Quá trình cháy của động cơ đốt trong

KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆTRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCMBÀI BÁO CÁOLÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONGQUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG GVHD : Th.s Nguyễn Văn XuânNhóm 3Lê Quý Thiệu DH12OT 12154186Nguyễn Thanh Lương DH12OT 12154240Phạm Huỳnh Đạt Nhân DH12OT 12154147Nguyễn Văn Thành DH12OT 12154180Nguyễn Tấn Phát DH12OT 12154152Nguyễn Chánh Quang DH12OT 12154248Nguyễn Tất Đạt DH12OT 12154075Mai Thành Nhân DH12OT 12154138Phạm Công Phú DH12OT 12115150Đặng Minh Hoàng DH11OT 11154007 Huỳnh Thanh Tùng DH11OT 11154053Đặc điểm quá trìnhDiễn biến quá trình - Quá trình cháy của động cơ xăng - Quá trình cháy của động cơ diesel - Phương trình cháyCác thông sốCác nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng cháyYÊU CẦU ĐỀ BÀIĐặc điểm quá trình cháyCháy lan truyền màng lửa: là sự cháy của khu vực cháy sang khu hòa khí chưa cháyCháy ngọn lửa khuếch tán: là quá trình cháy của nhiên liệu lỏng theo dạng phun sương. Xung quanh các hạt sương nhiên liệu có không khí nóng, chúng lập tức bốc hơi từng phần, khuếch tán, tạo hòa khí, cháy và sau đó vừa tạo hòa khí vừa cháy.Diễn biến quá trìnhQuá trình cháy của động cơ xăng Cháy theo cơ chế lan truyền màng lửa của nhiên liệu lỏng. Hòa khí được hòa trộn trước và xem như là hỗn hợp đồng nhất. Quá trình cháy bắt đầu tại vùng giữa 2 điện cực của bugi khi xuất hiện tia lửa điện cao thế (góc đánh lửa sớm θs) đến vùng hỗn hợp xa nhất bị cháy và kết thúc ở khoảng 30-40o sau ĐCT, tạo nên màng lửa rồi lan truyền với tốc độ tăng dần.Quá trình lan truyền màng lửa gồm 3 giai đoạn:+ Giai đoạn cháy trễ (I)+ Giai đoạn cháy nhanh (II)+ Giai đoạn cháy rớt (III)Giai đoạn cháy trễ I Hình thành nên trung tâm cháy và hình thành màng lửa ban đầu.Giai đoạn này được tính từ khi xuất hiện tia lửa điện tại điểm 1 và kết thúc tại điểm 2 khi đường áp suất của môi chất công tác bắt đầu tách ra khỏi đường nén không có cháy( đường nét đứt).Giá trị của giai đoạn cháy trễ tính theo góc quay trục khuỷu sẽ thay đổi theo tốc độ động cơ. Góc quay trục khuỷu tương ứng giai đoạn này là góc cháy trễ (θi) Giai đoạn cháy trễ dài hay ngắn phụ thuộc vào: + Nhiệt độ và năng lượng phóng giữa 2 điện cực của bugi. + Khả năng tự cháy của nhiên liệu. + Nhiệt độ và áp suất khí nén trong xylanh tại thời điểm đánh lửa. + Độ đồng nhất của hòa khí. + Tỉ lệ hòa khí giàu, nghèo hoặc đúng. + Tính chất tia lửa điện. + Tỉ số nén. + Số vòng quay. + Tải trọng động cơ.Giai đoạn cháy tăng áp nhanh II Cháy không kiểm soát vì thời gian cháy của giai đoạn này gần như có giá trị không đổi theo góc quay trục khuỷu.Giai đoạn này tính từ điểm 2 và kết thúc tại điểm 3 khi đường áp suất của môi chất công tác đạt giá trị cực đại.Giá trị áp suất lớn nhất này quyết định đến tính năng phát công suất, nhưng nó phải nằm trong phạm vi giới hạn để đảm bảo độ bền và tuổi thọ động cơ.Giới hạn này được đánh giá thông qua tốc độ tăng áp trung bình: Δp2/Δϕ2= 0.175- 0.25 MN/m2Ngoài yêu cầu giá trị tốc độ tăng áp trung bình nằm trong giới hạn, còn phải điều khiển quá trình cháy để áp suất cực đại này được xuất hiện sau ĐCT khoảng 7-150 góc quay trục khuỷu.Độ lớn của nó phụ thuộc vào: + Hình dạng buồng cháy và vị trí đặt bugi. + Chất lượng hòa khí. + Mức độ chuyển động xoáy cuộn của mc trong suốt quá trình nạp và nén. + Cường độ rối khuếch tán của mc trong buồng cháy.Giai đoạn cháy rớt IIIKết thúc tại khoảng 40-60o góc quay trục khuỷu sau ĐCT.Về lý thuyết nó chấm dứt tại thời điểm màng lửa lan tới điểm xa nhất của buồng cháy song thực tế lúc này vẫn còn ¼ lượng hòa khí chưa cháy hết do màng lửa khó xâm nhập vào vùng hòa khí bị bao bọc bởi khí đã cháyÁp suất khí cháy lúc này giảm nhanh do VXL tăng và tốc độ cháy giảm mãnh liệt.Quá trình cháy của động cơ dieselBắt đầu từ lúc phun nhiên liệu trong môi trường không khí nén (θs = 5-30o GQTK).Hòa khí không được hòa trộn trước, hỗn hợp không đều, không đồng nhất.Nhiệt độ và áp suất không khí nén rất cao và nhiều vùng trong buồng cháy có tỉ lệ hòa trộn nhiên liệu thích hợp nên có khả năng tạo liên tiếp nhiều trung tâm cháy.Quá trình cháy chia làm 4 giai đoạn.Giai đoạn cháy trễ ITính từ điểm 1 đến điểm 2. Đây là giai đoạn chuẩn bị cho nhiên liệu bùng cháy. Thời gian của nó dài hay ngắn phụ thuộc vào: + Mức độ phun tơi, tán nhuyễn, xuyên sâu khuếch tán nhiên liệu vào khối không khí nén có nhiệt độ và áp suất cao. + Nhiệt độ và áp suất không khí trong xylanh cuối quá trình nén và thời điểm phun sớm. + Mức độ rối hoặc xoáy lốc của không khí tại thời điểm phun nhiên liệu và sau đó. + Chất lượng nhiên liệu.Giai đoạn cháy tăng áp suất nhanh IITính từ điểm bắt đầu bốc cháy tức điểm 2 do cháy cùng lúc phần nhiên liệu phun tơi đầu tiên làm áp suất khí cháy tăng đột ngột đến điểm 3 đánh dấu mức độ tăng áp suất chậm lại.Mức độ tăng áp suất nhanh trong xylanh quyết định tính năng phát công suất của động cơ và phải nằm trong giới hạn cho phép: Δp2/Δϕ2= 0.4-0.6 MN/m2 .Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tăng áp trung bình: góc phun nhiên liệu sớm, tỉ số nén, 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.Giai đoạn cháy chính IIIBắt đầu từ điểm 3 tại đây mức độ tăng nhanh của áp suất bắt đầu giảm đến khu vực áp suất cháy và nhiệt độ cháy đạt cực đại.Thời gian của giai đoạn này bị kéo dài hay rút ngắn là do sự điều khiển bởi quy luật cung cấp nhiên liệu. Giai đoạn cháy rớt IVTính từ điểm 4 đến điểm 5 cháy hết nhiên liệu có thể kéo dài đến khi cửa xả mở.Tại thời điềm này lượng sản vật cháy nhiều, áp suất và nhiệt độ giảm nhanh, chuyển động của dòng khí yếu đi dẫn đến sự cháy kém hình thành các sản phẩm có hại như CO, HC, aldehyt, muội than càng lớn.Phương trình cháyQuá trình cháy tính từ điểm C đến điểm Z Định luật I của nhiệt động: QCZ = UZ – UC + LCZNhiệt lượng cấp cho mcct từ C đến Z dùng để tăng nội năng và sinh công giãn nở LCZ QCZ = (QH – ΔQH) – QLm – QC – QPg ( *) QLm :tổn thất truyền nhiệt QC : tổn thất nhiên liệu chưa cháy kịp QPg: tổn thất do hiện tượng hoàn nguyên và phân rã SVC QH : nhiệt trị thấp của nhiên liệu ΔQH : tổn thất nhiệt do hòa khí thiếu oxy chỉ tính trong trường hợp α 1) UZ = mC’vZMZTZ UC = mC’VZMCTC LCZ = pZVZ – pZ’VZ’ động cơ diesel LCZ = 0 động cơ xăng pZ’ = λpC, VZ’ = VC LCZ = pZVZ – λpCVC = 8314MZTZ - 8314λMCTC Thay tất cả vào (*) ta được ξZ (QH – ΔQH) = mC’vZMZTZ - mC’VZMCTC + 8314(MZTZ - λMCTC) = MZTZ(mC’VZ + 8314) – MCTC(mC’VZ + 8314λ)(mC’VZ + 8314) = mC’pZMC = M1 + Mr = M1(1+ M1/Mr)= M1(1+γr)MZ = βZMC = βZM1(1+γr) Rút gọn ta được phương trình nhiệt động cháy của động cơ dieselĐộng cơ xăng: vì LCZ = 0 xZ phần nhiên liệu đã cháy tại Z, xZ = ξz/ξb ξz hệ số lợi dụng nhiệt tại z ξb hệ số lợi dụng nhiệt tại b[ξZ(QH – ΔQH)]/M1(1+ γr) + (mC’VZ + 8314)TC = βZ mC’pZTZ [ξZ (QH – ΔQH)]/ M1(1+γr) + mC’VZTC = βZ mC’VZTZ βZ = 1 + [(βo – 1)xZ]/(1 + γr)Các thông sốNhiệt độ cuối quá trình cháy TZDựa vào phương trình cháy của động cơ diesel và động cơ xăng tính được TZ sau khi giải phương trình bậc 2 chọn nghiệm dươngChọn λ, đối với động cơ diesel:+ buồng cháy thống nhất: λ = 1,6 ÷ 2,2+ buồng cháy xoáy tốc: λ = 1,5 ÷ 1,8+ buồng cháy dự bị: λ = 1,4 ÷ 1,6+động cơ tàu thủy: λ = 1,35 ÷ 1,55Đối với động cơ xăng λ = 3 ÷ 4Áp suất cuối quá trình cháy pzĐộng cơ xăng: pz = βZpCTZ/TCĐộng cơ diesel: pz = λpCThể tích xylanh cuối quá trình cháy VZĐối với động cơ xăng: VZ= VC Đối với động cơ diesel: VZ= ρVCCác nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng cháyHiện tượng cháy kích nổ ở động cơ xăng: được xác định khi xuất hiện tiếng gõ kim loại, tiếng gõ kim loại đặc tả sự va đập liên tục của các sóng áp suất của khí cháy lên thành vách cháy. Bản chất của nó là do tăng áp suất đột ngột gần cuối giai đoạn cháy II. Trong quá trình lan truyền áp suất và nhiệt độ phần hòa khí phía trước màng lửa tăng liên tục làm tăng phản ứng phía trước màng lửa của hòa khí càng sâu, khi số hòa khí này tự phát hỏa trong khi màng lửa chưa đến thì sẽ tạo ra màng lửa mới và tâm cháy mới gây cộng hưởng áp suất khí cháy trong buồng cháy. Để hạn chế và giảm sự kích nổ: + thiết kế buồng cháy gọn + tốc độ cháy lớn nhất + chất lượng hỗn hợp tốt nhất + hạn chế hình thành tâm cháy tại vùng hòa khí chưa cháy + dùng xăng có trị số octan cao, phù hợp với tỉ số nén + làm chậm sự đánh lửa, loại buồng cháy đối xứngCháy sớm ở động cơ xăng: là sự cháy không kiểm soát được, hòa khí nén bùng cháy trước khi bugi đánh lửa. Nguyên nhân: cháy kích nổ gây quá nhiệt, góc đánh lửa trễ, hòa khí nghèo và hòa trộn chất lượng kém, chọn bugi không phù hợp và làm mát kém.Cháy tăng áp đột ngột ở động cơ diesel: do thời gian cháy trễ bị kéo dài, có 1 lượng lớn nhiên liệu cùng tham gia cháy ở giai đoạn 2, áp suất khí cháy tăng vọt, gây tiếng gõ đanh. Khắc phục: giảm thời gian tạo hỗn hợp và hình thành các tâm cháy, giảm nhiên liệu phun vào tại giai đoạn cháy trễ, phun nhiên liệu nhiều giai đoạn, chọn nhiên liệu có trị số xetan cao hơn.