Khảo sát đặc tính của động cơ diesel
Đặc tính tốc độ của động cơ diesel
Đặc tính tốc độ là hàm số (đường cong) thể hiện sự biến thiên của Ne, Me,
Gnl, ge theo số vòng quay trục khuỷu (n), khi giữ nguyên vị trí của cơ cấu điều
khiển động cơ (cố định vị trí thanh răng bơm cao áp của động cơ Diesel). Hàm
số biểu diễn đặc tính tốc độ có dạng: Ne, Me, Gnl và ge = f(n).
Động cơ sử dụng trên các phương tiện vận tải do ảnh hưởng của điều kiện
sử dụng nên chế độ làm việc thường không ổn định, số vòng quay, công suất và
mô-men động cơ luôn thay đổi trong một phạm vi khá rộng từ chế độ chạy
không tải cho đến chế độ phát công suất cực đại, thậm chí còn có thể làm việc
quá tải trong một thời gian ngắn. Với những loại động cơ này người ta dùng đặc
tính tốc độ nhằm thể hiện tính năng động lực của ô tô và máy kéo, vì vậy đặc
tính tốc độ chủ yếu dùng cho động cơ ô tô máy kéo.
Một động cơ có thể xây dựng được nhiều đường đặc tính tốc độ, vì ứng với
từng vị trí của tay ga sẽ có một đường cong biểu diễn sự biến thiên công suất
của động cơ theo số vòng quay [22].
Như vậy, ở mỗi một vị trí của cơ cấu điều khiển động cơ sẽ xây dựng được
một đường đặc tính tốc độ của động cơ đó. Tùy thuộc vào vị trí cơ cấu điều
khiển chia thành các loại đặc tính tốc độ sau:
• Đặc tính tốc độ ngoài.
• Đặc tính tốc độ bộ phận [22].

2.1.1.1 Đặc tính tốc độ ngoài
Là đặc tính tốc độ xác định ở vị trí toàn tải của động cơ (thanh răng ở vị trí
cho lượng cung cấp nhiên liệu lớn nhất theo quy định), đó là đường đặc tính
hiển thị công suất cực đại của động cơ ứng với từng chế độ tốc độ khác nhau.


Hình 2.0 - Đường đặc tính ngoài và đặc tính bộ phận của động cơ Diesel
Kubota
RT125DI

thể tích bằng 30% - 45% tổng thể tích buồng cháy. Buồng cháy phụ không đủ
không khí để đốt cháy toàn bộ nhiên liệu. Do đó, khi nhiên liệu được phun vào


buồng cháy phụ, một phần các hạt nhiên liệu sẽ cháy và điều này tạo nên áp suất
nội tại trong buồng cháy phụ. Một lượng lớn khí đã cháy và nhiên liệu chưa
cháy còn lại sẽ được phun vào buồng cháy chính ở dạng xoáy lốc mãnh liệt, hòa
trộn khí nạp và cháy tiếp.
Nhiên liệu Diesel có độ nhớt lớn hơn và khó bay hơi hơn vì vậy phải dùng
biện pháp phun tơi nhiên liệu nhờ bơm cao áp vào môi trường áp suất cao, nhiệt
độ lớn của môi chất công tác trong buồng cháy động cơ vào cuối kì nén, làm
cho hòa khí được hình thành trực tiếp bên trong xylanh. Sau đó hòa khí cũng
qua các giai đoạn phản ứng hóa học phức tạp của ngọn lửa lạnh, ngọn lửa xanh,
ngọn lửa nóng và tự bốc cháy. Do cuối kỳ nén mới phun nhiên liệu vào xylanh
động cơ, nên quá trình hình thành hòa khí rất ngắn, chỉ chiếm khoảng 15 – 35°
góc quay trục khuỷu, do đó tạo nên tình trạng không đều về thành phần hòa khí
trong các khu vực buồng cháy động cơ. Mặt khác không thể đem số nhiên liệu
cấp cho chu trình phun cùng một lúc vào xylanh động cơ, do vậy trong suốt thời
gian phun nhiên liệu, thành phần hòa khí trong xylanh cũng biến động liên tục.
Tại khu vực hòa khí đậm, nhiên liệu do thiếu oxy nên cháy chậm, thậm chí gây
cháy không kiệt tạo ra khói đen trong khí thải, còn khu vực hòa khí nhạt gây
nên tình trạng không tận dụng hết oxy. Vì vậy động cơ diesel chỉ có thể hoạt
động bình thường không thải khói đen khi giá trị trung bình của hệ số dư lượng
không khí λ > 1 , nghĩa là trong tình trạng không sử dụng hết số oxy nạp vào
động cơ. Tuy nhiên với trường hợp λ > 1 vẫn còn hiện tượng cháy không kiệt,
đó là một trong những vấn đề chính cần giải quyết để nâng cao tính năng động
lực và tính năng kinh tế của động cơ [23].
Bốn thời kì của quá trình cháy động cơ diesel
Nhiên liệu trong động cơ diesel được phun vào xilanh động cơ vào cuối kì
nén, do lực cản của không khí nén trong buồng cháy, nhiên liệu được xé tơi


nhiên liệu và không khí, các phản ứng này chịu ảnh hưởng bởi thành phần nhiên
liệu, nhiệt độ và áp suất khí nén ngoài ra còn chịu ảnh hưởng bởi tỉ lệ hòa trộn
giữa không khí và nhiên liệu. Tốc độ các phản ứng hóa học này diễn ra tương
đối chậm, sản vật của các phản ứng là sản vật trung gian.
Thời gian cháy trễ ở động cơ Diesel kéo dài khoảng vài phần nghìn giây,
trong thời gian đó có khoảng 30% - 40% lượng nhiên liệu chu trình được đưa
vào buồng cháy, đặc biệt ở một số động cơ Diesel cao tốc, lượng nhiên liệu
phun trong giai đoạn này có thể tới 100%.
Thời gian của giai đoạn cháy trễ bị ảnh hưởng bởi nhiều nhân tố:
-

Thiết kế động cơ: bao gồm thời gian phun nhiên liệu, lượng nhiên liệu
phun, tốc độ phun, kích thước hạt, mức độ rối và xoáy lốc của không
khí…

-

Điều kiện vận hành: bao gồm nhiệt độ và áp suất khí nạp trong xilanh ở
cuối quá trình nén, tốc độ động cơ, những tác động của thành buồng cháy,
nồng độ oxi…

-

Đặc tính nhiên liệu: thể hiện chất lượng của nhiên liệu cụ thể là khả năng
tự cháy và bùng cháy được đánh giá thông qua nhiệt độ tự cháy và trị số
cetan của nhiên liệu diesel.

Chỉ số cetan


và nó cũng phải nằm trong giới hạn cho phép để đảm bảo độ bền và tuổi thọ
động cơ. Tốc độ tăng áp trung bình của giai đoạn này nằm trong khoảng =
0.4÷0.6 MN/m2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tăng áp trung bình như:
• Góc phun nhiên liệu sớm.
• Tỉ số nén và áp suất, nhiệt độ không khí tại thời điểm phun nhiên liệu.
• Cường độ vận động xoáy lốc hoặc rối của không khí.
• Thời gian cháy trễ dài hay ngắn.

Nếu độ tăng áp suất trung bình vượt quá giới hạn quy định sẽ tạo nên các
xung áp suất đập vào bề mặt các chi tiết trong buồng cháy, gây tiếng gõ đanh,
sắc đó là chế độ hoạt động “thô bạo” của động cơ Diesel. Trong điều kiện hoạt
động “thô bạo” các chi tiết chịu tải của động cơ dễ hỏng, rút ngắn tuổi thọ, đồng
thời còn gây khó khăn cho việc điều khiển của lái xe, vì vậy cần tìm biện pháp
tránh gây hiện tượng trên.
Tình hình cháy trong thời kì cháy nhanh phụ thuộc chính vào lượng nhiên
liệu cấp cho xylanh trong thời kì cháy trễ và tình hình tiến triển của những
chuẩn bị về vật lí và hóa học của nhiên liệu trên. Nếu thời kì cháy trễ kéo dài, và
số lượng nhiên liệu phun vào xylanh ở thời kì trên rất nhiều và đều được chuẩn


bị đầy đủ để cháy thì chỉ cần có một nơi nào đó bốc cháy, màng lửa sẽ lan nhanh
đến mọi nơi trong buồng cháy. Tốc độ cháy rất lớn, do đó tăng tốc độ gia tăng
áp suất, hoạt động của động cơ sẽ trở nên thô bạo rất khó điều khiển trực tiếp
tốc độ cháy của thời kì cháy nhanh, áp suất khí cháy tăng vọt là nguyên nhân
làm tăng lượng phát thải NOx.
Các biện pháp hạn chế quá trình cháy nhanh
• Giảm thời gian tạo hỗn hợp và hình thành các tâm cháy ( thời gian
cháy trễ).
• Giảm lượng nhiên liệu phun vào tại giai đoạn cháy trễ.
• Phun nhiên liệu làm nhiều giai đoạn.

Được tính từ điểm 4 cho đến điểm 5 cháy hết nhiên liệu của đồ thị hình
2.1. Trên thực tế rất khó xác định điểm kết thúc cháy này và nó có thể kéo dài
cho tới khi mở cửa thải. Thông thường điểm này được xem như là điểm có tổng
nhiệt lượng cháy tỏa ra chiếm 95% ÷ 97% nhiệt lượng cấp cho một chu trình.
Trong thực tế ở động cơ diesel tồn tại ngay trong quá trình cháy vùng hỗn
hợp quá đậm và vùng quá loãng, và cũng tại thời điểm cháy rớt này lượng sản
vật cháy tăng lên nhiều, áp suất và nhiệt độ môi chất trong xilanh đều hạ thấp
nhanh, chuyển động của dòng khí cũng yếu đi… tất cả nguyên nhân trên khiến
sự cháy kém và khả năng hình thành các sản phẩm có hại như CO, HC, andehyt,
muội than càng lớn.