Báo cáo khoa học: " Tạo hỗn hợp và cháy nhiên liệu trong động cơ điezen" ppsx

ính kinh tế
của động cơ,
tiếng ồn và
ứng suất cơ
học của cơ cấu trục
khuỷu thanh truyền
phụ thuộc nhiều vào
tốc độ biến hoá năng
của nhiên liệu thành
nhiệt năng.
Diễn biến thời
gian cấp nhiên liệu,
tính chất của nhiên
liệu có ý nghĩa quyết
định tới tốc độ phản
ứng hoá học, quá
trình tạo hỗn hợp giữa
nhiên liệu và không
khí. Nh vậy ta phải
điều chỉnh thật tốt
chùm tia nhiên liệu
trong buồng cháy.
Diễn biến thời
gian tạo hỗn hợp đợc
điều khiển bởi bản
thân kết cấu buồng
cháy bằng cách phân chia nhiên liệu thành hạt
nhỏ và mịn, kết hợp với xoáy lốc của không khí.
Khuynh hớng nghiên cứu hiện nay trên thế
giới là cố gắng hoàn thiện mức cao nhất các
thông số công suất của động cơ bằng cách tăng

xoáy lốc khi nạp trong buồng cháy ở trên đỉnh
pittông. Kết hợp với
nghiên cứu thực nghiệm
để tìm ra quy luật phun
nhiên liệu hợp lý nhất cho
mỗi loại động cơ.
Quy luật phun
nhiên liệu: Quy luật cháy
và toả nhiệt trong động cơ
có ý nghĩa quyết định tới
các thông số nh áp suất
cháy, hiệu suất nhiệt,
công suất, và thành phần
chất độc trong khí thải của
động cơ. Trong đó quy
luật phun nhiên liệu có ý
nghĩa quyết định tới chất
lợng phun sơng mù,
khả năng bốc hơi nhiên
liệu trong buồng cháy.
Quan hệ giữa quy luật
cháy và quy luật phun.
Vấn đề tối u hoá quy luật phun là đối tợng
nghiên cứu hiện nay trên thế giới trong lĩnh vực
động cơ điezen.
Nghiên cứu quá trình phun rất khó khăn chủ
yếu dựa vào thực nghiệm. Thông thờng tiến
hành thí nghiệm cho cháy trong bom áp suất
cha thể tiến hành kết luận trực tiếp cho sự cháy
T

Tạo hỗn hợp v cháy nhiên liệu
trong động cơ điezen

Ts. nguyễn duy tiến
NCS. Lê Hoài Đức
Bộ môn Động cơ đốt trong - ĐH GTVT

Tóm tắt: Trong bi báo ny, tiến hnh phân tích quá trình từ đầu kỳ
phun nhiên liệu tới khi bốc cháy hỗn hợp ở động cơ diezel trong điều kiện
lm việc tối u.
Bi báo còn phân tích các thông số phun, quy luật phun, quy luật toả
nhiệt nhằm hon thiện các thông số công suất v kinh tế của động cơ bằng
cách hon thiện hệ thống nhiên liệu. Trong đó phân tích quá trình phun
nhiên liệu, quá trình cháy trễ, quy luật phun, bốc cháy hỗn hợp.

Summary: The article describes the processes which take place from
the point of fuel-injection to fuel-ignition in an engine's operation.
This theoretical analysis is about of the parameters of injection, the
injection rules and the rules of heat release for an engine's optimal
operation.

buồng cháy thống nhất
buồng cháy phân cách
bom
0
2
6

t
p

.0,001 s
4
8
4 8
12
16
18 20

24
28

kk
, kg.m
-3
Hình 1. Sự phụ thuộc thời gian cháy trễ t
p
vo trọng lợng riêng của
không khí khi nhiệt độ không đổi t
kk
= 600
0
C.

trong động cơ đợc (xem hình 1).
Khi thử quá trình cháy trong bơm áp suất ta
có thể xác định đợc một số nhân tố sau: ảnh
hởng sự biến đổi góc chùm tia nhiên liệu, độ dài
chùm tia, góc rơi của chùm tia nhiên liệu
Những ảnh hởng này khác hẳn chế độ làm
việc trong động cơ thực tế. Những ảnh hởng

quan trọng nh sự lọt khí nạp cha thấy đợc khi
thí nghiệm cháy trong bom.
Quy luật phun dG/dt hoặc dG/d là đờng
cong biểu diễn quan hệ giữa lợng nhiên liệu
phun vào xilanh với thời gian (t) hoặc góc quay
trục khuỷu () (xem hình 2).

t (s)
dG/dt (g/s)
0





Hình 2. Đồ thị biểu diễn
quy luật phun nhiên liệu.

Quy luật phun hầu nh chỉ xác định bằng
thực nghiệm. Tác giả đã dùng các phơng pháp
dới đây để đo quy luật phun:
1. Phơng pháp Lamen (phơng pháp đĩa
quay)
Nguyên lý của phơng pháp này là hứng
chùm tia nhiên liệu phun vào những buồng khoét
xung quanh đĩa quay.
Quy luật phun đợc biểu diễn bằng quan hệ
dG/dt hoặc dG/d với t(s) hoặc (
0
).

2. Phơng pháp xác định áp suất v độ
nâng kim phun
Quy luật phun đợc biểu diễn bằng biểu
thức:
dG/d = .S.[2.g..(P
1
- P
0
)]
1/2
ở đây:
- hệ số thoát nhiên liệu;
P
1
- áp suất nhiên liệu trớc lỗ phun, MN.m
-2
;
P
0
- áp suất khí nén trong xylanh, MN.m
-2
;

- trọng lợng riêng của nhiên liệu, N.m
-3
;
S - tiết diện thoát của lỗ phun, m
2
.
3. Phơng pháp tác dụng động học

Dựa trên nguyên lý do sự biến đổi mô men
của đĩa khi chùm tia nhiên liệu đập vào dới một
góc 90
0
Quy luật phun đợc biểu diễn bằng biểu
thức:

dt
dG
= P
s
-1/2
21
)PP(
.g
2









, kg/s
ở đây:
P
s
- lực của chùm tia nhiên liệu, MN;

- hằng số mô men.
4. Đo quy luật phun bằng phơng pháp
sóng áp suất
ở phơng pháp này nhiên liệu đợc phun
vào ống (đờng kính 5 mm, chiều dài 7 m). Đo
gián tiếp sóng áp suất nhờ đo ứng suất của ống.
Quy luật phun biểu diễn bằng quan hệ:

dt
dG
=


kt
bd
e
Pdt
.a
S

ở đây:
S
e
- diện tích tiết diện ống đo, m
2
;
a - tốc độ tiếng động, m/s;
- trọng lợng lợng riêng của nhiên liệu
kg.m
-3

;
P - giá trị áp suất đo, Nm
-2
;
bd - thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu
(t
bd
ữ t
1
);
kt - thời điểm kết thúc phun nhiên liệu,
t
kt
ữ t
2
;
G = f(t) - lợng nhiên liệu phun vào xylanh,
kg.
Trong các phơng pháp đo trên phơng
pháp Lamen có nhợc điểm là phải đo nhiều lần
(100 chu trình) sau đó lấy giá trị trung bình. Các
phơng pháp còn lại chỉ cần đo một lần là có thể
xác định đợc quy luật phun.
Qua một số lớn số liệu đo quy luật phun, tác
giả đi đến kết luận: Khi số vòng quay của trục
cam bơm cao áp giảm, bắt đầu phun chậm lại,
thời gian phun kéo dài, dẫn đến áp suất phun
giảm, đờng kính hạt nhiên liệu tăng lên (xem
hình 3).

Quá trình bay hơi các hạt nhiên liệu
Cơ cấu của quá trình bay hơi các hạt nhiên
liệu rất phức tạp. Điều kiện cho việc bay hơi của
các hạt nhiên liệu ở mỗi vị trí của các chùm tia
khác nhau do đó việc tính toán chỉ có tính chất
gần đúng.
Nhiên liệu phun vào buồng cháy có đờng
kính hạt khác nhau.
Sự sấy nóng, bay hơi các hạt phụ thuộc vào
độ lớn của chúng, nhiệt độ, áp suất không khí
nén mà nhiên liệu phun vào. Ngoài ra nó còn phụ
thuộc vào tính chất vật lý của nhiên liệu.
Dạng buồng cháy, sự xoáy lốc của không
khí nạp ảnh hởng đáng kể đến diễn biến bay hơi
của nhiên liệu.
Việc tính toán sấy nóng, bay hơi các hạt
nhiên liệu tiến hành với giả thuyết sau:
- Khi sấy nóng hạt nhiên liệu thì nhiệt độ
trong hạt biến đổi rất nhanh tới vô cùng.
- Mật độ hơi nhiên liệu ở xung quanh hạt
bằng không.
- Việc tính toán xuất phát từ phơng trình
cân bằng nhiệt khi sấy và bay hơi nhiên liệu.
4.r
2
. (T
kk
- T
nl
)dt = 4/3..r

3
.
nl
.c
nl
.dT
nl
-
- 4.r
2
.
nl
[r* + 1/2 C
hnl
(T
kk
- T
nl
)dr] (4)
ở đây:
r - bán kính hạt nhiên liệu, m;
- hệ số toả nhiệt, W.m
-2
.
0
K
-1
;
T
kk

- nhiệt độ không khí,
0
K;
T
nl
- nhiệt độ nhiên liệu,
0
K;
C
nl
- nhiệt dung riêng của nhiên
liệu, J.kg
-1
.
0
K
-1
;
C
hnl
- nhiệt dung riêng bay hơi của
nhiên liệu, J.kg
-1
.
0
K
-1
;
r* - nhiệt ẩn hóa hơi của nhiên
liệu, J.kg

-1
.
- Vế trái của phơng trình (4) là
lợng nhiệt cần thiết của các hạt nhiên
liệu lấy từ môi trờng . Thành phần thứ
nhất vế phải phơng trình (4) phù hợp
với lợng nhiệt cần để sấy nóng các
hạt nhiên liệu. Thành phần thứ hai
phơng trình (4) thực hiện quá trình
nhiệt hoá hơi nhiên liệu.
0
100
50
20
40
60
80
-4
d
G
/
d
t




(
g
/

s
)
t.10 (s)
nc =1500 v/p
1200 v/p
800 v/p
400 v/p
Hình 3. ảnh hởng của sự thay đổi số vòng quay
của trục cam bơm cao áp tới quy luật phun.

Sau khi xác định đợc nhiên liệu
bay hơi theo thời gian dt và rút gọn phơng trình
(4) ta có đợc sự phụ thuộc bán kính hạt nhiên
liệu vào nhiệt độ:
r
dr
=












hnl

nlkk
bh
r
nlnl
TT
.
V
3
dt.C
(5)
ở đây:
V
bh
- tốc độ bay hơi, m/s;

r
- nhiệt bay hơi, J/kg;

hnl
- trọng lợng riêng của nhiên liệu, kg/m
3
.
Việc tính toán đầy đủ rất phức tạp, do đó để
đơn giản, toàn bộ thời gian bay hơi đợc tính
bằng khoảng thời gian t trong phạm vi nhiệt độ
cho trớc.
Tổng giá trị t cho ta thời gian phù hợp với
việc bay hơi hoàn toàn nhiên liệu phun vào xilanh
động cơ.
Thời gian cho sự bay hơi hoàn toàn nhiên

liệu có thể xác định theo công thức:


n
nl
T
t
= 0,21.10
8
.r
0
2
[1 - 1,2.10
-3
(T
kk
- 700)].
.[1-0,5.10
-2
(0,1.P
kk
-30)].
.[1-0,117.10
-2
(v
0
- 100)] (6)
ở đây:
P
kk

- áp suất không khí, MN/m
2
;

r
0
- bán kính ban đầu của hạt nhiên liệu, m;
v
0
- tốc độ ban đầu của hạt nhiên liệu, m/s;
Từ (6) ta thấy rằng cờng độ bay hơi nhiên
liệu phụ thuộc rất mạnh vào bán kính ban đầu
của hạt nhiên liệu. Do đó việc xác định độ lớn
của hạt nhiên liệu trong chùm tia rất quan trọng.
Thời gian để bay hơi hoàn toàn các hạt
nhiên liệu trong xilanh động cơ phụ thuộc vào áp
suất, nhiệt độ ở thời điểm phun.
Tăng áp suất không khí nạp sẽ ảnh hởng
mạnh tới sự bay hơi bởi vì áp suất và nhiệt độ của
không khí cuối quá trình nén sẽ lớn.
Xoáy lốc mạnh của không khí nạp trong
buồng nén cũng có tác dụng nâng cao cờng độ
và tốc độ bay hơi. Điều này rất quan trọng cho
việc vận hành động cơ.
Trong thực tế chùm tia nhiên liệu bao gồm
một số lợng lớn các hạt có đờng kính khác
nhau. Do đó phải tính toán thời gian bay hơi gồm
một số lợng lớn đờng cong phân bố nhiên liệu
phun theo chế độ vận hành.
Kết hợp với thực nghiệm ta có thể xác định

đợc bán kính trung bình của hạt nhiên liệu.
Giai đoạn cháy trễ nhiên liệu
Trớc khi bốc cháy, nhiên liệu phải đuợc
phun vào trong buồng cháy dới dạng sơng mù
thành hạt mịn, những hạt này đợc đốt nóng
nhanh và một phần đợc bay hơi. Sau sự biến đổi
này thì giai đoạn cháy rõ bắt đầu.
Thời gian giữa đầu kỳ phun và bắt đầu cháy
rõ đợc gọi là thời gian cháy trễ. Giai đoạn này
ảnh hởng rất lớn đến áp suất cháy trong xilanh.
Quá trình xẩy ra sự oxy hoá nhiên liệu đầu
tiên, sự cháy toả nhiệt số nhiệt này để bay hơi
nhiên liệu, chuẩn bị hoá học cho những phần
nhiên liệu cha cháy.
áp suất trong xilanh tăng
so với quá trình nén, nhng cho đến nay vẫn
không thể xác định chính xác đầu kỳ bốc cháy
việc xác định đầu kỳ bốc cháy phải dùng phơng
pháp đo áp suất trong xilanh.
Thời gian cháy trễ đợc đo trên động cơ với
điều kiện vận hành tối u vào khoảng (1 ữ 5).10
-3
s.
Khi khởi động động cơ ở nhiệt độ thấp thời
gian này đạt 0,1 s.
Sự khác nhau này do sự chuyển động của
pittông, xoáy lốc của khí nạp làm cho nhiên liệu
bay hơi mãnh liệt, toả nhiệt tăng lên, các phân tử
nhiên liệu phân huỷ nhanh hơn.
Cháy trễ phụ thuộc vào kiểu loại động cơ,

loại buồng cháy, trạng thái kỹ thuật của động cơ.
Sự phụ thuộc thời gian cháy trễ và thời gian
cháy vào nhiệt độ biểu diễn trên hình 4.
t.10 (s)
thời gian phun
thời gian cháy trễ
0
0
0
500
450
t
k
k




C
5
10 15
20
25
thời gian cháy
bắt đầu phun
kết thúc phun
bắt đầu cháy
kết thúc cháy
-3
30

Hình 4. Sự phụ thuộc thời gian cháy trễ v cháy vo nhiệt độ không khí nén.

Từ hình 4 ta thấy khi nhiệt độ không khí nén
tăng thì thời gian cháy trễ giảm, thời gian cháy
tăng lên do nhiên liệu phun vào xilanh ở cuối thời
gian cháy không đợc cháy hết hoàn toàn.
Thời gian cháy trễ đợc chia làm 2 pha, pha
thứ nhất bao gồm sự lan truyền cơ học các hạt
nhiên liệu và bay hơi. Trong thời kỳ này các hạt
nhiên liệu chuyển động nhanh vào trong buồng
cháy (va chạm cơ học), các hạt nhiên liệu nhỏ
bay hơi.
Thời gian này của pha trễ đợc gọi là thời kỳ
chuẩn bị lý tính của nhiên liệu (cháy trễ vật lý -
t
chvl
).
Pha thứ hai: Pha cháy trễ hoá học. Pha này
đợc đặc trng bằng việc xuất hiện ngọn lửa
nguội mầu xanh nớc biển.
Đầu thời kỳ này có sự tạo thành các tổ chức
pe-rô-xýt và an-đê-hýt với tốc độ phản ứng nhỏ.
Tiếp đó là sự phát triển ngọn lửa nóng, có
thể thấy đợc vì áp suất của quá trình tăng rõ rệt.
Toàn bộ có thể viết thành biểu thức:
t
ch
= t
bh

+ t
1
+ t
2
+ t
3
(7)
ở đây:
t
bh
- thời gian bay hơi;
t
1
- thời gian cháy trễ ngọn lửa nguội;
t
2
- thời gian cháy trễ ngọn lửa xanh;
t
3
- thời gian cháy trễ ngọn lửa nóng.
Trong thực tế thời gian t
1
và t
2
rất khó xác
định do đó Von-pher đa ra biểu thức tính thời
gian cháy trễ hoá học nh sau:
t
ctrhh
= 0,44 +

19,1
4650/T
P
e
(8)
ở đây: P, T - áp suất và nhiệt độ nén tơng ứng.
Toàn bộ thời gian cháy là tổng của 2 phần:
t
ctr
= t
ctrvr
+ t
ctrhh
(9)
Hoặc tính theo góc quay trục khuỷu.

ctr
=
ctrvr
+
ctrhh
(10)
Trên hình 5 là đồ thị xác định tổng thời gian
cháy trễ, từ đồ thị ta thấy rằng ở số vòng quay
cao cần xét đến thời gian cháy trễ hoá học
(tctrhh) và số vòng quay thấp ảnh hởng của thời
gian cháy trễ vật lý (tctrvl) mạnh hơn.
Kết luận phần này có thể nói rằng cần phải
xác định chính xác tctrvr và tctrhh muốn thế phải
xác định bằng thực nghiệm các số liệu sau:

- Bán kính ban đầu của hạt nhiên liệu.
- Tốc độ tơng đối ban đầu của hạt nhiên
liệu.
- Nhiệt độ không khí khi bắt đầu phun.
-
áp suất không khí nén trong xi lanh đầu kỳ
phun.
Quá trình cháy: Đặc trng cho quá trình
cháy trong động cơ diezen là sự phát sinh các
tâm cháy ở vị trí xung quanh chùm tia nhiên liệu
sau đó phát sinh các
tâm cháy ở vị trí
xung quanh chùm tia
nhiên liệu và lan
rộng ra toàn buồng
cháy.
t
c
t





g
q
t
k
1
0.1

0
100
10
tkk =20 C
200
100
500
400
300
n v/p
0
0
tkk =-20 C
Sự bốc cháy
đầu tiên xảy ra với
sản phẩm đồng nhất
từ quá trình pe-rô-xýt
hoá, có thể nhận biết
đợc sự nổ nhiệt
mạnh ở giai đoạn
này, pha cháy đầu
tiên xảy ra trong thời
kỳ cháy trễ nh đã
xét ở trên.

ctvl

cthh
Pha cháy thứ
hai xảy ra từ cuối kỳ

cháy trễ đến khi đạt
đợc áp suất cháy
lớn nhất, phần lớn
lợng nhiên liệu
Hình 5. Ton bộ thời gian cháy trễ phụ thuộc vo tốc độ quay
khi nhiệt độ từ +20
0
C đến 20
0
C.

phun vào đợc cháy ở giai đoạn này. Đặc trng
pha cháy này là tốc độ tăng áp suất lớn nhất,
quyết định tới diễn biến của chu trình công tác.
Nếu tốc độ tăng áp suất quá lớn động cơ
làm việc cứng. Tốc độ tăng áp suất lớn nhất xảy
ra khi tác giả thí nghiệm trên động cơ Tatra của
Tiệp khắc là 1,4 MNm
-2
/1
0
góc quay trục khuỷu.
Trị số này đặc trng cho sự làm việc cứng của
động cơ, có tiếng gõ kim loại mạnh. Nếu tình
trạng kỹ thuật của động cơ tốt, điều chỉnh quy
luật phun nhiên liệu hợp lý động cơ sẽ làm việc
êm dịu thì trị số tăng áp phải nằm trong giới hạn
0,4 MNm
-2
/1

0
góc quay trục khuỷu. Pha thứ ba là
quá trình cháy tiếp nhiên liệu cho đến khi kết
thúc, thực chất của thời kỳ này là thời gian chuẩn
bị vật lý cho phần nhiên liệu phun thêm ngắn,
quá trình phản ứng hoá học kéo dài là do hàm
lợng khí trơ (N
2
, CO
2
) tăng cao. Vì vậy tốc độ
cháy giảm. Những nguyên nhân ảnh hởng tới
giai đoạn cháy thứ 3 là:
- Tính chất của hệ thống phun nhiên liệu
(quy luật phun).
- Vị trí của pittông khi gần điểm chết trên có
liên quan trực tiếp tới biểu diễn cháy giai đoạn 3.
Thực nghiệm chứng tỏ rằng thời gian cháy
không đợc kéo dài quá 40
0
góc quay trục khuỷu
khi pittông đến điểm chết trên. Phát triển áp suất
trong xilanh động cơ phụ thuộc nhiều yếu tố,
song thực nghiệm chứng minh rằng chỉ có thể rút
ngắn 2 pha cháy đầu, còn pha cháy thứ 3 thì
cha thể rút ngắn đợc.
Kết luận: Cho đến nay trên thế giới vẫn tập
trung vào việc nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp
cháy trong động cơ điezen với mục đích nâng cao
công suất tiết kiệm nhiên liệu, giảm chất độc

trong khí thải
Trong bài này phân tích về quá trình phun,
quy luật, quá trình bay hơi, cháy trễ và quá trình
cháy nhằm mục đích hoàn thiện hơn nữa quá
trình biến đổi năng lợng trong các thiết bị động
lực sử dụng trong ngành giao thông vận tải trong
điều kiện khí hậu Việt Nam đặc biệt khi khởi động
máy trong mùa đông.

Tài liệu tham khảo
[1] Boltinski V. N., Traktornuje i avtomobilnuje
dvigateli (Động cơ ôtô máy kéo), Moskva
1953.
[2] Dischinger A., Problemy spalovane vznetovich
motoru. Praha 1960.
[3] Wolfer N., Proleva Vznetu Naftoveho Motoru.
Praha 1976

(Xem hình 2a, b, c).