(News.oto-hui.com) – Ngày nay, động cơ đốt trong có thể đạt hiệu suất cao lên đến 40 – 52%, trong khi đó máy hơi nước cổ điển kiểu piston chỉ đạt khoảng 16%, tuabin hơi nước từ 22 – 28%, còn tuabin khí cũng chỉ tới 30%. Để đạt được hiệu suất cao, động cơ phải chịu ảnh hưởng bởi các tác nhân như sự nạp thải, quá trình điều khiển đánh lửa, sự chuyển đổi năng lượng ở các kỳ,… Để hiểu rõ hơn những nguyên nhân gây ra hiệu suất thấp ở động cơ xăng, cùng tìm hiểu trong bài viết này.
Trải qua nhiều năm nghiên cứu và phát triển, động cơ đốt trong được trang bị thêm nhiều công nghệ mới vận hành an toàn và tiết kiệm nhiên liệu. Khối lượng động cơ được chế tạo nhẹ đi để phù hợp với các phương tiện khác nhau nhưng vẫn đáp ứng đủ về mặt công suất và tính năng của nó.
Mặc dù là động cơ có hiệu suất rất cao nhưng ở một số chế độ hoạt động khác lại chưa được hiệu quả, đặc biệt là ở chế độ tải nhỏ.
- Ở chế độ đầy tải, do bướm ga mở hoàn toàn, lượng không khí hút vào xylanh nhiều nên công sinh ra ở kỳ giãn nở lớn trong khi công tiêu hao hút nhỏ do lực cản dòng khí của bướm ga nhỏ nên hiệu suất làm việc sẽ cao.
- Ở chế độ tải nhỏ phần, do điều kiện tải nhỏ, bướm ga được điều khiển mở nhỏ nên lượng không khí hút vào xylanh rất ít, công sinh ra ở kỳ giãn nở nhỏ trong khi đó công tiêu hao hút lại lớn do sức cản dòng khí của bướm ga lớn vì vậy hiệu suất làm việc thấp hơn ở chế độ tải lớn.
- Ví dụ: Khi hiệu suất nhiệt động học của động cơ xăng được tính toán với tỉ số nén ε=9-10, đối với một chu trình lý tưởng thường chỉ đạt xấp xỉ 60%.
Dưới đây là 9 nguyên nhân gây ra hiệu suất thấp ở động cơ xăng:
1. Ảnh hưởng bởi quá trình nạp thải:
Trong suốt quá trình nạp, piston dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD tạo nên lực hút không khí vào bên trong buồng đốt. Để thực hiện được điều này, piston phải tiêu tốn một lượng công nhất định gọi là công tổn hao quá trình hút (pumping loss).
Nếu ở chế độ tải lớn, bướm ga mở hoàn toàn cho nên không khí từ bên ngoài được hút vào bên trong dễ dàng nhưng vẫn bị cản trở bởi xupap nạp, công tiêu hao để hút rất ít.
(9 nguyên nhân gây ra hiệu suất thấp của động cơ xăng)
Ngược lại ở chế độ tải nhỏ, bướm ga chỉ được mở một phần. Piston thực hiện quá trình hút phải chịu một lực khá lớn do cản trở của bướm ga tạo ra, lực này tác dụng lên đỉnh piston làm công quá trình hút tăng lên rất nhiều.
Ngoài ra, lượng khí nạp vào còn bị giới hạn bởi thể tích và áp suất của buồng cháy. Mà hiệu suất động cơ lại phụ thuộc vào lượng khí nạp vào trong xylanh, vì vậy tăng lượng khí nạp sẽ bù đắp lại được thất thoát do công tổn hao.
Quá trình thải là quá trình mà piston phải thực hiện đẩy môi chất cháy ra ngoài. Đầu quá trình thải, xupap thải mở sớm, khi đó quá trình cháy giãn nở vẫn chưa hoàn tất. Một phần công của quá trình cháy bị tiêu tốn dùng để đẩy khí thải ra bên ngoài.
2. Ảnh hưởng bởi khí sót:
Yêu cầu chính của quá trình thải là phải đẩy được toàn bộ sản phẩm cháy ra ngoài buồng đốt, nhưng đều này là hoàn toàn không thể. Chất cháy còn sót lại được gọi là khí sót, lượng chất này có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình nạp và cháy ở chu trình tiếp theo.
Khí sót ở kỳ nạp sẽ chiếm một phần thể tích của xylanh khiến cho lượng khí được hút vào giảm đi đáng kể. Đến kỳ cháy giãn nở, nhiên liệu bị lẫn tạp chất dẫn đến tỉ lệ hòa khí bị sai lệch, chất lượng quá trình cháy sẽ giảm đi đáng kể.
(9 nguyên nhân gây ra hiệu suất thấp của động cơ xăng)
3. Ảnh hưởng do sự chuyển đổi nhiệt trong quá trình nén:
Trong suốt quá trình nén, piston thực hiện nén môi chất, thể tích thay đổi nên một phần công nén bị chuyển đổi thành nhiệt. Nhiệt sau khi được chuyển thành sẽ thất thoát ra ngoài qua vách xylanh do bộ làm mát của động cơ, tức một phần cơ năng được chuyển thành cũng bị mất đi, công sinh ra ở quá trình này không được trọn vẹn.
(9 nguyên nhân gây ra hiệu suất thấp của động cơ xăng)
4. Ảnh hưởng bởi xảy ra lọt khí:
Bên trong động cơ, piston dịch chuyển trong xylanh được bao bọc xung quanh bởi xéc măng và dầu bôi trơn. Xéc măng có nhiệm vụ bao kín buồng cháy không cho khí cháy lọt xuống đáy dầu và không cho dầu lọt vào buồng cháy. Nhưng trên thực tế khi động cơ hoạt động, luôn có một lượng môi chất trong lòng xylanh bị rò rỉ ra ngoài qua xéc măng, đặc biệt là ở quá trình nén.
(9 nguyên nhân gây ra hiệu suất thấp của động cơ xăng)
Đây được gọi là hiện tượng lọt khí. Hiện tượng này làm giảm áp suất quá trình nén cũng như môi chất nén, khiến công suất động cơ ở quá trình nén bị giảm đi.
5. Ảnh hưởng bởi chất lượng hoà khí:
Hiệu suất của động cơ phụ thuộc vào chất lượng của quá trình cháy là chủ yếu. Do đây là quá trình sinh công có ích duy nhất của động cơ. Tính chất cháy được quyết định bởi thành phần hòa khí, hình thành hòa khí có ảnh hưởng quyết định đến quá trình cháy, qua đó đến tính kinh tế, tính hiệu quả, độ êm dịu và chất lượng khí thải của động cơ.
Trong quá trình làm việc, động cơ đòi hỏi thành phần hoà khí ở mỗi chế độ làm việc khác nhau. Tỉ lệ không khí trên nhiên liệu được viết tắt là A/FR.
Bảng tỷ lệ hòa khí ở các chế độ hoạt động khác nhau:
| Chế độ làm việc | A/FR |
| Khởi động ở nhiệt độ thấp (0oC) | 1:1 |
| Khởi động ở nhiệt độ thường (20oC) | 5:1 |
| Không tải | 11:1 |
| Chạy chậm | 12-13:1 |
| Tăng tốc | 8:1 |
| Công suất cực đại | 12-13:1 |
| Tốc độ trung bình | 16-18:1 |
Nếu hỗn hợp quá giàu nhiên liệu, khi quá trình cháy diễn ra sẽ không đủ lượng oxy cần thiết để đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp. Kết quả là năng lượng sinh ra không đủ, sản phẩm cháy sẽ tạo ra muội than và các chất độc hại như CO, HC….và hiệu suất giảm.
Ngược lại hỗn hợp quá nghèo thì sẽ có những vùng quá loãng nên quá trình cháy cũng không xảy ra nên sinh ra chất độc hại như CO và hiệu suất cũng giảm.
6. Ảnh hưởng bởi tốc độ cháy nhiên liệu:
Trong chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong, thời gian đốt cháy bằng 0 và tốc độ cháy là cực kỳ nhanh.
Từ lúc bugi bắt đầu đánh lửa, nhiên liệu bắt đầu cháy và cho đến khi cháy hoàn toàn. Nếu tốc độ cháy quá chậm, quá trình cháy của sẽ kéo dài đến kỳ sau của động cơ, làm công suất động cơ giảm đi.
(9 nguyên nhân gây ra hiệu suất thấp của động cơ xăng)
Trong thực tế, tốc độ cháy của nhiên liệu phải phù hợp với tốc độ quay và tải của động cơ. Mà tốc độ quay và tải động cơ luôn thay đổi, vì vậy để thay đổi tốc độ cháy người ta phải thay đổi thời điểm đánh lửa hay nói cách khác là góc đánh lửa sớm nếu động cơ ở tốc độ cao.
Nếu góc đánh lửa sớm quá lớn sẽ dẫn đến hiện tượng vừa cháy vừa nén làm tốn công nén và máy nóng. Ngược lại góc đánh lửa sớm nhỏ quá làm cho quá trình cháy kéo dài trên đường giãn nở, nhiệt độ khí thải cao, máy nóng và hiệu quả sinh công kém.
7. Ảnh hưởng bởi tỷ số nén của động cơ xăng:
Tỷ số nén là một thông số ảnh hưởng trực tiếp đến tính năng làm việc của động cơ. Khi tăng tỷ số nén thì hiệu suất của động cơ tăng. Tuy nhiên tỷ số nén càng cao ở động cơ xăng thì khả năng xảy ra cháy kích nổ càng lớn (trừ trường hợp của hãng Mazda).
Ngoài ra động cơ có tỷ số nén cao hơn sẽ làm việc phát ra công suất lớn hơn vì áp suất và nhiệt độ quá trình nén cao hơn làm cho tốc độ cháy và tốc độ tăng áp suất lớn hơn.
(9 nguyên nhân gây ra hiệu suất thấp của động cơ xăng)
8. Ảnh hưởng bởi hệ thống đánh lửa:
Bugi cần phát ra tia lửa điện đúng vào thời điểm cuối của quá trình nén. Nếu bugi đánh lửa quá sớm hoặc quá trễ thì động cơ sẽ tiêu tốn nhiên liệu đồng thời công suất động cơ tăng và hiệu suất động cơ giảm.
Vị trí đặt bugi ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu suất làm việc của động cơ.
- Cụ thể vị trí đặt bugi trong buồng cháy gây ảnh hưởng lớn đến khuynh hướng kích nổ.
- Nếu đặt bugi gần sát xupap nạp và xupap xả sẽ làm tăng khả năng tăng cao nhiệt độ của khối hòa khí ở cuối hành trình màng lửa, do nhiệt độ lớn của xupap xả gây ra, vì vậy làm tăng khuynh hướng kích nổ.
Do đó cần phải đặt bugi sát với khu vực giữa của buồng cháy và gần bộ phận nóng nhất buồng cháy, qua đó một mặt rút ngắn hành trình màng lửa, mặt khác còn giảm bớt nhiệt độ của khối hòa khí ở khu vực cuối hành trình màng lửa làm giảm khuynh hướng kích nổ.
(9 nguyên nhân gây ra hiệu suất thấp của động cơ xăng)
Ngoài ra, năng lượng tia lửa cũng phải đủ sức đốt cháy hỗn hợp bên trong xylanh động cơ.
9. Tổn thất khác liên quan đến cơ giới:
Tổn thất cơ giới bao gồm các thành phần sau:
Công tổn hao ma sát: Công trên 1 chu trình cần thiết để thắng các ma sát do các chi tiết trong động cơ có chuyển động tương đối với nhau.
- Công tổn hao này gồm các thành phần tổn hao giữa xéc măng, thân piston và thành xylanh, tổn hao ở các khớp, đầu to thanh truyền, trục khuỷu và ổ trục cam, tổn hao ở cơ cấu xupáp, ở các bánh răng, bánh đai và đai dẫn động trục cam.
Công dẫn động các cơ cấu phụ: Công trên 1 chu trình cần để dẫn động các cơ cấu phụ như các bơm, quạt, máy phát điện… Thông thường chỉ bao gồm những cơ cấu phụ cần thiết cho hoạt động của động cơ.
Bài viết liên quan:
- 9 nguyên nhân gây tiêu hao nhiên liệu của động cơ xăng
- Tìm hiểu hiện tượng cháy rớt trên động cơ Diesel
- Xử lý hư hỏng động cơ theo hiện tượng & tình trạng hoạt động
