(News.oto-hui.com) – Hỗn hợp nhiên liệu và không khí hoà lẫn theo một tỷ lệ thích hợp sẽ tạo ra công có ích giúp động cơ hoạt động. Trong động cơ đốt trong 4 kỳ, quá trình cháy xảy ra ngay sau khi hỗn hợp nhiên liệu-không khí đã được hòa trộn trong xylanh, được nén lại và bugi bật tia lửa điện (đối với động cơ xăng). Dưới đây là những giải thích về quá trình cháy trong động cơ đốt trong.
Không gian của quá trình cháy là khoảng không gian giữa piston và xylanh, quá trình cháy thường xảy ra trước khi piston chạm vào điểm chết trên. Kết quả của quá trình cháy là áp suất trong xylanh tăng lên tạo moment xoắn tới trục khuỷu của động cơ thông qua piston và thanh truyền.
1. Định nghĩa quá trình cháy trong động cơ đốt trong:
Quá trình cháy trong động cơ đốt trong được định nghĩa là quá trình oxy hóa nhanh của nhiên liệu tạo ra nhiệt độ và ánh sáng. Hay nói cách khác, quá trình cháy là quá trình chuyển đổi năng lượng được lưu trữ trong các liên kết hóa học của nhiên liệu thành nhiệt năng.
Trong động cơ, quá trình cháy xảy ra là một ngọn lửa lan truyền trong xylanh. Ngọn lửa của quá trình cháy sẽ xuất hiện khi có đủ ba thành phần trong xylanh là nhiên liệu, oxigen và nhiệt độ. Tùy thuộc vào loại nhiên liệu, nhiệt độ để tạo lửa có thể đến từ tia lửa điện (đối với động cơ xăng) hoặc không khí được nén (đối với động cơ diesel).
2. Sản phẩm của quá trình cháy trong động cơ đốt trong?
Sản phẩm chính của quá trình cháy trong động cơ đốt trong là cơ năng. Cùng với cơ năng là các sản phẩm phụ như khí thải. Trong điều kiện tiêu chuẩn, khi quá trình cháy kết thúc thì sản phẩm cháy chỉ nên là khí cacbonic (CO2) và hơi nước (H2O).
Trong thực tế, do quá trình đốt cháy không triệt để, khí thải cũng sẽ chứa nhiều khí thải ô nhiễm như là oxit nito (NOx), hydrocacbon chưa cháy (HC), cacbon monoxit (CO) và muội than (PM),…..
- Lưu ý: CO2 không phải là khí thải gây ô nhiễm vì nó không gây hại cho con người và môi trường. Vấn đề với CO2 là nó là loại khí gây nên hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng lên
Nếu chúng ta lấy metan (CH4) làm nhiên liệu thay thế thì sau khi quá trình cháy lí tưởng kết thúc thì chỉ thu được H2O và CO2.
Trong thực tế, nhiên liệu hòa trộn với không khí nhưng không khí lại không phải là oxi tinh khiết, vì hơn 70% không khí là nitơ (N2), một phần Nitơ sẽ phản ứng với oxi tạo thành oxi nito (NOx). Ngoài ra, vì hỗn hợp nhiên liệu không khí không hòa trộn đồng nhất được 100% cho nên một phần nhiên liệu sẽ không cháy hết, có nghĩa là trong khí thải sẽ có hidrocacbon (HC) chưa cháy. Vì lý do đó, oxi cũng có thể không đủ để đốt cháy nên tạo ra cacbon monoxide (CO).
Do những hạn chế trong hiệu suất của quá trình chuyển hóa năng lượng nên động cơ đốt trong của có những đầu ra không mong muốn.
Nguyên nhân gây nên hạn chế trong quá trình chuyển hóa năng lượng là:
- Áp suất xylanh không đồng đều
- Hòa trộn nhiên liệu kém
- Áp suất xylanh quá cao
- Dư/ thiếu oxi trong xylanh.
- Áp suất khí thải quá cao.
Trong bảng dưới đây sẽ trình bày tóm tắt về sản phẩm mong muốn của quá trình cháy và sản phẩm thực tế (không mong muốn) của quá trình cháy trong động cơ đốt trong:
Hiệu suất và công suất của động cơ đốt trong cũng phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính áp suất của động cơ (đồ thị PV), phụ thuộc vào chu trình động cơ (4 kỳ) và khí thải.
3. So sánh động cơ xăng và diesel trong quá trình cháy:
Việc phát sinh khí thải ô nhiễm còn phụ thuộc rất nhiều vào chu trình động cơ. Tất nhiên là có sự khác biệt giữa động cơ diesel và động cơ xăng, đặc biệt là cách thức hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu- không khí, và quá trình cháy được kích hoạt như thế nào. Ngoài ra, các đặc tính của nhiên liệu được xác định khi bắt đầu quá trình chát, cách ngọn lửa lan truyền và cả hàm lượng khí thải.
Trong bảng dưới đây, chúng ta có thể thất được một số thuộc tính chính của xăng và diesel.
| Nhiên liệu | Xăng | Dầu diesel |
| Mật độ [kg / L] | 0,745 | 0,832 |
| Giá trị gia nhiệt [MJ / kg] | 43,2 | 43.1 |
| Năng lượng thể tích [MJ / L] | 32,18 | 35,86 |
| * Điểm chớp cháy [° C] | -43 | 52 |
| * Điểm bắt lửa tự động [° C] | 280 | 256 |
| Số nguyên tử C trên mỗi phân tử | 4 – 12 | 9 – 25 |
| CO 2 phát xạ [kg / kg nhiên liệu] | 2,30 | 2,65 |
| Khí thải CO 2 [g / MJ] | 73,38 | 73,25 |
| Hiệu suất động cơ [%] | 30 | 40 |
- Điểm chớp nháy: nhiệt độ thấp nhất mà tại đó nhiên liệu có thể tạo thành hỗn hợp bắt lửa trong không khí.
- Điểm bốc cháy tự động: nhiệt độ thấp nhất mà tại đó khí hoặc hơi sẽ tự bốc cháy mà không cần nguồn đánh lửa.
Từ bảng tính chất nhiên liệu trên, chúng ta có thể kết luận:
- Mật độ năng lượng của dầu diesel cao hơn xăng chứng tỏ là với một khối lượng nhiên liệu như nhau thì chúng ta thu được nhiều năng lượng từ động cơ diesel hơn là động cơ xăng.
- Xăng dễ bay hơi, điểm chớp nháy thấp hơn nhiều so với dầu diesel và dễ dàng bắt lửa từ nguồn bên ngoài (tia lửa điện).
- Lượng khí thải CO2 trên mỗi kg nhiên liệu, khi quá trình cháy là lý tưởng, thì nhiên liệu diesel sẽ có nhiều CO2 hơn vì lượng nguyên tử cacbon cao hơn. Tuy nhiên nếu liên hệ lượng khí thải CO2 với giá trị năng lượng của nhiên liệu thì diesel sẽ có lượng khí thải thấp hơn một chút.
Trong sơ đồ dưới đây, chúng ta có thể quan sát sự tương quan giữa hành trình piston với quá trình cháy trong động cơ đốt trong 4 kỳ:
Trong động cơ đốt trong của xăng, trước khi bật tia lửa điện, hỗn hợp nhiên liệu không khí phải đồng nhất. Điều này rất quan trọng ngay khi bugi bật tia lửa điện thì màng lửa sẽ lan truyền trong xylanh nhanh chóng.
Hồ quang điện (plasma) do bugi tạo ra là 1000 độ C để kích hoạt quá trình cháy. Sự chuyển động của dòng khí nạp cũng rất quan trọng vì độ hỗn loạn trong xi lanh càng cao thì quá trình cháy và lan truyền màng lửa càng nhanh.
Trong động cơ diesel, hỗn hợp không khí- nhiên liệu lại không đồng nhất mà được phân tầng. So với động cơ xăng, thời gian để nhiên liệu hòa trộn với không khí ngắn hơn rất nhiều, ngắn hơn khoảng 5-8 lần.
Nếu ở động cơ xăng, hỗn hợp không khí và nhiên liệu được hòa trộn trong gần hau hành trình piston (nạp và nén) thì ở động cơ diesel, hỗn hợp chỉ hình thành trong 40 đến 80 độ của vòng quay trục khuỷu. Trong động cơ diesel sẽ hình thành vô số tâm lửa khi nhiên liệu diesel được phun vào buồng đốt tiếp xúc với không khí đã được nén nóng.
Do đó, từ khái niệm của quá trình cháy trong động cơ đốt trong, chúng ta có thể phân biệt tóm lược giữa động cơ diesel và động cơ xăng như sau:
| Loại động cơ | Động cơ diesel | Động cơ xăng |
| Tác nhân đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu- không khí | Bên trong (nhiệt độ cao của khí nén) | Bên ngoài (bugi) |
| Hỗn hợp nhiên liệu không khí | Phân tầng cục bộ | Đồng nhất |
| Kiểm soát tải | Định tính (thông qua kiểm soát lượng nhiên liệu), không được kiểm soát được không khí | Định lượng (thông qua kiểm soát lượng không khí) |
| Tốc độ đốt cháy | Chậm, dẫn đến tốc độ động cơ thấp nhưng mô-men xoắn cao | Nhanh, dẫn đến tốc độ và công suất động cơ cao |
| Phát thải chất ô nhiễm | Muội và NOx cao, CO và HC thấp | HC và CO cao, muội và NOx thấp |
Bài viết liên quan:
- 4 kỳ của động cơ đốt trong theo chu trình Otto
- Động cơ chu trình Miller – Phiên bản biến thể của chu trình Otto
- Chu trình Atkinson – Sự cải tiến của chu trình Otto
