Bài giảng Động cơ đốt trong - Chương 5: 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