa tự cháy; Ð, ĐI, Ð2; Sự xuất hiện và lan truyền sóng kích nổ.
a- 1-3: Sự lan truyền tức thời của vùng chấy A; 01-04: Sóng xung kích; 1-3: Sóng xung kích phản hồi. b- 1-3 và 1-3: Sóng xung kích của bề mặt ngọn lửa và vùng tự cháy A. Cháy do sự nung nóng Trong thời gian hoạt động của động cơ, có một số nguyên nhân dẫn đến nhiệt độ trong x¡ lanh lên cao, một số bề mặt trở nên nóng sáng trở thành mồi lửa cho hỗn hợp công tác bắt cháy và cháy. Hiện tượng cháy này xảy ra tùy tiện, không phụ thuộc vào bugi đánh lửa nên phá vỡ hoạt động bình thường của động cơ, tổn hao nhiên liệu, giảm công suất.
