(News.oto-hui.com) – Quá trình cháy trong động cơ xăng có nhiều giai đoạn cháy khác nhau. Vậy những giai đoạn cháy đó là những giai đoạn nào? Diễn ra như thế nào, khi nào và có những nhân tố nào ảnh hưởng đến quá trình cháy đó? Hãy cùng tìm hiểu câu trả lời thông qua bài viết này nhé.
Đã có phần 2: Quá trình cháy trong động cơ diesel và những nhân tố ảnh hưởng đến.
=> Xem: TẠI ĐÂY!
I. Quá trình cháy trong động cơ xăng?
Như đã biết, ở động cơ xăng hòa khí được hình thành ở bên ngoài xylanh (ngoại trừ động cơ phun xăng trực tiếp). Quá trình cháy ở động cơ xăng có thể chia thành 3 giai đoạn lần lượt là giai đoạn cháy trễ, giai đoạn cháy nhanh và cuối cùng là giai đoạn cháy rớt.
Giai đoạn I: Cháy trễ
Giai đoạn cháy trễ là giai đoạn được tính từ lúc bugi bắt đầu bật tia lửa điện (tại điểm 1 trên đồ thị) đến khi đường cháy tách ra khỏi đường nén (tại điểm 2 trên đồ thị).
Về bản chất, giai đoạn cháy trễ là quá trình châm cháy ở nhiệt độ cao. Trong giai đoạn này hình thành những nguồn lửa đầu tiên từ bugi và bắt đầu dịch chuyển màng lửa. Lượng hòa khí tham gia ở giai đoạn này chỉ chiếm một phần nhỏ (khoảng 1,5%) nên nhiệt lượng tỏa ra không làm thay đổi áp suất đường nén.
Các thông số đặc trưng của giai đoạn cháy trễ là thời gian cháy trễ hay góc cháy trễ, phụ thuộc vào thành phần và tính chất của nhiên liệu, mức độ chuyển động rối của môi chất, nhiệt độ lân cận bugi tại thời điểm đánh lửa và năng lượng của tia lửa.
Giai đoạn II: Cháy nhanh
Giai đoạn cháy nhanh diễn ra bắt đầu từ cuối giai đoạn cháy trễ đến khi áp suất trong buồng cháy đạt giá trị cao nhất (tại điểm 3 trên đồ thị). Tại giai đoạn này, màng lửa lan tràn với tốc độ lớn, do hòa khí đã được hòa trộn rất tốt từ bên ngoài (xăng rất dễ bay hơi, thời gian chuẩn bị hòa khí dài từ bên ngoài xylanh rồi tiếp tục trong quá trình nạp và quá trình nén) nên phần lớn lượng hòa khí bị đốt cháy trong giai đoạn này. Ở cuối giai đoạn này, màng lửa hầu như lan tràn khắp buồng cháy và áp suất bên trong buồng cháy đạt giá trị cực đại, nhiệt lượng tỏa ra với tốc độ rất lớn.
Về bản chất, cháy trong giai đoạn này là cháy nổ lan dần. Thông số đặc trưng của giai đoạn cháy nhanh đó là tốc độ tăng áp suất. Nếu quá trình cháy diễn ra càng mãnh liệt thì tốc độ tăng áp suất càng lớn, động cơ sẽ hoạt động không êm và ngược lại. Trên lý thuyết, quá trình cháy ở giai đoạn này sẽ cho hiệu quả sinh công tốt nhất khi đầu và cuối giai đoạn cháy nhanh đối xứng qua điểm chết trên. Đây là một cơ sở để lựa chọn góc đánh lửa tối ưu nhất.
Giai đoạn III: Cháy rớt
Giai đoạn cháy rớt diễn ra sau khi kết thúc giai đoạn cháy nhanh. Tốc độ của quá trình cháy giảm đi vì khi này chỉ cháy nốt những phần hòa khí nhỏ còn sót lại ở sát vách hay ở khe kẽ của buồng cháy. Cùng với điều kiện nồng độ oxy lúc này đã giảm xuống nhiều nên tốc độ tỏa nhiệt nhỏ. Ngoài ra, ở giai đoạn này piston di chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới làm tăng thể tích của xylanh. Vì những lí do trên nên quá trình đốt cháy hòa khí ở giai đoạn này có hiệu quả sinh công thấp, nhiệt lượng sinh ra chủ yếu làm nóng các chi tiết của động cơ.
Chính vì thế nên các nhà sản xuất luôn cố gắng tìm cách để làm giảm giai đoạn cháy rớt này lại. Một số biện pháp được áp dụng để hạn chế cháy rớt như là chọn góc đánh lửa sớm, cường độ xoáy lốc của môi chất thích hợp và sử dụng đúng loại nhiên liệu yêu cầu.
II. Những nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cháy của động cơ xăng?
1. Góc đánh lửa sớm:
Nếu đánh lửa quá sớm sẽ dẫn đến hiện tượng vừa cháy vừa nén, làm tốn công nén và nóng máy (đường 1 trên đồ thị). Ngược lại, nếu đánh lửa quá muộn sẽ làm cho quá trình cháy kéo dài trên đường giãn nở, làm nhiệt độ của khí thải cao, nóng máy và hiệu quả sinh công kém (đường 3 trên đồ thị).
Lựa chọn được góc đánh lửa thích hợp sẽ đem lại tính kinh tế và tính hiệu quả cao nhất (đường 2 trên đồ thị). Tuy nhiên, chọn được góc đánh lửa tối ưu không đồng nghĩa với việc nồng độ độc hại trong khí thải của động cơ là thấp nhất.
2. Hệ số dư lượng không khí:
Hòa khí trong động cơ xăng có giới hạn cháy hẹp, 0,4 < lamda < 1,68 ở nhiệt độ 300oC. Vì thế, để điều chỉnh tải trọng thường phải sử dụng phương pháp điều chỉnh lượng thông qua một van tiết lưu trên đường nạp.
Nếu lamda càng lớn (hòa khí càng nhạt) thì nhiệt lượng tỏa ra ít, công suất của động cơ giảm. Ngoài ra, nếu hòa khí càng nhạt thì quá trình cháy rớt càng kéo dài, hiệu quả sinh công giảm làm giảm tính hiệu quả và tính kinh tế của động cơ. Để khắc phục phần nào ảnh hưởng do cháy rớt có thể tăng góc đánh lửa sớm.
Xem thêm:
Hệ số nạp là gì? Những nhân tố nào ảnh hưởng đến hệ số nạp của động cơ?
Ngược lại, nếu lamda quá nhỏ (hòa khí rất đậm), nhiên liệu cháy không hết sẽ làm giảm tính kinh tế của động cơ và tăng ô nhiễm môi trường.
Khi lamda dao động trong khoảng từ 0,8 đến 0,9 thì tốc độ lan tràn của màng lửa là lớn nhất, động cơ đạt công suất lớn nhất. Khi lamda nằm trong khoảng từ 1,05 đến 1,1 thì suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ là nhỏ nhất.
3. Tỉ số nén:
Khi tăng tỉ số nén sẽ làm cho nhiệt độ và áp suất tại thời điểm đánh lửa tăng lên, dẫn tới giảm thời gian cháy trễ và góc cháy trễ.
4. Kết cấu buồng cháy và bố trí bugi:
Nếu kết cấu buồng đốt gọn, bugi đặt giữa hoặc bố trí nhiều bugi làm cho thời gian và góc dành cho quá trình cháy nhanh được rút ngắn lại, đồng thời tốc độ tăng áp suất tăng và quá trình cháy rớt giảm.
Nếu trong buồng đốt tạo được chuyển động rối hợp lí thì tốc độ cháy sẽ tăng lên, dẫn tới tốc độ tăng áp suất tăng và quá trình cháy rớt giảm.
5. Tốc độ vòng quay n:
Khi tăng tốc độ vòng quay n, thời gian dành cho toàn bộ quá trình cháy sẽ bị giảm xuống. Tuy nhiên, chuyển động rối tăng dẫn đến tăng tốc độ lan tràn màng lửa nên góc dành cho quá trình cháy nhanh gần như không đổi còn góc cháy trễ và cháy rớt có tăng.
6. Tải trọng:
Khi giảm tải trọng phải đóng bớt van tiết lưu trên đường nạp làm tăng hệ số khí sót. Điều này làm cho hỗn hợp hòa khí bẩn hơn, làm giảm áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén. Hòa khí khi đó phải đậm hơn, do đó góc cháy trễ tăng và tốc độ cháy giảm làm cho quá trình cháy kéo dài hơn, tính kinh tế giảm và tăng nguy cơ ô nhiễm môi trường.
Để hạn chế những ảnh hưởng này thì phải tăng góc đánh lửa sớm. Đây chính là nguyên tắc điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo tải trọng trong động cơ xăng.
III. Các hiện tượng cháy không bình thường trong động cơ xăng:
1. Cháy kích nổ:
Cháy kích nổ là một hiện tượng đặc thù ở động cơ đốt cháy cưỡng bức. Những yếu tố làm tăng nhiệt độ cục bộ chính là nguyên nhân gây ra hiện tượng cháy kích nổ. Ví dụ như tỉ số nén lớn, nhiên liệu có trị số octan nhỏ, tải trọng lớn, làm mát kém, góc đánh lửa sớm không phù hợp…
Do một yếu tố nào đó hay do một nguyên nhân đã trình bày như trên. Nhiệt đột tại một hay một số vùng trong buồng cháy đủ lớn để hòa khí tự cháy với sự xuất hiện ngọn lửa cục bộ khi ngọn lửa từ bugi chưa lan tràn tới.
Về bản chất, đây là dạng cháy nổ đồng thời. Ngọn lửa cục bộ này phát triển rất nhanh, lan tràn với tốc độ lớn và chèn ép với vùng cháy do ngọn lửa từ bugi, gây ra sóng va kèm theo tiếng gõ rất đanh và áp suất trong buồng cháy dao động với tần số lớn. Nhiên liệu không kịp cháy bị phân hủy thành cacbon tự do nên khí thải có khói màu đen. Do cháy kích nổ, động cơ rất nóng và công suất giảm nên không thể tiếp tục làm việc được.
Trên những động cơ sử dụng hệ thống phun xăng hiện đại thường được trang bị cảm biến kích nổ (knock sensor) dùng để phát hiện cháy kích nổ. Tín hiệu sẽ được truyền về ECU để tự động điều chỉnh các thông số làm việc của động cơ sao cho sát với giới hạn kích nổ để động cơ có thể hoạt động với hiệu suất cao nhất.
Động cơ cao tốc và tải lớn có thể trang bị cho mỗi xylanh một cảm biến kích nổ, còn thông thường thì trang bị một cảm biến cho động cơ 4 xylanh, hai cảm biến cho động cơ 5 hoặc 6 xylanh và nhiều cảm biến hơn cho những động cơ có 8, 12 xylanh.
2. Cháy sớm
Cháy sớm là hiện tượng cháy xảy ra khi bugi chưa bật tia lửa điện. Nguồn lửa có thể là từ các chi tiết có nhiệt độ cao hay các muội than có trong buồng đốt nên hiện tượng cháy sớm không có quy luật và không điều khiển được.
Hiện tượng cháy sớm làm tăng công nén, máy rất nóng tới mức có thể làm chảy piston. Hiện tượng cháy kích nổ và cháy sớm thường đi kèm với nhau vì có cùng nguyên nhân là do nhiệt độ cao.
Xem thêm:
Những nguyên nhân hư hỏng của Piston động cơ?
3. Ngắt điện vẫn làm việc:
Hiện tượng này xảy ra khi động cơ làm việc lâu ở trạng thái tải lớn, tốc độ vòng quay thấp. Khi này nhiệt độ các chi tiết rất cao và thời gian cháy trễ đủ lớn để hòa khí tự bốc cháy.
4. Nổ trong xylanh
Hiện tượng này xảy ra khi động cơ làm việc lâu ở chế độ không tải, lúc này hòa khí quá đậm, nhiên liệu cháy không hết phân hủy thành muội than và bị nung nóng đỏ bám lên các chi tiết như bugi, xupap. Khi động cơ chuyển về chế độ có tải, lượng hòa khí vào xylanh nhiều hơn sẽ bị những nguồn lửa nói trên đốt cháy đồng thời ở nhiều điểm trong xylanh gây ra tiếng nổ.
5. Nổ trong đường thải:
Khi động cơ đang làm việc ở chế độ tải lớn và đột ngột chuyển về chế độ không tải (ví dụ như phanh đột ngột), nếu động cơ dùng bộ chế hòa khí thì hỗn hợp hòa khí lúc này sẽ quá đậm (do đặc điểm cấu tạo của bộ chế hòa khí khi động cơ bị kéo ở chế độ tốc độ vòng quay cao và van tiết lưu ở vị trí không tải). Quá trình cháy khi đó có thể kéo dài cho tới tận đường thải gây ra tiếng nổ.
Một số bài viết liên quan:
- Hệ số nạp là gì? Những nhân tố nào ảnh hưởng đến hệ số nạp của động cơ?
- Chi tiết cảm biến lưu lượng khí nạp loại dây nhiệt (Mass Air Flow Sensor – Hot Wire)
- Turbo tăng áp động cơ hoạt động như thế nào?
- Quá trình cháy trong động cơ đốt trong có gì đặc biệt?
- Giải thích tại sao phải đánh lửa sớm?
