Bài giảng Động cơ diesel tàu thuỷ - Lý thuyết qui trình công tác

ạng cam nhiên liệu thoải (qi nhỏ). Có thể dùng thông số sau để phân tích đường cong của qúa trình cháy đó là: 1 i tb y ϕϕ= − (3-5) Ở đây: iϕ : là góc quay trục khuỷu tương ứng với thời gian chuẩn bị cháy. tbϕ : là góc cấp nhiên liệu toàn bộ. Thông số trên còn được gọi là tiêu chuẩn khống chế qúa trình do D.Travropski đưa ra. Từ (3-5) có thể nhận thấy: Khi iϕ = tbϕ → y = 0 trường hợp này iϕ = tbϕ , qúa trình cháy diễn ra không khống chế được. Khi y tăng dần đến 1 tức là iϕ giản dần dến 0, việc khống chế qúa trình cháy tăng lên.Khi y = 1 ( iϕ = 0) qúa trình cháy khống chế được hoàn toàn. Thực tế điều này không thể xảy ra được với các động cơ diesel. Khi y < 0 thời gian chuẩn bị cháy dài hơn thời gian cấp nhiên liệu toàn bộ. Trong thực tế, trường hợp này có thể xảy ra trong qúa trình khởi động động cơ diesel ở trạng thái nguội lạnh. Khi iϕ giảm xuống, y tăng lên, qúa trình cháy tiến dần đến qúa trình cháy nhanh, hiệu suất chỉ thị của động cơ tăng và đồng thời các thông số động của chu trình cũng tăng theo. Các động cơ diesel tàu thủy công suất lớn, giá trị của y nằm trong khoảng 0,55 ÷ 0,80. Giai đoạn 4 của qúa trình cháy là hậu qủa của tất cả các giai đoạn trước. Càng rút ngắn được thời gian của giai đoạn 4 thì tính kinh tế của động cơ càng tăng, trạng thái nhiệt của các chi tiết nhóm piston xy lanh càng đảm bảo. Giảm tốc độ quay của động cơ, tăng hệ số dư lượng không khí α hoặc cải thiện chất lượng phun sương và tạo hỗn hợp là những biện pháp hữu hiệu nhằm rút ngắn giai đoạn cháy rớt này. Tuy nhiên giai đoạn 4 này vẫn tồn tại trong tất cả các động cơ diesel. 3.3 Qúa trình tạo hỗn hợp Qúa trình hình thành khí hỗn hợp trong động cơ Diesel được diễn ra ngay trong buồng đốt của động cơ. Ở cuối kỳ nén, nhiên liệu được phun vào trong xy lanh động cơ dưới dạng các hạt sương mịn, có kích thước nhỏ và đồng đều, đồng thời các hạt nhiên liệu cần phải được phân bố đều trong toàn bộ thể tích buồn cháy. Mỗi tia nhiên liệu cần đảm bảo độ xa xác định để xuyên qua không khí nén tới gần bề mặt của buồng cháy và đồng thời không đọng lên các bề mặt của buồng cháy. Các chùm tia nhiên liệu phải có hình dạng, hướng và số lượng các tia phù hợp với hình dạng và thể tích buồng cháy. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 50 3.3.1 Tia nhiên liệu Sự phân hủy tia nhiên liệu thành những hạt sương nhỏ trong buồng cháy phụ thuộc vào các yếu tố như sức cản khí động của không khí trong buồng đốt, sức kéo bề mặt của tia nhiên liệu, lực hấp dẫn của nhiên liệu và nội lực xuất hiện khi nhiên liệu cháy. Sức cản khí động của không khí phụ thuộc vào vận tốc tương đối của nhiên liệu và không khí, đồng thời vào mật độ của không khí. Lực cản của môi trường cố tách các phần tử nhiên liệu nằm trên bề mặt tia ở mọi phía, còn các lực kéo bề mặt và lực hấp dẫn bên trong của nhiên liệu đối kháng với lực cản của không khí nhằm giữ cho tia nhiên liệu được nguyên vẹn. Sự kích động ban đầu trên bề mặt của tia nhiên liệu xuất hiện do kết qủa của hàng loạt các nguyên nhân: sự chảy rối của nhiên liệu trong lỗ phun, hình dạng mép đầu và cuối của lỗ phun, độ nhẵn bề mặt lỗ phun, sự có mặt của các bóng hơi trong nhiên liệu. Ngoài những yếu tố trên còn phải kể đến tác dụng bổ sung nhiên liệu liên tục, tức là tia nhiên liệu liên tục được bổ sung những phần tử nhiên liệu mới có động năng lớn, gây chèn ép lên nhau của các phần tử nhiên liệu. Như vậy lực kích động ban đầu và lực cản khí động của không khí nén trong buồng cháy có khuynh hướng xé tia nhiên liệu thành những giọt sương. Độ mịn của các hạt nhiên liệu được thể hiện qua đường kính trung bình của các hạt trong tia nhiên liệu. Động cơ có tốc độ quay càng cao, thời gian tạo hỗn hợp ngắn thì càng yêu cầu phải phun mịn, đặc biệt là trong các động cơ có buồng cháy thống nhất. Theo các số liệu thực nghiệm, đưòng kính trung bình của các hạt nhiên liệu thông thường khoảng 20 ÷ 25 μm. Để qúa trình phun sương tốt cần phải đảm bảo tốc độ của nhiên liệu đi qua các lỗ phun đạt giá trị tương đối lớn. Tốc độ này có thể được tính như sau 4. 2 . .10p cv nl p p w gϕ γ −= (m/s) (3-6) Trong đó: vϕ : là hệ số dòng chảy pp: Áp suất phun nhiên liệu (kG/cm2) pc: Áp suất trong xy lanh cuối kỳ nén (kG/cm2) nlγ : Trọng lượng riêng của nhiên liệu (kg/m3) Từ đó áp suất phun được tính: c v nl p Pg WP += 42 2 10.2. . ϕ γ Thông thường, tốc độ của nhiên liệu đi qua các lỗ phun nằm trong khoảng 250 ÷ 400 (m/s), còn hệ số dòng chảy vϕ = 0,7 ÷ 0,8. Để xác định chất lượng phun nhiên liệu thông thường phải dùng phương pháp thực nghiệm. Trên cơ sở thực nghiệm người ta sẽ xây dựng đường đặc tính Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 51 phun nhiên liệu. Dùng đường đặc tính phun nhiên liệu, ta có thể đánh giá được chất lượng phun nhiên liệu. Hình 3-5 cho phép ta đánh giá chất lượng phun sương trong 3 trường hợp: Đường 1: Chất lượng phun sương tốt, các hạt sương nhiên liệu nhỏ và đều. Đường 2: Chất lượng phun không tốt, các hạt có đường kính lớn và không đều nhau. Đường 3: Chất lượng phun đều nhưng đường kính hạt lớn, sương nhiên liệu thô. Như vậy khi các nhánh của đường đặc tính càng dốc thì độ phun càng đều, các hạt có kích thước càng gần nhau. Nếu đỉnh của đường cong càng sát trục tung thì độ phun sương càng mịn. Hình 3-5: Các đường đặc tính phun nhiên liệu Trong một tia nhiên liệu, đường kính, mật độ và vận tốc của các hạt nhiên liệu cũng khác nhau. Khi nhiên liệu được phun vào trong xy lanh của động cơ, vận động của các hạt nhiên liệu thường cuốn theo cả lớp không khí bao quanh làm giảm tốc độ tương đối của các hạt so với không khí, làm giảm sức cản khí động của không khí, mặt khác còn làm cho các phần tử không khí thâm nhập vào trong tia dồn cả ra mặt ngoài của tia. Phần nhiên liệu phun trước gặp sức cản của khí động lớn nên tốc độ bị giảm xuống, còn các phần nhiên liệu phun sau được phun vào môi trường mà tia nhiên liệu đang vận động nên tốc độ của nó giảm ít hơn. Vì vậy các hạt nhiên liệu phun sau thường đuổi kịp các hạt nhiên liệu phun trước và gạt số nhiên liệu phía trước ra ngoài rồi đi vào khu vực của mũi tia. Chính vì vậy, tia nhiên liệu gồm có hai phần là phần lõi tia và phần vỏ tia (Hình 3-6). Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 52 Hình 3-6 Tia nhiên liệu 1: Lõi tia 2: Vỏ tia 3: Mật độ hạt 4:Tốc độ các hạt Ở phần lõi tia, mật độ và kích thước các hạt nhiên liệu lớn. Do gặp sức cản khí động nhỏ nên ở phần này nhiên liệu liên kết với nhau thành những hạt lớn chứa nhiều năng lượng nên vận tốc các hạt nhiên liệu ở phần lõi tia là lớn nhất. Ở phần lõi tia, mật độ và kích thước các hạt nhiên liệu lớn. Do gặp sức cản khí động nhỏ nên ở phần này nhiên liệu liên kết với nhau thành những hạt lớn chứa nhiều năng lượng nên vận tốc các hạt nhiên liệu ở phần lõi tia là lớn nhất. Ở phần vỏ tia, mật độ các hạt nhiên liệu thưa, kích thước nhỏ mịn, chịu sức cản khí động lớn của không khí nên tốc độ chậm, không khí thâm nhập vào và cuốn theo làm tăng khả năng hóa hơi của các hạt nhiên liệu này và các phản ứng cháy đầu tiên xảy ra ở đó. 3.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới hình dạng tia nhiên liệu Hình dạng tia nhiên liệu và tốc độ vận động của nó có vai trò quan trọng trong qúa trình tạo hỗn hợp và cháy nhiên liệu. Tia nhiên liệu phải xuyên qua không khí nén đến những phần xa nhất của buồng cháy nhưng không được bám lên thành xy lanh và đỉnh piston để tránh việc cháy không hoàn toàn và tạo thành muội than trong qúa trình công tác. Bằng thực nghiệm người ta đã thấy được sự ảnh hưởng của hàng loạt các yếu tố đến chiều dài L, chiều rộng B và vận tốc W của tia nhiên liệu. Các yếu tố chính phải kể đến là đối áp môi trường, góc quay trục cam nhiên liệu, thời gian phun và áp suất phun nhiên liệu, đường kính lỗ phun, trọng lượng riêng của nhiên liệu và cấu tạo đầu vòi phun. Hình 3-7 thể hiện sự ảnh hưởng của đối áp môi trường tới hình dạng tia nhiên liệu. Khi đối áp môi trường tăng lên (áp suất cuối kỳ nén tăng lên) thì chiều dài và vận tốc của tia nhiên liệu giảm. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 53 Hình 3.7 Ảnh hưởng của đối áp không khí đến chiều dài L, chiều rộng B và vận tốc W của tia nhiên liệu. Ảnh hưởng của thời gian và áp suất phun nhiên liệu tới chiều dài tia nhiên liệu được thể hiện trên hình 3-8. Nếu thời gian phun như nhau, càng tăng áp suất phun thì chiều dài tia nhiên liệu càng tăng, đồng thời tốc độ lưu động của nhiên liệu qua lỗ phun tăng lên làm giảm kích thước của các hạt trong tia nhiên liệu. Mặt khác, nếu áp suất phun như nhau, càng tăng thời gian phun thì chiều dài tia nhiên liệu cũng càng tăng. Hình 3.8 Ảnh hưởng của thời gian phun và áp suất phun tới chiều dài tia nhiên liệu. Đường kính lỗ phun cũng ảnh hưởng đáng kể tới chiều dài, chiều rộng và vận tốc tia nhiên liệu. Trong trường hợp áp suất phun nhiên liệu và đối áp môi trường không thay đổi, nếu tăng đường kính lỗ phun thì chiều dài, chiều rộng và vận tốc của tia nhiên liệu đều tăng lên nhưng trong trường hợp này sẽ làm tăng kích thước các hạt sương nhiên liệu. (Hình 3-9) Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 54 Hình 3.9 Ảnh hưởng của đường kính lỗ phun tới chiều dài L, chiều rộng B và vận tốc W của tia nhiên liệu. Trọng lượng riêng của nhiên liệu cũng ảnh hưởng rõ rệt tới hình dạng tia nhiên liệu. Khi trọng lượng riêng của nhiên liệu tăng lên, chiều dài tia nhiên liệu tăng nhưng kích thước hạt sương nhiên liệu cũng tăng theo. Khi thay đổi nhiệt độ của nhiên liệu phun vào buồng đốt động cơ, tức là trọng lượng riêng của nhiên liệu cũng đã bị thay đối, thì kết qủa thu được cũng hoàn toàn tương tự. (Hình 3- 10) Hình 3-10: Ảnh hưởng của nhiệt độ nhiên liệu tới chiều dài tia Ngoài các yếu tố kể trên, hình dạng tia nhiên liệu còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như tốc độ quay của động cơ, cấu tạo kim phun, hình dạng lỗ phun, tình trạng bề mặt và mép của lỗ phun. Tăng tốc độ quay của động cơ sẽ làm tăng tốc độ chuyển động của piston bơm cao áp, do đó làm tăng áp suất phun và tốc độ tia nhiên liệu qua lỗ phun, độ phun nhỏ và đều hơn. Cấu tạo của đầu vòi phun nói chung cũng như tình trạng kỹ thuật của kim phun, bề mặt và mép lỗ phun kém đều ảnh hưởng đến hình dạng tia nhiên liệu và do đó ảnh hưởng xấu đến chất lượng tạo hỗn hợp trong động cơ diesel. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 55 3.4 Các dạng buồng cháy Chất lượng hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí trong động cơ diesel phụ thuộc rất lớn vào tổ chức của dòng khí trong buồng cháy, tức là phụ thuộc vào kết cấu và hình dạng của buồng cháy. Căn cứ vào đặc điểm kết cấu, người ta chia buồng cháy thành hai loại là buồng liền và buồng ghép. 3.4.1 Buồng cháy liền Buồng cháy liền, còn được gọi là buồng cháy thống nhất, mà toàn bộ thể tích của buồng cháy đều nằm trong một không gian thống nhất. Buồng cháy thống nhất là buồng cháy giới hạn bởi đỉnh piston, nắp xy lanh và vách sơmi xy lanh. Để đảm bảo cho nhiên liệu được phân bố đều trong thể tích buồng cháy, vòi phun được lắp đặt là vòi phun nhiều lỗ. Do sự chuyển động của piston tạo thành vận động xoáy lốc của dòng khí trong các xy lanh mà hỗn hợp không khí và nhiên liệu được hòa trộn với nhau. Trong các động cơ 2 kỳ, để tăng cường sự vận động xoáy lốc, người ta lựa chọn hướng của các cửa quét thích hợp mà nhờ đó nó sẽ tạo ra các vận động xoáy lốc của dòng không khí nạp khi nạp khí vào xy lanh động cơ. Trong các động cơ diesel có buồng cháy thống nhất, dạng của buồng cháy được phân thành 4 nhóm như sau: Nhóm 1: Trong nhóm này buồng cháy được giới hạn bởi đỉnh piston, nắp xy lanh và thành sơmi xy lanh. Đỉnh piston thường được làm lõm xuống hay lồi lên để tạo sự vận động xoáy lốc của dòng khí. Loại buồng cháy này thường sử dụng cho động cơ diesel 4 kỳ và 2 kỳ quét thẳng qua xu páp. Nhóm 2: Loại này buồng cháy được đặt hoàn toàn trên nắp xy lanh, dùng cho động cơ diesel 2 kỳ quét vòng. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 56 Hình 3.11 Các dạng buồng cháy thống nhất. Nhóm 3: Buồng cháy đặt một nửa trên nắp xy lanh, một nửa trên đỉnh piston, rất thích hợp cho động cơ diesel 2 kỳ. Nhóm 4: Buồng cháy phân bố giữa hai piston, dùng cho động cơ 2 kỳ piston đối đỉnh (Xem hình 3-11). Buồng cháy thống nhất được áp dụng phổ biến cho các động cơ cỡ trung bình và lớn, có tốc độ quay thấp. Đôi khi loại buồng cháy này cũng được dùng trong một số động cơ cỡ nhỏ cao tốc. Đặc điểm của loại động cơ có buồng cháy thống nhất là: Nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng cháy với áp suất cao. Áp suất phun nhiên liệu thông thường khoảng 200 ÷ 800 kG/cm2. Chất lượng phun sương tốt. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 57 Việc hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí trong buồng cháy được thực hiện nhờ sự phối hợp chặt chẽ giữa hình dạng, kích thước, số lượng và hướng các tia nhiên liệu với hình dạng và kích thước buồng cháy, hoặc khả năng tạo ra sự chuyển động xoáy lốc của không khí trong buồng cháy. Chuyển động xoáy lốc của không khí nạp có thể được tạo ra bằng các biện pháp sau đây: + Khoét lõm đỉnh piston hoặc nắp xy lanh. + Chọn hướng cửa quét hợp lý trong các động cơ 2 kỳ. + Dùng đường ống nạp tiếp tuyến hoặc xu páp nạp có tấm chắn để hướng dòng không khí nạp đi vào tiếp tuyến với chu vi của xy lanh động cơ, tạo ra các chuyển động xoáy lốc của dòng không khí nạp. Chuyển động xoáy lốc của không khí nạp vẫn có thể được duy trì trong suốt qúa trình nén. Ưu điểm của loại động cơ có buồng cháy thống nhất là kết cấu đơn giản, dễ dàng quét sạch buồng cháy, bề mặt làm mát tương đối không lớn lắm, do đó giảm mất mát nhiệt cho nước làm mát, động cơ dễ khởi động và giảm được suất tiêu hao nhiên liệu cho động cơ. Nhược điểm cơ bản của loại động cơ có buồng cháy thống nhất là hệ số dư lượng không khí α ở chế độ thiết kế thường cao (α = 1,8 ÷ 2,2), tốc độ tăng áp suất W lớn, hệ thống nhiên liệu làm việc nặng nề vì áp suất phun cao và chất lượng tạo hỗn hợp phụ thuộc nhiều vào tốc độ quay của động cơ. 3.4.2 Buồng cháy ghép Buồng cháy ghép, hay còn được gọi là buồng cháy phân cách, thường được áp dụng cho những động cơ diesel cao tốc kích thước nhỏ, bao gồm các loại: buồng cháy xoáy lốc, buồng cháy dự bị, buồng tích nhiệt và buồng tích không khí. Dưới đây chúng ta xem xét kết cấu và đặc điểm của một số loại buồng cháy phân cách thường gặp trong thực tế: Buồng cháy xoáy lốc: Trong các động cơ diesel cao tốc kích thước nhỏ, nếu sử dụng phương pháp hình thành khí hỗn hợp trong buồng cháy thống nhất sẽ gặp nhiều khó khăn; trước hết phải tăng áp suất phun lên cao và giảm đường kính lỗ phun để tăng độ nhỏ mịn của hạt sương nhiên liệu và giảm độ xa của chùm tia nhiên liệu, tránh không cho các hạt sương nhiên liệu bám lên vách buồng đốt. Vì vậy, lỗ phun dễ bị kết cốc và tắc, cặp bộ đôi piston-xy lanh bơm cao áp, kim phun và đầu vòi phun rất chóng mòn. Mặt khác, trong qúa trình sử dụng, nếu giảm số vòng quay của động cơ nhỏ hơn định mức sẽ làm cho chất lượng hình thành khí hỗn hợp và qúa trình cháy giảm nhanh. Vì vậy, để giải quyết vấn đề này, người ta áp dụng cho động cơ với kiểu buồng cháy xoáy lốc. Trong những động cơ có buồng cháy xoáy lốc, buồng cháy của động cơ được chia làm hai phần: buồng cháy xoáy lốc và buồng cháy chính. Buồng cháy xoáy lốc thường có dạng hình trụ hoặc hình cầu nằm trên nắp xy lanh hoặc trong thân động cơ, được nối với buồng cháy chính bằng một đường ống có tiết diện lưu thông tương đối lớn (khoảng 1 ÷ 3% diện tích đỉnh piston) đặt tiếp tuyến với Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 58 buồng cháy xoáy lốc. Thể tích của buồng cháy xoáy lốc chiếm khoảng 50 ÷ 80% toàn bộ thể tích buồng cháy. Nhiên liệu được phun vào buồng cháy xoáy lốc. (Hình 3-12) Hình 3.12 Buồng cháy xoáy lốc Trong qúa trình nén, không khí từ trong xy lanh của động cơ bị đẩy vào buồng cháy xoáy lốc với tốc độ lưu thông lớn. Dòng khí lưu động theo hướng tiếp tuyến tạo ra chuyển động xoáy lốc mạnh của không khí trong buồng xoáy lốc. Khi nhiên liệu được phun vào buồng xoáy lốc sẽ bị xé nhỏ và hòa trộn đều với không khí tạo thành hỗn hợp cháy tốt. Khi nhiên liệu cháy, áp suất trong buồng cháy xoáy lốc tăng lên. Hỗn hợp không khí, khí cháy và nhiên liệu chưa có điều kiện cháy hết qua các ống nối thông tràn vào buồng cháy chính, tại đây nó sẽ tiếp tục hòa trộn với không khí trong buồng cháy chính và cháy hết. Trong buồng cháy xoáy lốc có một chi tiết quan trọng đó là một tấm chắn nằm ở phía dưới của buồng cháy. Giữa tấm chắn và nắp xy lanh có khe hở cách nhiệt, vì vậy giảm bớt mất mát nhiệt. Ngoài ra khi nhiên liệu cháy, tấm chắn này thu nhiệt, trong qúa trình nén nhiệt lượng này lại được truyền cho khí nén làm cho nhiệt độ cuối qúa trình nén tăng, tạo điều kiện thuận lợi cho qúa trình cháy. Động cơ có buồng cháy xoáy lốc có những ưu điểm sau: Động cơ có thể hoạt động với hệ số dư lượng không khí α ở chế độ thiết kế nhỏ (thông thường, hệ số dư lượng không khí α của loại động cơ này ở chế độ định mức khoảng 1,3 ÷ 1,4). Do đó, áp suất có ích trung bình của những động cơ không tăng áp tương đối lớn. Động cơ làm việc êm vì tốc độ tăng áp suất W nhỏ. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 59 Hệ thống nhiên liệu làm việc nhẹ nhàng, ít hư hỏng do áp suất phun nhiên liệu thấp (vòi phun thường là kiểu vòi phun một lỗ với áp suất phun khoảng 90 ÷ 120 kG/cm2). Động cơ khi hoạt động ít chịu ảnh hưởng của điều kiện môi trường và chất lượng nhiên liệu. Nhược điểm của loại động cơ này là: - Suất tiêu hao nhiên liệu lớn do mất mát nhiệt nhiều (vì diện tích làm mát tương đối của buồng đốt lớn). - Động cơ khó khởi động nên thường phải bố trí thêm bugi sấy. - Dễ nảy sinh ứng suất nhiệt. - Cấu tạo phức tạp. - Buồng cháy dự bị: Động cơ có buồng cháy dự bị (còn được gọi là buồng dự cháy) chỉ áp dụng cho những động cơ có kích thước xy lanh nhỏ D < 300 mm trong đó toàn bộ thể tích của buồng cháy được chia làm hai phần: Buồng dự cháy được đặt trên nắp xy lanh, còn buống cháy chính được giới hạn bởi nắp xy lanh, đỉnh piston và thành vách sơmi xy lanh. Giữa buồng cháy phụ và buồng cháy chính được nối với nhau bằng một hay một vài lỗ nhưng tổng diện tích tiết diện lưu thông của các lỗ này chỉ được phép bằng 0,5 ÷ 1% diện tích đỉnh piston. Thể tích của buồng cháy phụ vào khoảng 15 ÷ 30% toàn bộ thể tích buồng cháy. Kết cấu của buồng cháy phụ có thể có dạng hình cầu, hình ôvan hay hình dạng của một vật tròn xoay. Trong những động cơ có buồng dự cháy, ở qúa trình nén, không khí từ buồng cháy chính bị đẩy vào buồng cháy dự bị. Sự chuuyển động của dòng khí qua các lỗ nhỏ với tốc độ lớn sẽ gây ra chyển động rối của không khí trong buồng dự cháy, tạo điều kiện tốt để hòa trộn đều với nhiên liệu khi phun vào buồng dự cháy. Khi nhiên liệu được phun vào buồng dự cháy đã bốc cháy, do thể tích buồng dự cháy nhỏ nên sự cháy xảy ra bị thiếu không khí. Qúa trình cháy nhiên liệu làm cho áp suất trong buồng dự cháy tăng lên, phần nhiên liệu chưa cháy hết và khí cháy sẽ được phun vào buồng cháy chính với tốc độ lớn. Sự chuyển động mạnh của dòng khí qua các lỗ nhỏ đã tạo điều kiện tốt để xé tan nhiên liệu chưa cháy thành những hạt nhỏ hòa trộn với không khí trong buồng cháy chính và tiếp tục được cháy hết trong buồng cháy chính này. (Hình 3-13). Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 60 Hình 3-13 Buồng dự cháy. Ưu điểm của loại động cơ có buồng dự cháy này là: áp suất phun nhiên liệu thấp (80÷150 kG/cm2) nên hệ thống nhiên liệu làm việc nhẹ nhàng, động cơ có thể làm việc với hệ số dư lượng không khí α nhỏ (α = 1,5 ÷ 1,7), tốc độ tăng áp suất và áp suất cháy lớn nhất Pz thấp nên động cơ làm việc tương đối êm, động cơ có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu và ít chịu ảnh hưởng của tốc độ quay động cơ. Vòi phun sử dụng cho loại động cơ này thường là vòi phun kiểu chốt có kết cấu khá đơn giản. Nhược điểm của loại động cơ có buồng dự cháy này là kết cấu buồng cháy phức tạp, diện tích bề mặt làm mát tương đối của buồng đốt lớn, do đó mất mát nhiệt cho nước làm mát nhiều, suất tiêu hao nhiên liệu lớn, tính kinh tế của động cơ giảm. Ngoài ra các loại động cơ có dạng buồng cháy này rất khó khởi động. Để đảm bảo khởi động động cơ, thông thường ta phải lắp thêm thiết bị mồi lửa đặc biệt. Buồng cháy đặc biệt: Trong hầu hết các động cơ diesel, nhiên liệu khi phun vào buồng đốt đều không được phép bám lên các vách buồng đốt và đỉnh piston, nhưng ở động cơ có buồng cháy đặc biệt, nhiên liệu khi phun vào buồng đốt lại được láng một lớp mỏng lên vách buồng đốt, mà buồng đốt này được bố trí ngay trong đỉnh piston. (Hình 3-14). Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 61 Hình 3-14 Buồng cháy đặc biệt Phương pháp tạo hỗn hợp kiểu này có thể được áp dụng cho những động cơ có đường kính xy lanh không lớn lắm. Nguyên lý tạo hỗn hợp kiểu này như sau: Trên đỉnh piston có cấu tạo một buồng cháy phụ, vòi phun lắp trên động cơ là vòi phun nhiều lỗ. Nhiên liệu một phần phun vào buồng cháy chính và một phần được phun vào buồng cháy phụ. Phần nhiên liệu phun vào buồng cháy phụ bám vào vách buồng cháy thành từng lớp. Do nhiệt độ của đỉnh piston khá cao và khả năng truyền nhiệt từ vách kim loại vào nhiên liệu nhanh hơn so với từ không khí nén nên lượng nhiên liệu này nhanh chóng hóa hơi. Mặt khác, piston chuyển động tạo ra vận động xoáy lốc mạnh của dòng khí càng có tác dụng thúc đẩy qúa trình bay hơi và hòa trộn giữa không khí và nhiên liệu tốt hơn. Ưu điểm của phương pháp tạo hỗn hợp kiểu này là động cơ làm việc êm, tốc độ tăng áp suất thấp. Tuy nhiên do kết cấu buồng cháy và đặc biệt là đỉnh Piston phức tạp nên nó thường chỉ được áp dụng cho những động cơ có kích thước xi lanh nhỏ D= 70 ÷ 230mm. Câu hỏi ôn tập chương: 1. Trình baøy quaù trình chaùy trong ñoäng cô Diesel, neâu một yeáu toá aûnh höôûng ñeán thôøi gian trì hoaõn söï chaùy iτ . 2. Nhöõng bieåu hieän naøo cho thaáy ñoäng cô quaù taûi, giaûi thích? 3. Neâu moái quan heä giöõa caùc giai ñoaïn cuûa quaù trình chaùy cuûa nhieân lieäu trong buoàng chaùy vaø caùc bieän phaùp giaûm caùc aûnh höôûng coù haïi do chaùy xaáu gaây ra. 4. Neâu khaùi nieäm heä soá dö löôïng khoâng khí α vaø neâu caùc yeáu toá aûnh höôûng tôùi noù. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 62 5. Caùc giai ñoaïn quaù trình chaùy, giai ñoaïn naøo coù tính quyeát ñònh tôùi toaøn boä quaù trình chaùy? 6. Goùc phun sôùm laø gì? aûnh höôûng cuûa noù ñeán quaù trình chaùy, neáu taêng, giaûm goùc phun sôùm quaù möùc thì hieäu suaát ñoäng cô thay ñoåi theá naøo, veõ ñoà thò, giaûi thích? 7. Caùc giai ñoaïn cuûa quaù trình chaùy, taïi sao noùi neáu giai ñoaïn chaùy rôùt taêng thì hieäu suaát cuûa ñoäng cô giaûm ? 8. Neâu caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán quaù trình chaùy, Phaân tích aûnh höôûng cuûa moät yeáu toá cuï theå? 9. Phaân tích caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán thôøi gian trì hoaõn söï chaùy iτ ? 10. Các dạng buồng cháy? cấu tạo, ưu nhược điểm của từng loại? Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 63 CHƯƠNG 4 CÁC THÔNG SỐ CHỈ THỊ VÀ CÓ ÍCH CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 4.1 Đồ thị công chỉ thị. Đồ thị công chỉ thị được vẽ trong hệ tọa độ P-V. Đó là mối quan hệ giữa áp suất và thể tích của xy lanh trong một chu trình công tác. Đồ thị công chỉ thị có thể được xây dựng bằng tính toán hay đo trực tiếp trên động cơ. Nếu đồ thị công chỉ thị được đo trực tiếp trên động cơ bằng thiết bị đo đồ thị công thì được gọi là đồ thị công chỉ thị thực tế. Hình (4-1) là đồ thị công chỉ thị của động cơ diesel 4 kỳ. Đặc điểm của đồ thị này là nó được giới hạn bởi hai điểm là điểm chết trên và điểm chết dưới của piston. Đối với động cơ diesel 2 kỳ (Hình 4-2) có một phần hành trình bị tổn thất. Hình 4.1 Đồ thị công chỉ thị của động cơ Diesel 4 kỳ. Hình 4.2 Đồ thị công chỉ thị của động cơ Diesel 2 kỳ. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 64 Sau đây chúng ta sẽ trình bày phương pháp xây dựng đồ thị công chỉ thị bằng tính toán: Để xây dựng đồ thị công chỉ thị bằng tính toán, trước hết ta xác định các điểm đặc biệt của chu trình: a(Pa,Va); b(Pb,Vb); c(Pc,Vc); z1(Pz1,Vc); z(Pz,Vz). Nối điểm a, b, c, z1, z lại với nhau bằng các đoạn thẳng ta được: Đường đẳng tích: cz1. Đường đẳng áp: z1z. Đường đẳng tích: ba. Để xây dựng đường cong nén và đường cong giãn nở, ta tiến hành như sau: Chọn một giá trị VX1 nằm trong khoảng công tác của xy lanh. Áp suất PX1 tương ứng trên đường cong nén được tính như sau: 1 1 1 . n x a ax V VPP ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= Giá trị áp suất PX2 nằm trên đường giãn nở bằng: ab n x b bx VVV VPP =⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= ;. 2 2 Bằng cách