Khảo sát đặc tính của động cơ diesel

Khảo sát đặc tính của động cơ diesel
Đặc tính tốc độ của động cơ diesel
Đặc tính tốc độ là hàm số (đường cong) thể hiện sự biến thiên của Ne, Me,
Gnl, ge theo số vòng quay trục khuỷu (n), khi giữ nguyên vị trí của cơ cấu điều
khiển động cơ (cố định vị trí thanh răng bơm cao áp của động cơ Diesel). Hàm
số biểu diễn đặc tính tốc độ có dạng: Ne, Me, Gnl và ge = f(n).
Động cơ sử dụng trên các phương tiện vận tải do ảnh hưởng của điều kiện
sử dụng nên chế độ làm việc thường không ổn định, số vòng quay, công suất và
mô-men động cơ luôn thay đổi trong một phạm vi khá rộng từ chế độ chạy
không tải cho đến chế độ phát công suất cực đại, thậm chí còn có thể làm việc
quá tải trong một thời gian ngắn. Với những loại động cơ này người ta dùng đặc
tính tốc độ nhằm thể hiện tính năng động lực của ô tô và máy kéo, vì vậy đặc
tính tốc độ chủ yếu dùng cho động cơ ô tô máy kéo.
Một động cơ có thể xây dựng được nhiều đường đặc tính tốc độ, vì ứng với
từng vị trí của tay ga sẽ có một đường cong biểu diễn sự biến thiên công suất
của động cơ theo số vòng quay [22].
Như vậy, ở mỗi một vị trí của cơ cấu điều khiển động cơ sẽ xây dựng được
một đường đặc tính tốc độ của động cơ đó. Tùy thuộc vào vị trí cơ cấu điều
khiển chia thành các loại đặc tính tốc độ sau:
• Đặc tính tốc độ ngoài.
• Đặc tính tốc độ bộ phận [22].

2.1.1.1 Đặc tính tốc độ ngoài
Là đặc tính tốc độ xác định ở vị trí toàn tải của động cơ (thanh răng ở vị trí
cho lượng cung cấp nhiên liệu lớn nhất theo quy định), đó là đường đặc tính
hiển thị công suất cực đại của động cơ ứng với từng chế độ tốc độ khác nhau.


Hình 2.0 - Đường đặc tính ngoài và đặc tính bộ phận của động cơ Diesel
Kubota
RT125DI

Chú thích: “Maximum” – Đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ;
“Continuous” – Đường đặc tính tốc độ bộ phận của động cơ ứng với vị trí mở
thanh răng có công suất bằng 90% công suất cực đại.


Nói cách khác, đường đặc tính tốc độ biểu thị công suất cực đại của động
cơ ứng với từng chế độ tốc độ gọi là đường đặc tính tốc độ ngoài, còn tất cả các
đường đặc tính tốc độ khác nằm dưới đường đặc tính tốc độ ngoài gọi là đường
đặc tính tốc độ bộ phận. Vì vậy mỗi động cơ chỉ có một đường đặc tính tốc độ
ngoài và một họ đường đặc tính tốc độ bộ phận.
Nhận xét: trên đường đặc tính ngoài có các điểm đặc trưng sau đây
n1 (nNe max) – số vòng quay ứng với công suất lớn nhất.
n2 (nMe max) – số vòng quay ứng với momen lớn nhất.
n3 (nge max) – số vòng quay ứng với suất tiêu thụ nhiên liệu nhỏ nhất.
n4 (n max) – số vòng quay lớn nhất quy định.
n5 (n min) – số vòng quay chạy không tải ổn định nhỏ nhất.
2.1.1.2 Đặc tính tốc độ bộ phận
Là các đường đặc tính tốc độ được xác định khi giữ nguyên không đổi vị
trí của cơ cấu điều khiển (thanh răng bơm cao áp) ở các vị trí đảm bảo công suất
của động cơ thấp hơn công suất của đường đặc tính ngoài.
Vậy đặc tính tốc độ bộ phận là những đường cong Ne, Me, ge, Gnhl = f(n) mà
động cơ tạo thành ở những chế độ không toàn tải khi tốc độ của động cơ thay
đổi. Có nhiều đường đặc tính bộ phận nhưng chỉ có một đường đặc tính ngoài.
2.1.1.3 Đặc tính quá trình cháy của động cơ diesel
Động cơ diesel thường được chia thành hai loại: động cơ diesel phun trực
tiếp: nghĩa là nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng cháy. Nhiên liệu được
phun với áp suất cao qua vòi phun với một hoặc nhiều lỗ phun tạo điều kiện cho
các hạt nhiên liệu phun ra được tơi hơn, hóa sương tốt và đảm bảo cháy hoàn
toàn. Động cơ diesel phun gián tiếp: nhiên liệu được phun vào buồng cháy phụ
nằm gần và được kết nối trực tiếp với buồng cháy chính, buồng cháy phụ này có

thể tích bằng 30% - 45% tổng thể tích buồng cháy. Buồng cháy phụ không đủ
không khí để đốt cháy toàn bộ nhiên liệu. Do đó, khi nhiên liệu được phun vào


buồng cháy phụ, một phần các hạt nhiên liệu sẽ cháy và điều này tạo nên áp suất
nội tại trong buồng cháy phụ. Một lượng lớn khí đã cháy và nhiên liệu chưa
cháy còn lại sẽ được phun vào buồng cháy chính ở dạng xoáy lốc mãnh liệt, hòa
trộn khí nạp và cháy tiếp.
Nhiên liệu Diesel có độ nhớt lớn hơn và khó bay hơi hơn vì vậy phải dùng
biện pháp phun tơi nhiên liệu nhờ bơm cao áp vào môi trường áp suất cao, nhiệt
độ lớn của môi chất công tác trong buồng cháy động cơ vào cuối kì nén, làm
cho hòa khí được hình thành trực tiếp bên trong xylanh. Sau đó hòa khí cũng
qua các giai đoạn phản ứng hóa học phức tạp của ngọn lửa lạnh, ngọn lửa xanh,
ngọn lửa nóng và tự bốc cháy. Do cuối kỳ nén mới phun nhiên liệu vào xylanh
động cơ, nên quá trình hình thành hòa khí rất ngắn, chỉ chiếm khoảng 15 – 35°
góc quay trục khuỷu, do đó tạo nên tình trạng không đều về thành phần hòa khí
trong các khu vực buồng cháy động cơ. Mặt khác không thể đem số nhiên liệu
cấp cho chu trình phun cùng một lúc vào xylanh động cơ, do vậy trong suốt thời
gian phun nhiên liệu, thành phần hòa khí trong xylanh cũng biến động liên tục.
Tại khu vực hòa khí đậm, nhiên liệu do thiếu oxy nên cháy chậm, thậm chí gây
cháy không kiệt tạo ra khói đen trong khí thải, còn khu vực hòa khí nhạt gây
nên tình trạng không tận dụng hết oxy. Vì vậy động cơ diesel chỉ có thể hoạt
động bình thường không thải khói đen khi giá trị trung bình của hệ số dư lượng
không khí λ > 1 , nghĩa là trong tình trạng không sử dụng hết số oxy nạp vào
động cơ. Tuy nhiên với trường hợp λ > 1 vẫn còn hiện tượng cháy không kiệt,
đó là một trong những vấn đề chính cần giải quyết để nâng cao tính năng động
lực và tính năng kinh tế của động cơ [23].
Bốn thời kì của quá trình cháy động cơ diesel
Nhiên liệu trong động cơ diesel được phun vào xilanh động cơ vào cuối kì
nén, do lực cản của không khí nén trong buồng cháy, nhiên liệu được xé tơi

thành những hạt nhỏ không đều về kích thước và phân bố không đều trong
không gian buồng cháy. Các hạt nhiên liệu trong môi trường nhiệt độ cao được


sấy nóng nhanh, khiến nhiệt độ tăng cao. Nhiên liệu bắt đầu bay hơi từ bề mặt
hạt rồi hơi nhiên liệu khuếch tán nhanh vào khối không khí nóng xung quanh,
sau một thời gian, xung quanh hạt nhiên liệu tạo ra các lớp hỗn hợp của hơi
nhiên liệu và không khí được gọi là các lớp hòa khí. Lớp hòa khí nằm sát với bề
mặt hạt là hòa khí đậm, có nhiệt độ hơi thấp vì hạt nhiên liệu hút nhiệt của lớp
này để bay hơi, các lớp cách bề mặt hạt càng xa hòa khí càng nhạt với nhiệt độ
càng cao.

.
Hình 2.1 - Các giai đoạn cháy của động cơ diesel
Quá trình cháy của động cơ diesel được chia thành 4 giai đoạn: giai đoạn
cháy trễ, giai đoạn cháy nhanh, giai đoạn cháy chính và giai đoạn cháy rớt.
a. Giai đoạn cháy trễ I
Bắt đầu từ lúc nhiên liệu thực tế được phun vào buồng cháy (điểm 1, Hình
2.1) và kết thúc khi xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên, việc xác định thời
điểm xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên trong buồng cháy rất khó nên


người ta quy ước thời điểm cuối giai đoạn cháy trễ là lúc đường cong áp suất
trong xylanh tách khỏi đường nén lí thuyết (điểm 2, Hình 2.1).
Trước khi xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên hay năng lượng bắt đầu
được giải phóng, sẽ có một số quá trình vật lý và hóa học diễn ra như sau:
Các quá trình vật lý : nhiên liệu được phun tơi, hóa sương và hòa trộn với

không khí.
Các quá trình hóa học: là các phản ứng diễn ra trước quá trình cháy giữa

nhiên liệu và không khí, các phản ứng này chịu ảnh hưởng bởi thành phần nhiên
liệu, nhiệt độ và áp suất khí nén ngoài ra còn chịu ảnh hưởng bởi tỉ lệ hòa trộn
giữa không khí và nhiên liệu. Tốc độ các phản ứng hóa học này diễn ra tương
đối chậm, sản vật của các phản ứng là sản vật trung gian.
Thời gian cháy trễ ở động cơ Diesel kéo dài khoảng vài phần nghìn giây,
trong thời gian đó có khoảng 30% - 40% lượng nhiên liệu chu trình được đưa
vào buồng cháy, đặc biệt ở một số động cơ Diesel cao tốc, lượng nhiên liệu
phun trong giai đoạn này có thể tới 100%.
Thời gian của giai đoạn cháy trễ bị ảnh hưởng bởi nhiều nhân tố:
-

Thiết kế động cơ: bao gồm thời gian phun nhiên liệu, lượng nhiên liệu
phun, tốc độ phun, kích thước hạt, mức độ rối và xoáy lốc của không
khí…

-

Điều kiện vận hành: bao gồm nhiệt độ và áp suất khí nạp trong xilanh ở
cuối quá trình nén, tốc độ động cơ, những tác động của thành buồng cháy,
nồng độ oxi…

-

Đặc tính nhiên liệu: thể hiện chất lượng của nhiên liệu cụ thể là khả năng
tự cháy và bùng cháy được đánh giá thông qua nhiệt độ tự cháy và trị số
cetan của nhiên liệu diesel.

Chỉ số cetan

Chỉ số cetan là thông số quan trọng nhất của nhiên liệu diesel bởi vì nó đo
lường khả năng tự cháy và là dấu hiệu chất lượng quá trình cháy của nhiên liệu.
Nếu dùng nhiên liệu có thành phần chính là hydrocarbon thơm với chỉ số
cetane nhỏ giai đoạn cháy trễ sẽ kéo dài hơn, có một lượng lớn nhiên liệu cùng
tham gia cháy ở giai đoạn hai (giai đoạn cháy nhanh) làm cho áp suất khí cháy
tăng vọt gây ra hiện tượng kích nỗ diesel, động cơ hoạt động ồn, có tiếng gõ
đanh và tăng phát thải NOx. Ngược lại, nếu dùng nhiên liệu có thành phần chính
là hydrocarbon no – họ parafin với chỉ số cetane lớn và nhiệt độ tự cháy thấp,
nhiên liệu dễ dàng bốc cháy hơn dẫn đến giai đoạn cháy trễ diễn ra ngắn làm
cho động cơ hoạt động êm dịu, dễ khởi động
nguội và hạn chế phát thải NOx.[24].

Hình 2.2 - Ảnh hưởng chỉ số cetan của nhiên liệu tới mức độ tăng áp suất cực
đại
b. Giai đoạn cháy nhanh II
Giai đoạn này được tính từ điểm bắt đầu bốc cháy là điểm 2 trên đồ thị
hình 2.1 và do cháy cùng lúc phần nhiên liệu được phun tơi đầu tiên, làm áp


suất khí cháy tăng đột ngột đến điểm 3 là điểm đánh dấu mức độ tăng áp bắt đầu
chậm lại.
Nguồn lửa được hình thành, tốc độ cháy tăng nhanh, tốc độ tỏa nhiệt
thường lớn nhất. Ở cuối thời kì này số nhiên liệu bốc cháy chiếm khoảng 1/3
nhiên liệu cấp cho chu trình. Áp suất và nhiệt độ tăng nhanh, áp suất cao nhất
tới 6-9 (MPa). Nhiên liệu được phun tiếp vào buồng cháy (số lượng nhiên liệu
phun vào thời kì này phụ thuộc vào độ dài ngắn của thời gian cháy trễ và thời
gian phun nhiên liệu của chu trình) làm tăng nồng độ nhiên liệu trong hòa khí.
Cũng tương tự như ở động cơ cháy cưỡng bức mức độ tăng áp suất nhanh
trong xilanh có ảnh hưởng quyết định đến tính năng phát công suất của động cơ

và nó cũng phải nằm trong giới hạn cho phép để đảm bảo độ bền và tuổi thọ
động cơ. Tốc độ tăng áp trung bình của giai đoạn này nằm trong khoảng =
0.4÷0.6 MN/m2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tăng áp trung bình như:
• Góc phun nhiên liệu sớm.
• Tỉ số nén và áp suất, nhiệt độ không khí tại thời điểm phun nhiên liệu.
• Cường độ vận động xoáy lốc hoặc rối của không khí.
• Thời gian cháy trễ dài hay ngắn.

Nếu độ tăng áp suất trung bình vượt quá giới hạn quy định sẽ tạo nên các
xung áp suất đập vào bề mặt các chi tiết trong buồng cháy, gây tiếng gõ đanh,
sắc đó là chế độ hoạt động “thô bạo” của động cơ Diesel. Trong điều kiện hoạt
động “thô bạo” các chi tiết chịu tải của động cơ dễ hỏng, rút ngắn tuổi thọ, đồng
thời còn gây khó khăn cho việc điều khiển của lái xe, vì vậy cần tìm biện pháp
tránh gây hiện tượng trên.
Tình hình cháy trong thời kì cháy nhanh phụ thuộc chính vào lượng nhiên
liệu cấp cho xylanh trong thời kì cháy trễ và tình hình tiến triển của những
chuẩn bị về vật lí và hóa học của nhiên liệu trên. Nếu thời kì cháy trễ kéo dài, và
số lượng nhiên liệu phun vào xylanh ở thời kì trên rất nhiều và đều được chuẩn


bị đầy đủ để cháy thì chỉ cần có một nơi nào đó bốc cháy, màng lửa sẽ lan nhanh
đến mọi nơi trong buồng cháy. Tốc độ cháy rất lớn, do đó tăng tốc độ gia tăng
áp suất, hoạt động của động cơ sẽ trở nên thô bạo rất khó điều khiển trực tiếp
tốc độ cháy của thời kì cháy nhanh, áp suất khí cháy tăng vọt là nguyên nhân
làm tăng lượng phát thải NOx.
Các biện pháp hạn chế quá trình cháy nhanh
• Giảm thời gian tạo hỗn hợp và hình thành các tâm cháy ( thời gian
cháy trễ).
• Giảm lượng nhiên liệu phun vào tại giai đoạn cháy trễ.
• Phun nhiên liệu làm nhiều giai đoạn.

• Chọn nhiên liệu có trị số cetan cao.

Hình 2.3 - Ảnh hưởng của thời gian cháy trễ tới mức độ tăng áp suất cháy cực
đại của động cơ diesel
a. Giai đoạn cháy chính

Giai đoạn cháy này bắt đầu từ ( điểm 3, hình 2.1), tại đó mức độ tăng
nhanh của áp suất bắt đầu giảm, tới khi vực áp suất cháy đạt cực đại và nhiệt độ
khí cháy cũng dần đạt tới giá trị cực đại ( điểm 4, hình 2.1).


Đây là giai đoạn giải phóng nhiệt lượng chủ yếu, thông thường nhiệt lượng
của giai đoạn cháy nhanh và cháy chính chiếm khoảng 80% nhiệt lượng cấp cho
chu trình. Trong thời kì này, thông thường đã kết thúc phun nhiên liệu, do sản
vật cháy tăng nhanh làm giảm nồng độ của nhiên liệu và oxy. Nhiệt độ tăng lên
tới giá trị lớn nhất (1700 – 2000°C), nhưng do pít-tông đã bắt đầu đi xuống nên
áp suất hơi giảm xuống. Nồng độ sản vật trung gian trong buồng cháy giảm
nhanh, còn nồng độ của sản vật cháy cuối cùng tăng nhanh.
Trong thời kì cháy chính, mới đầu tốc độ cháy rất lớn, sau đó lượng oxy
trong buồng cháy giảm dần, sản vật cháy tăng lên nhiều, điều kiện cháy trở nên
không thuận lợi vì vậy cuối thời kì tốc độ cháy ngày càng chậm. Trong thời kì
này một ít nhiên liệu được cháy trong điều kiện rất nóng và thiếu oxy có thể
cháy không hết tạo ra muội than cùng theo khí thải thải ra ngoài trời gây ô
nhiễm môi trường. Vì vậy vấn đề chính của thời kì cháy chính là mâu thuẫn
giữa tốc độ cháy và tốc độ hình thành hòa khí. Nếu tăng cường cung cấp oxy
cho nhiên liệu để cải thiện chất lượng hình thành hòa khí sẽ làm tăng tốc độ
cháy, rút ngắn thời kì cháy chậm làm cho nhiên cháy hoàn toàn, nâng cao thêm
tính năng động lực và tính năng kinh tế của động cơ.
b. Giai đoạn cháy rớt

Được tính từ điểm 4 cho đến điểm 5 cháy hết nhiên liệu của đồ thị hình
2.1. Trên thực tế rất khó xác định điểm kết thúc cháy này và nó có thể kéo dài
cho tới khi mở cửa thải. Thông thường điểm này được xem như là điểm có tổng
nhiệt lượng cháy tỏa ra chiếm 95% ÷ 97% nhiệt lượng cấp cho một chu trình.
Trong thực tế ở động cơ diesel tồn tại ngay trong quá trình cháy vùng hỗn
hợp quá đậm và vùng quá loãng, và cũng tại thời điểm cháy rớt này lượng sản
vật cháy tăng lên nhiều, áp suất và nhiệt độ môi chất trong xilanh đều hạ thấp
nhanh, chuyển động của dòng khí cũng yếu đi… tất cả nguyên nhân trên khiến
sự cháy kém và khả năng hình thành các sản phẩm có hại như CO, HC, andehyt,
muội than càng lớn.