Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 43

CHƯƠNG 3
QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ TẠO HỖN HỢP TRONG
ĐỘNG CƠ DIESEL

3.1 Giai đoạn của quá trình cháy
Quá trình cháy trong động cơ Diesel thực chất là quá trình ôxy hoá các thành
phần hóa học có trong nhiên liệu kèm theo sự tỏa nhiệt mãnh liệt. Quá trình cháy
bao gồm hàng loạt các biến đổi về lý hóa, cái nọ kế tiếp cái kia và kéo dài cho
đến cả sau khi hỗn hợp đã bốc cháy.
Ở cuối kỳ nén, nhiên liệu được phun vào trong xy lanh động cơ dưới
dạng sương, nhờ nhiệt độ cao trong xy lanh, các hạt nhiên liệu sẽ nhanh chóng
bay hơi kèm theo những biến
đổi về vật lý, hình thành khí hỗn hợp và chuẩn bị
cho nó bốc cháy. Quá trình này chiếm một khoảng thời gian nhất định và được
gọi là thời gian chuẩn bị cháy, ký hiệu là
i
τ
(giây), tương ứng với một khoảng
góc quay
i
ϕ
(độ) của trục khuỷu.
Hình 3.1 Diễn biến quá trình cháy nhiên liệu trong xy lanh

Quá trình cháy trong động cơ Diesel bao gồm nhiều quá trình trung gian kế

τ
=
(s)
Trong đó: n là vòng quay động cơ (vòng/ phút)
Trong các độngcơ diesel:
i
τ
= 0,005 ÷ 0,001 (giây), còn
i
ϕ
biến thiên từ 3 ÷
50 (
o
gqtk)
Thời gian
i
τ
càng dài, lượng nhiên liệu tích lũy trong giai đoạn này càng
lớn, nó sẽ ảnh hưởng đến đặc tính quá trình cháy. Đặc biệt trong các động cơ cao
tốc, lượng nhiên liệu cấp trong giai đoạn này khá cao. Cá biệt có những động cơ
lượng nhiên liệu cấp trong giai đoạn này bằng 100% lượng nhiên liệu cung cấp
cho chu trình (q
ct).
3.1.2 Giai đoạn tăng áp suất
Giai đoạn này gọi là giai đoạn cháy nổ, được xác định bằng khoảng thời
gian từ lúc bắt đầu sự bốc cháy nhiên liệu (điểm a) đến thời điểm áp suất trong
xy lanh động cơ đạt giá trị lớn nhất (điểm z
1
). Ở giai đoạn này, tốc độ tỏa nhiệt
của nhiên liệu rất lớn, đồng thời áp suất chất khí trong xy lanh động cơ cũng tăng

−
−
=
Δ
Δ
=
(3.2)
Hai thông số trên đánh giá mức độ làm việc nhẹ nhàng, tin cậy của động cơ.
Trị số W, W
tb
lớn, động cơ làm việc cứng có tiếng gõ. Khi tốc độ tăng áp suất
qúa cao có thể dẫn đến hư hỏng bệ đỡ, trục khuỷu của động cơ và các chi tiết
khác. Khi động cơ làm việc bình thường, giá trị của W nằm trong khoảng 1
÷
6 (kG/ cm
2
. độ góc quay trục khuỷu). (tốt nhất là 4 ÷ 6 kG/ cm
2
)
Sở dĩ trong giai đoạn này có sự tỏa nhiệt mạnh là vì phần nhiên liệu phun
vào trong giai đoạn chuẩn bị cháy đã bắt đầu bốc cháy. Nhiệt lượng tỏa ra trong
giai đoạn này chiếm khoảng 1/3 số nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 45

3.1.3 Giai đoạn tăng nhiệt độ
Giai đoạn này được tính từ lúc áp suất trong xy lanh động cơ đạt giá trị cực
đại (điểm z
1
) đến khi nhiệt độ chất khí trong xy lanh động cơ đạt giá trị cực đại

Để rút ngắn thời gian cháy rớt cần đảm bảo chất lượng tạo hỗn hợp, tăng
hệ số dư lượng không khí
α và rút ngắn thời gian cấp nhiên liệu ở giai đoạn 3.
3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến các giai đoạn của qúa trình cháy
3.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy
Thời gian của giai đoạn chuẩn bị cháy rất ngắn
i
τ
= 0,005 ÷ 0,001 (giây).
Thời gian chuẩn bị cháy và quy luật cấp nhiên liệu hay lượng nhiên liệu cấp
trong thời gian chuẩn bị cháy có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ tăng áp suất và
độ cứng của động cơ làm việc êm, tránh được các hư hỏng do ứng suất cơ gây
ra. Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian chuẩn bị cháy bao gồm các yếu tố hóa học,
các yếu tố vật lý, các y
ếu tố cấu tạo và các yếu tố về khai thác.
Các yếu tố về hóa học bao gồm thành phần, tính chất và cấu trúc của nhiên
liệu, nồng độ ôxy trong buồng đốt, lượng khí sót còn sót lại từ chu trình trước và
các chất phụ gia kích thích qúa trình cháy khi pha thêm vào nhiên liệu.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 46

Trong các yếu tố về hóa học thì thành phần và tính chất của nhiên liệu có
ảnh hưởng đáng kể đến giai đoạn chuẩn bị cháy. Trị số xêtan của nhiên liệu sử
dụng càng lớn càng rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy và do vậy tốc độ tăng áp
suất sẽ giản đi. Tăng nồng dộ ôxy, giảm lượng khí sót trong buồng đốt hay pha
thêm các chất phụ gia kích thích qúa trình cháy vào trong nhiên liệu đều có thể
làm rút ng
ắn thời gian chuẩn bị cháy.
Ảnh hưởng của loại nhiên liệu sử dụng đến qúa trình cháy trong xy lanh
động cơ được chỉ ra trên hình 3.2.

ối kỳ nén và chất lượng hòa trộn
của hỗn hợp. Tăng
ε sẽ làm cho thông số cuối kỳ nén tăng, tạo điều kiện thuận lợi
cho sự chuẩn bị cháy nhiên liệu. Đối với động cơ sử dụng các loại nhiên liệu
khác nhau thì ảnh hưởng của tỷ số nén đến thời gian chuẩn bị cháy cũng khác
nhau.
Tăng số vòng quay của động cơ làm cho thời gian chuẩn bị cháy
i
τ
giảm
xuống còn góc tương ứng với thời gian chuẩn bị cháy
i
ϕ
ngược lại lại tăng lên.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 47

Ảnh hưởng của tỷ số nén ε và số vòng quay động cơ đến thời gian chuẩn bị cháy
được thể hiện trên hình 3-3.

Hình 3.3 Ảnh hưởng của tỷ số nén
ε
và tốc độ quay đến góc chuẩn bị cháy
i
ϕ
(
o
gqtk)
1. TSXT = 40 2. TSXT = 60



thái nhiệt của động cơ. Các yếu tố này sẽ ảnh hưởng đến các thông số vật lý, hóa
học và do đó ảnh hưởng đến thời gian chuẩn bị cháy trong xy lanh động cơ.
3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến các giai đoạn còn lại của qúa trình cháy
Giai đoạn 2 tức là giai đoạn cháy nổ phụ thuộc rất nhiều vào thời gian chuẩn
bị cháy. Trong cùng một điều kiện khai thác, khi rút ng
ắn thời gian chuẩn bị cháy
i
τ
sẽ làm cho tốc độ tăng áp suất
dp
d
ϕ
và áp suất cháy lớn nhất P
z
giảm xuống,
động cơ làm việc êm, nhẹ nhàng hơn.
Ngoài yếu tố
i
τ
thì lượng nhiên liệu cấp vào trong thời gian chuẩn bị cháy q
i

cũng là yếu tố đáng kể ảnh hưởng đến sự thay đổi P
z
và
dp
d
ϕ
. Vì vậy:

2: Biên dạng 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
ϕ
ϕ
=− (3-5)
Ở đây:
i
ϕ
: là góc quay trục khuỷu tương ứng với thời gian chuẩn bị cháy.
tb
ϕ
: 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
i
ϕ
=
tb
ϕ
→ y = 0 trường hợp này
i
ϕ

n 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 đồ
ng 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 http://www.ebook.edu.vn 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, đồ
ng 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 loạ
t 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

v
ϕ
: là hệ số dòng chảy
p
p
: Áp suất phun nhiên liệu (kG/cm
2
)
p
c
: Áp suất trong xy lanh cuối kỳ nén (kG/cm
2
)

nl
γ
: Trọng lượng riêng của nhiên liệu (kg/m
3
)
Từ đó áp suất phun được tính:

c
v
nl
p
P
g
W
P +=
42

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 tr
ước 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 ph
ần lõi tia và phần vỏ tia (Hình
3-6).

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 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 liệ
u 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

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 http://www.ebook.edu.vn 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 cũ
ng 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

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 http://www.ebook.edu.vn 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/cm
2
. Chất lượng phun sương
tốt.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 57


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, buồ
ng 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 http://www.ebook.edu.vn 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

120 kG/cm
2
).
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 nhi
ệt.
- 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 buồ
ng 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 đi

cấu khá đơn giản.
Nhược điểm của loại động cơ có buồng dự cháy này là kết cấu buồng cháy
phức tạ
p, 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 http://www.ebook.edu.vn 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 khơng lớn lắm. Ngun 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 nhiệ
t độ của đỉnh piston khá cao và
khả năng truyền nhiệt từ vách kim loại vào nhiên liệu nhanh hơn so với từ

6. Góc phun sớm là gì? ảnh hưởng của nó đến quá trình cháy, nếu tăng,
giảm góc phun sớm quá mức thì hiệu suất động cơ thay đổi thế nào, vẽ
đồ thò, giải thích?
7. Các giai đoạn của quá trình cháy, tại sao nói nếu giai đoạn cháy rớt
tăng thì hiệu suất của động cơ giảm ?
8. Nêu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy, Phân tích ảnh hưởng của
một yếu tố cụ thể?
9. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian trì hoãn sự cháy
i
τ
?
10. Các dạng buồng cháy? cấu tạo, ưu nhược điểm của từng loại?