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). . 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. 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. 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