Cơ khí chế tạo máy - Cơ chế động học của sự bốc cháy trong động cơ đốt trong

A- CƠ CHẾ ĐỘNG HỌC CỦA SỰ BỐC CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG: Bốc cháy ở nhiệt độ thấp với nhiều giai đoạn: Có thể chia làm hai giai đoạn: 1-Giai đoạn một: Hình thành ngọn lửa nguội. Ở động cơ diesel khi phun nhiên liệu vào, nhiệt độ xi lanh lúc này thấp không đủ phân hủy các phần tử cacbua hydro mà chỉ tạo thành các peoxyt. Theo tác giả các peoxyt tích tụ ngày càng nhiều. Khi vượt quá giới hạn nồng độ nào đó nó mới đủ khả năng phân hủy các phần tử nhiên liệu thành các phần tử hoạt tính hình thành ngọn lửa phân bố đều khắp thể tích khuyếch tán. Lúc này P & T chưa tăng. 2-Giai đoạn hai: Hình thành ngọn lửa nóng. Phần tử hoạt tính xuất hiện ở giai đoạn một theo sự phản ứng của dây truyền nhiệt ngày càng tăng. Khi tốc độ phản ứng đạt đến W K , PƯDTN chuyển qua tự gia tốc nhiệt ngọn lửa thực sự hình thành nhiên liệu tự bốc cháy.. B- BẢN CHẤT CỦA CHÁY KHUYẾCH TÁN: Là quá trình cháy trong đó tốc độ cháy được quyết định bởi sự hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí. Khi nhiên liệu được phun vào xi lanh động cơ, hỗn hợp được tạo không đồng nhất, có vùng  = (0,8 - 0,9), có vùng  = (4 - 5) Ở những vùng  = 0,8 - 0,9 tốc độ phản ứng và nhiệt độ của sản vật cháy rất cao, những vùng này là những trung tâm đốt cháy những vùng có hỗn hợp nghèo nhờ hiện tượng khuyếch tán. Động cơ diesel có thể cháy với hỗn hợp rất nghèo. C- DIỄN BIẾN QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ DIESEL: Chia làm 04 giai đoạn: I.GIAI ĐOẠNI: giai đoạn chuẩn bị cho quá trình cháy. * Điểm 1: điểm phun sớm nhiên liệu * 1 * Điểm 2: đường cong cháy tách khỏi đường cong nén * 2 *Nhiên liệu phun vào buồng cháy đuợc xé nhỏ, bay hơi hòa trộn với không khí tạo thành hổn hợp  bắt đầu hình thành những trung tâm tự cháy đầu tiên *Nhiên liệu phun vào chiếm (30  40)% gct (qui luật phun 2). Ở động cơ cao tốc nhiên liệu phun vào là 100% gct (qui luật phun 1) *Thông số đặt trưng cho giai đoạn này là thời giai cháy trể  i .  i là rất quan trọng nó ảnh huởng đến toàn bộ quá trình cháy. II.GIAI ĐOẠN II: giai đoạn phát triển của những trung tâm bốc cháy và lan tràn màn lửa. * 1 * 2 * 3 * 4 (Từ điểm 2  3): giai đoạn phát triển của những trung tâm bốc cháy và lan tràn màn lửa *Điểm 3: điểm đạt đuợc áp suất Max (P Zmax ) *Ở động cơ tốc độ thấp và trung bình nhiên liệu vẫn tiếp tục phun vào và kết thúc phun vào cuối giai đoạn này *Tốc độ cháy tăng nhanh, tốc độ tăng P & T nhanh. Aùp suất đạt Max tại điểm 3. *Tốc độ toả nhiệt tăng Max. *Tốc độ tăng trung bình của áp suất phụ thuộc vào thời gian cháy trể, số luợng nhiên liệu ít hay nhiều, việc cung cấp nhiên liệu nhanh hay chậm. *Để đánh giá chất lượng giai đoạn này ta dùng tỉ số tăng áp suất trung bình P/: đặc trưng cho độ êm dịu của động cơ -Nếu P/ bé  động cơ làm việc êm, không gây tiếng gỏ -Nếu P/ lớn  động cơ làm việc không êm, có tiếng gỏ P/ = (0,2  0,6)MN/m2.độ. III.GIAI ĐOẠN III: giai đoạn cháy chính. (Từ điểm 3  4): giai đoạn cháy chính khối luợng hổn hợp công tác. *Điểm 4 : đạt đuợc T Max *Tốc độ cháy , tốc độ toả nhiệt giảm dần vì: -Nồng độ O 2 giảm (oxy ít dần) -Sản vật cháy tăng dần. *Nhiên liệu không còn cung cấp ở giai đoạn này *Nhiệt độ tăng T Max nhưng áp suất trong xi lanh giảm (vì V b/cháy tăng) *Nhiệt luợng toả ra = (40 50 )%: Gọi là giai đoạn cháy chính. IV.GIAI ĐOẠN IV: giai đoạn cháy rớt. *Điểm 5: điểm kết thúc quá trình cháy, tại đây tốc độ cháy = 0. P, T  nhanh. *Giai đoạn cháy rớt dài sẽ làm cho nhiệt độ khí thải   tổn thất nhiệt   tính kinh tế động cơ . Muốn rút ngắn giai đoạn cháy rớt này cần phải hoàn thiện quá trình hổn hợp, tăng cường vận động xoáy lốc của buồng cháy và không cung cấp nhiên liệu ở giai đọan III Nói chung: giai đọan IV dài hay ngắn phụ thuộc vào mức độ xóay lốc, thời gian phun nhiên liệu và mức độ phun tơi nhiên liệu. Xem hình mô tả diễn biến Sự phun nhiên liệu và tỉ số A/F theo tải Xem C 220 CDI Sự phát triển của chùm tia nhiên liệu và sự cháy theo góc độ trục khuỷu Xem diễn biến D- PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ DIESEL: 1. Góc phun sớm nhiên liệu: Đồ thị công động cơ diesel ở các góc phun sớm khác nhau (n = 1700 v/p), gct: lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình không đổi a.Góc phun sớm quá lớn: Tăng góc phun sớm: tại thời điểm phun nhiên liệu P & T trong xi lanh nhỏ do đó  i   lượng nhiên liệu phun vào nhiều  lượng nhiên liệu cháy ở ĐCT nhiều, điểm đạt Pzmax lùi dần về ĐCT  P/  lớn, động cơ làm việc không êm. b.Góc phun sớm quá nhỏ: i  P/  nhỏ, động cơ làm việc êm tuy nhiên nhiên liệu cháy không được hoàn toàn  Ne và tính kinh tế động cơ giảm. Góc phun sớm tốt nhất: 20 0 trước ĐCT 2.Tính chất nhiên liệu: Nhiên liệu có số cetanne càng lớn thời gian cháy trễ càng ngắn, động cơ làm việc êm và ngược lại. Aûnh hưởng của thời gian cháy trễ tới đặc tính của đồ thị công động cơ diesel trong quan hệ phụ thuộc với số cetanne 52, 42, 29. 3. Chất lượng phun nhiên liệu và qui luật phun nhiên liệu: * Khi tăng áp suất phun, nhiên liệu sẽ được phun tơi, dễ bay hơi và hòa trộn với không khí  quá trình cháy hoàn hảo hơn.Đường kính hạt nhiên liệu [f] =(10-40) mm. *Động cơ cao tốc nhiên liệu được phun vào giai đoạn một của quá trình cháy là 100% gct. *Động cơ trung bình và thấp tốc nhiên liệu được phun vào giai đoạn một của quá trình cháy là 30-40% gct và kết thúc phun ở giai đoạn hai. 4.Tỉ số nén: e   T & P lúc bắt đầu phun nhiên liệu  P/  nhỏ, động cơ làm việc êm. Nếu e quá lớn, lực tác dụng lên cơ cấu piston- khuỷu-bielle quá lớn, do đó giãm tuổi thọ các chi tiết trong động cơ. 5.Số vòng quay động cơ n: Khi thay đổi số vòng quay n thì điều kiện nạp, chất lượng phun, cường độ xoáy lốc dòng khí và thời gian cháy sẽ thay đổi. Khi tăng số vòng quay n thì thời gian cháy trễ i sẽ giãm, thời gian cháy  giãm. Nhiên liệu cháy không hết ảnh hưởng đến Ne của động cơ, khí thải độc hại ô nhiễm môi trường Mặc khác khi tăng số vòng quay n, chuyển động rối trong xi lanh được tăng cường làm cho quá trình cháy tốt hơn. Nhưng ảnh hưởng của nhiên liệu cháy không hết làm giãm Ne của động cơ, khí thải nhã khói đen độc hại ô nhiễm môi trường tác động xấu đến con người. Do đó khi tăng n thì phải tăng góc phun sớm. 6. Kết cấu buồng cháy 7. Điều kiện nạp khí nạp mới: Khi tăng áp làm cho M1 tăng, áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nạp tăng, rút ngắn thời gian hình thành hỗn hợp cháy, Li tăng, Ne tăng. 8. Vật liệu làm piston - xi lanh: Nếu bề mặt buồng cháy nóng   i  . Vì thế đối với piston bằng gang có t 0 > t 0 piston bằng hợp kim nhôm   i nhỏ, động cơ làm việc êm. Phun nhiên liệu trong động cơ diesel 1.Các đặc trưng của tia phun diesel. 2.Aûnh hưởng các yếu tố khác nhau đến tia phun. Các phương pháp hình thành hỗn hợp trong buồng cháy động cơ diesel 1-Hình thành hỗn hợp trong buồng cháy thống nhất. Kết cấu buồng cháy thống nhất. 2-Hình thành hỗn hợp trong buồng cháy dự bị, xoáy lốc. Kết cấu buồng cháy dự bị, xoáy lốc. 3-Hình thành hỗn hợp trong buồng cháy Lanova. Kết cấu buồng cháy Lanova. CÂN BẰNG NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ DIESEL Phương trình cân bằng nhiệt Qcz = Lcz + Uz - Uc (1) Qcz = Lcz + Ucz *Qcz = Nhiệt lượng nhận được của quá trình cz *Lcz = Công của quá trình cz. *Uz, Uc = Biến thiên nội năng của điểm z và c. Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp: * Cháy đẳng tích cz. * Cháy đẳng áp z’z. *Để đánh giá mức độ lợi dụng nhiệt tại điểm z dùng hệ số lợi dụng nhiệt z và được tính bằng: z = Qcz / Q H Qcz = z.Q H * r = Vz/Vc Pz’ = Pz = l Pc *Lcz = Công của quá trình cz: Lcz =Lcz’ + Lz’z Lcz’ = 0  Lcz = Lz’z = Pz.Vz - Pz’.Vc Ta có: Pz.Vz = Mz.R.Tz, l Pc.Vc = l Mc.R.Tc *Lcz = R (Mz.Tz - l Mc.Tc) Ucz = Uz - Uc = Mz.C”vz.Tz - Mc.C’vc.Tc z.Q H = R (Mz.Tz - l Mc.Tc)+(Mz.C’’vz.Tz) - (Mc.C’vc.Tc) (1) z.Q H + Mc.Tc(C’vc + lR) =Mz.Tz.(R + C”vz) Mz / Mc = bz, C”vz = a v + b.Tz, C”pz = (a v + R) + (b.Tz) {(z.Q H )/[M1(1+gr)]} + (C’vc + lR).Tc = (bz.Tz)(av + R + b.Tz) = (bz.Tz)(a P + b.Tz) (2) {(z.Q H )/[M1(1+gr)]} + (C’vc + lR).Tc = (bz.Tz)(av + R + b.Tz) = (bz.Tz)(a P + b.Tz) (2) *Phương trình (2) đưa về dạng: A.T 2 z + B.Tz + C = 0 Giải phương trình bậc hai có hai nghiệm: chọn một nghiệm cho thỏa mãn Tz  [Tz] Chú ý: Phương trình còn hai ẩn là l và Tz. Chọn l  Tz XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ 1.Aùp suất cuối quá trình cháy Pz: Pz = (Pc.bz.Tz)/Tc  [Pz] Pz = l Pc 2.Tỉ số tăng áp suất l : l = Pz/Pc l = (bz/r).(Tz/Tc) 3.Tỉ số giãn nở ban đầu r : r = (bz/ l ).(Tz/Tc)r = Vz/Vc Diesel buồng cháy thống nhất l = 1,6 -2,5 Diesel buồng cháy ngăn cách l = 1,2 -1,8 r = 1,2 -1,7