Khảo sát đặc tính động diesel Đặc tính tốc độ động diesel Đặc tính tốc độ hàm số (đường cong) thể biến thiên Ne, Me, Gnl, ge theo số vòng quay trục khuỷu (n), giữ nguyên vị trí cấu điều khiển động (cố định vị trí bơm cao áp động Diesel) Hàm số biểu diễn đặc tính tốc độ có dạng: Ne, Me, Gnl ge = f(n) Động sử dụng phương tiện vận tải ảnh hưởng điều kiện sử dụng nên chế độ làm việc thường không ổn định, số vòng quay, công suất mô-men động thay đổi phạm vi rộng từ chế độ chạy không tải chế độ phát công suất cực đại, chí làm việc tải thời gian ngắn Với loại động người ta dùng đặc tính tốc độ nhằm thể tính động lực ô tô máy kéo, đặc tính tốc độ chủ yếu dùng cho động ô tô máy kéo Một động xây dựng nhiều đường đặc tính tốc độ, ứng với vị trí tay ga có đường cong biểu diễn biến thiên công suất động theo số vòng quay [22] Như vậy, vị trí cấu điều khiển động xây dựng đường đặc tính tốc độ động Tùy thuộc vào vị trí cấu điều khiển chia thành loại đặc tính tốc độ sau: • Đặc tính tốc độ • Đặc tính tốc độ phận [22] 2.1.1.1 Đặc tính tốc độ Là đặc tính tốc độ xác định vị trí toàn tải động (thanh vị trí cho lượng cung cấp nhiên liệu lớn theo quy định), đường đặc tính hiển thị công suất cực đại động ứng với chế độ tốc độ khác Hình 2.0 - Đường đặc tính đặc tính phận động Diesel Kubota RT125DI Chú thích: “Maximum” – Đường đặc tính tốc độ động cơ; “Continuous” – Đường đặc tính tốc độ phận động ứng với vị trí mở có công suất 90% công suất cực đại Nói cách khác, đường đặc tính tốc độ biểu thị công suất cực đại động ứng với chế độ tốc độ gọi đường đặc tính tốc độ ngoài, tất đường đặc tính tốc độ khác nằm đường đặc tính tốc độ gọi đường đặc tính tốc độ phận Vì động có đường đặc tính tốc độ họ đường đặc tính tốc độ phận Nhận xét: đường đặc tính có điểm đặc trưng sau n1 (nNe max) – số vòng quay ứng với công suất lớn n2 (nMe max) – số vòng quay ứng với momen lớn n3 (nge max) – số vòng quay ứng với suất tiêu thụ nhiên liệu nhỏ n4 (n max) – số vòng quay lớn quy định n5 (n min) – số vòng quay chạy không tải ổn định nhỏ 2.1.1.2 Đặc tính tốc độ phận Là đường đặc tính tốc độ xác định giữ nguyên không đổi vị trí cấu điều khiển (thanh bơm cao áp) vị trí đảm bảo công suất động thấp công suất đường đặc tính Vậy đặc tính tốc độ phận đường cong Ne, Me, ge, Gnhl = f(n) mà động tạo thành chế độ không toàn tải tốc độ động thay đổi Có nhiều đường đặc tính phận có đường đặc tính 2.1.1.3 Đặc tính trình cháy động diesel Động diesel thường chia thành hai loại: động diesel phun trực tiếp: nghĩa nhiên liệu phun trực tiếp vào buồng cháy Nhiên liệu phun với áp suất cao qua vòi phun với nhiều lỗ phun tạo điều kiện cho hạt nhiên liệu phun tơi hơn, hóa sương tốt đảm bảo cháy hoàn toàn Động diesel phun gián tiếp: nhiên liệu phun vào buồng cháy phụ nằm gần kết nối trực tiếp với buồng cháy chính, buồng cháy phụ tích 30% - 45% tổng thể tích buồng cháy Buồng cháy phụ không đủ không khí để đốt cháy toàn nhiên liệu Do đó, nhiên liệu phun vào buồng cháy phụ, phần hạt nhiên liệu cháy điều tạo nên áp suất nội buồng cháy phụ Một lượng lớn khí cháy nhiên liệu chưa cháy lại phun vào buồng cháy dạng xoáy lốc mãnh liệt, hòa trộn khí nạp cháy tiếp Nhiên liệu Diesel có độ nhớt lớn khó bay phải dùng biện pháp phun tơi nhiên liệu nhờ bơm cao áp vào môi trường áp suất cao, nhiệt độ lớn môi chất công tác buồng cháy động vào cuối kì nén, làm cho hòa khí hình thành trực tiếp bên xylanh Sau hòa khí qua giai đoạn phản ứng hóa học phức tạp lửa lạnh, lửa xanh, lửa nóng tự bốc cháy Do cuối kỳ nén phun nhiên liệu vào xylanh động cơ, nên trình hình thành hòa khí ngắn, chiếm khoảng 15 – 35° góc quay trục khuỷu, tạo nên tình trạng không thành phần hòa khí khu vực buồng cháy động Mặt khác đem số nhiên liệu cấp cho chu trình phun lúc vào xylanh động cơ, suốt thời gian phun nhiên liệu, thành phần hòa khí xylanh biến động liên tục Tại khu vực hòa khí đậm, nhiên liệu thiếu oxy nên cháy chậm, chí gây cháy không kiệt tạo khói đen khí thải, khu vực hòa khí nhạt gây nên tình trạng không tận dụng hết oxy Vì động diesel hoạt động bình thường không thải khói đen giá trị trung bình hệ số dư lượng không khí λ > , nghĩa tình trạng không sử dụng hết số oxy nạp vào động Tuy nhiên với trường hợp λ > tượng cháy không kiệt, vấn đề cần giải để nâng cao tính động lực tính kinh tế động [23] Bốn thời kì trình cháy động diesel Nhiên liệu động diesel phun vào xilanh động vào cuối kì nén, lực cản không khí nén buồng cháy, nhiên liệu xé tơi thành hạt nhỏ không kích thước phân bố không không gian buồng cháy Các hạt nhiên liệu môi trường nhiệt độ cao sấy nóng nhanh, khiến nhiệt độ tăng cao Nhiên liệu bắt đầu bay từ bề mặt hạt nhiên liệu khuếch tán nhanh vào khối không khí nóng xung quanh, sau thời gian, xung quanh hạt nhiên liệu tạo lớp hỗn hợp nhiên liệu không khí gọi lớp hòa khí Lớp hòa khí nằm sát với bề mặt hạt hòa khí đậm, có nhiệt độ thấp hạt nhiên liệu hút nhiệt lớp để bay hơi, lớp cách bề mặt hạt xa hòa khí nhạt với nhiệt độ cao Hình 2.1 - Các giai đoạn cháy động diesel Quá trình cháy động diesel chia thành giai đoạn: giai đoạn cháy trễ, giai đoạn cháy nhanh, giai đoạn cháy giai đoạn cháy rớt a Giai đoạn cháy trễ I Bắt đầu từ lúc nhiên liệu thực tế phun vào buồng cháy (điểm 1, Hình 2.1) kết thúc xuất trung tâm cháy đầu tiên, việc xác định thời điểm xuất trung tâm cháy buồng cháy khó nên người ta quy ước thời điểm cuối giai đoạn cháy trễ lúc đường cong áp suất xylanh tách khỏi đường nén lí thuyết (điểm 2, Hình 2.1) Trước xuất trung tâm cháy hay lượng bắt đầu giải phóng, có số trình vật lý hóa học diễn sau: Các trình vật lý : nhiên liệu phun tơi, hóa sương hòa trộn với không khí Các trình hóa học: phản ứng diễn trước trình cháy nhiên liệu không khí, phản ứng chịu ảnh hưởng thành phần nhiên liệu, nhiệt độ áp suất khí nén chịu ảnh hưởng tỉ lệ hòa trộn không khí nhiên liệu Tốc độ phản ứng hóa học diễn tương đối chậm, sản vật phản ứng sản vật trung gian Thời gian cháy trễ động Diesel kéo dài khoảng vài phần nghìn giây, thời gian có khoảng 30% - 40% lượng nhiên liệu chu trình đưa vào buồng cháy, đặc biệt số động Diesel cao tốc, lượng nhiên liệu phun giai đoạn tới 100% Thời gian giai đoạn cháy trễ bị ảnh hưởng 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 xoáy lốc không khí… - Điều kiện vận hành: bao gồm nhiệt độ áp suất khí nạp xilanh cuối trình nén, tốc độ động cơ, tác động thành buồng cháy, nồng độ oxi… - Đặc tính nhiên liệu: thể chất lượng nhiên liệu cụ thể khả tự cháy bùng cháy đánh giá thông qua nhiệt độ tự cháy trị số cetan nhiên liệu diesel Chỉ số cetan Chỉ số cetan thông số quan trọng nhiên liệu diesel đo lường khả tự cháy dấu hiệu chất lượng trình cháy nhiên liệu Nếu dùng nhiên liệu có thành phần hydrocarbon thơm với số cetane nhỏ giai đoạn cháy trễ kéo dài hơn, có lượng lớn nhiên liệu tham gia cháy giai đoạn hai (giai đoạn cháy nhanh) làm cho áp suất khí cháy tăng vọt gây tượng kích nỗ diesel, động hoạt động ồn, có tiếng gõ đanh tăng phát thải NOx Ngược lại, dùng nhiên liệu có thành phần hydrocarbon no – họ parafin với số cetane lớn nhiệt độ tự cháy thấp, nhiên liệu dễ dàng bốc cháy dẫn đến giai đoạn cháy trễ diễn ngắn làm cho động hoạt động êm dịu, dễ khởi động nguội hạn chế phát thải NOx.[24] Hình 2.2 - Ảnh hưởng số cetan nhiên liệu tới mức độ tăng áp suất cực đại b Giai đoạn cháy nhanh II Giai đoạn tính từ điểm bắt đầu bốc cháy điểm đồ thị hình 2.1 cháy lúc phần nhiên liệu phun tơi đầu tiên, làm áp suất khí cháy tăng đột ngột đến điểm điểm đánh dấu mức độ tăng áp bắt đầu chậm lại Nguồn lửa hình thành, tốc độ cháy tăng nhanh, tốc độ tỏa nhiệt thường lớn Ở cuối thời kì số nhiên liệu bốc cháy chiếm khoảng 1/3 nhiên liệu cấp cho chu trình Áp suất nhiệt độ tăng nhanh, áp suất cao tới 6-9 (MPa) Nhiên liệu phun tiếp vào buồng cháy (số lượng nhiên liệu phun vào thời kì phụ thuộc vào độ dài ngắn thời gian cháy trễ thời gian phun nhiên liệu chu trình) làm tăng nồng độ nhiên liệu hòa khí Cũng tương tự động cháy cưỡng mức độ tăng áp suất nhanh xilanh có ảnh hưởng định đến tính phát công suất động phải nằm giới hạn cho phép để đảm bảo độ bền tuổi thọ động Tốc độ tăng áp trung bình giai đoạn nằm 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 áp suất, nhiệt độ không khí thời điểm phun nhiên liệu • Cường độ vận động xoáy lốc rối không khí • Thời gian cháy trễ dài hay ngắn Nếu độ tăng áp suất trung bình vượt giới hạn quy định tạo nên xung áp suất đập vào bề mặt chi tiết buồng cháy, gây tiếng gõ đanh, sắc chế độ hoạt động “thô bạo” động Diesel Trong điều kiện hoạt động “thô bạo” chi tiết chịu tải động dễ hỏng, rút ngắn tuổi thọ, đồng thời gây khó khăn cho việc điều khiển lái xe, cần tìm biện pháp tránh gây tượng Tình hình cháy thời kì cháy nhanh phụ thuộc vào lượng nhiên liệu cấp cho xylanh thời kì cháy trễ tình hình tiến triển chuẩn bị vật lí hóa học nhiên liệu Nếu thời kì cháy trễ kéo dài, số lượng nhiên liệu phun vào xylanh thời kì nhiều chuẩn bị đầy đủ để cháy cần có nơi bốc cháy, màng lửa lan nhanh đến nơi buồng cháy Tốc độ cháy lớn, tăng tốc độ gia tăng áp suất, hoạt động động trở nên thô bạo khó điều khiển trực tiếp tốc độ cháy thời kì cháy nhanh, áp suất khí cháy tăng vọt nguyên nhân làm tăng lượng phát thải NOx Các biện pháp hạn chế trình cháy nhanh • Giảm thời gian tạo hỗn hợp hình thành tâm cháy ( thời gian cháy trễ) • Giảm lượng nhiên liệu phun vào giai đoạn cháy trễ • Phun nhiên liệu làm nhiều giai đoạn • Chọn nhiên liệu có trị số cetan cao Hình 2.3 - Ảnh hưởng thời gian cháy trễ tới mức độ tăng áp suất cháy cực đại động diesel a Giai đoạn cháy Giai đoạn cháy ( điểm 3, hình 2.1), mức độ tăng nhanh áp suất bắt đầu giảm, tới vực áp suất cháy đạt cực đại nhiệt độ khí cháy dần đạt tới giá trị cực đại ( điểm 4, hình 2.1) Đây giai đoạn giải phóng nhiệt lượng chủ yếu, thông thường nhiệt lượng giai đoạn cháy nhanh cháy chiếm khoảng 80% nhiệt lượng cấp cho chu trình Trong thời kì này, thông thường kết thúc phun nhiên liệu, sản vật cháy tăng nhanh làm giảm nồng độ nhiên liệu oxy Nhiệt độ tăng lên tới giá trị lớn (1700 – 2000°C), pít-tông bắt đầu xuống nên áp suất giảm xuống Nồng độ sản vật trung gian buồng cháy giảm nhanh, nồng độ sản vật cháy cuối tăng nhanh Trong thời kì cháy chính, đầu tốc độ cháy lớn, sau lượng oxy buồng cháy giảm dần, sản vật cháy tăng lên nhiều, điều kiện cháy trở nên không thuận lợi cuối thời kì tốc độ cháy ngày chậm Trong thời kì nhiên liệu cháy điều kiện nóng thiếu oxy cháy không hết tạo muội than theo khí thải thải trời gây ô nhiễm môi trường Vì vấn đề thời kì cháy mâu thuẫn tốc độ cháy tốc độ hình thành hòa khí Nếu tăng cường cung cấp oxy cho nhiên liệu để cải thiện chất lượng hình thành hòa khí làm tăng tốc độ cháy, rút ngắn thời kì cháy chậm làm cho nhiên cháy hoàn toàn, nâng cao thêm tính động lực tính kinh tế động b Giai đoạn cháy rớt Được tính từ điểm điểm cháy hết nhiên liệu đồ thị hình 2.1 Trên thực tế khó xác định điểm kết thúc cháy kéo dài mở cửa thải Thông thường điểm xem điểm có tổng nhiệt lượng cháy tỏa chiếm 95% ÷ 97% nhiệt lượng cấp cho chu trình Trong thực tế động diesel tồn trình cháy vùng hỗn hợp đậm vùng loãng, thời điểm cháy rớt lượng sản vật cháy tăng lên nhiều, áp suất nhiệt độ môi chất xilanh hạ thấp nhanh, chuyển động dòng khí yếu đi… tất nguyên nhân khiến cháy khả hình thành sản phẩm có hại CO, HC, andehyt, muội than lớn ... động tạo thành chế độ không toàn tải tốc độ động thay đổi Có nhiều đường đặc tính phận có đường đặc tính 2.1.1.3 Đặc tính trình cháy động diesel Động diesel thường chia thành hai loại: động diesel. ..Hình 2.0 - Đường đặc tính đặc tính phận động Diesel Kubota RT125DI Chú thích: “Maximum” – Đường đặc tính tốc độ động cơ; “Continuous” – Đường đặc tính tốc độ phận động ứng với vị trí mở... khác, đường đặc tính tốc độ biểu thị công suất cực đại động ứng với chế độ tốc độ gọi đường đặc tính tốc độ ngoài, tất đường đặc tính tốc độ khác nằm đường đặc tính tốc độ gọi đường đặc tính tốc