Động cơ 101: P6 – Cháy và cháy kích nổ

Lửa ra đời từ cách đây khoảng 400,000 năm và là một trong những phát minh vĩ đại nhất lịch sử loài người. Nhờ có lửa, thời kỳ đồ Đá như sang trang – tổ tiên của chúng ta có thể thực hiện các cuộc di cư lớn, đồng thời tiến hóa vượt bậc. Nền công nghiệp xe hơi phát triển được như ngày nay cũng là nhờ có lửa và các phát kiến liên quan tới lửa, trong đó động cơ đốt trong là một sáng tạo nổi trội.

Hẳn bạn đã biết, với loại động cơ này, hỗn hợp khí - nhiên liệu được đốt cháy để tạo ra nhiệt năng. Sau đó, nhiệt năng được chuyển hóa thành cơ năng, sinh công, và sản sinh công suất. Trong phần trước ta đã làm quen với các biện pháp hiệu chỉnh tăng hiệu năng của động cơ. Vậy trong bài viết dưới đây, Otoman sẽ đưa bạn quay về với gốc rễ của công suất, thông qua quá trình cháy của một động cơ xăng bốn thì.

1. Bốn thì cháy

Dân kỹ thuật vẫn thường kháo nhau rằng khái niệm bốn thì gồm có: hút - nén - nổ - xả. Tuy nhiên, nói như vậy thôi thì ta chỉ mới dừng lại ở yếu tố hòa khí, mà bỏ qua các cơ cấu quan trọng khác của động cơ. Trong một chu trình cháy, vị trí piston thay đổi không ngừng, xú páp nạp và xả cũng liên tục đóng mở. Vì là một quá trình nhiệt động lực học, hai đại lượng thường được đo lường là áp suất và nhiệt độ. Đây cũng là đại lượng chỉ thị trực tiếp cho hiệu năng của động cơ. Tạm bỏ qua màn giới thiệu các chi tiết cơ khí, sau đây là màn tóm tắt bốn thì cháy.

Thì thứ nhất – Hút. Khi piston di chuyển xuống, vì vùng thể tích trong xi lanh gia tăng, tạo ra một sai biệt áp suất so với áp suất bên ngoài. Không khí bị đẩy vào hệ thống hút, sau đó hỗn hợp nhiên liệu - không khí được hòa trộn. Để công sản sinh được cao, cần nạp càng nhiều hòa khí càng tốt, tức càng nhiều không khí càng tốt (tương ứng tỷ lệ với nhiên liệu). Để làm được điều này, xu páp nạp đã mở sớm khi góc quay trục khuỷu đạt đến 45 độ trước điểm chết trên (ĐCT) và đóng trễ khi góc quay trục khuỷu đạt 35-90 độ sau điểm chết dưới (ĐCD). Cuối thì hút, áp suất và nhiệt độ của hòa khí trong xi lanh là p = 0.8 bar và T = 82 độ C.

Thì thứ hai – Nén. Khi di chuyển lên, piston nén hỗn hợp hòa khí lại còn từ 1/7 đến 1/12 thể tích ban đầu trong xi lanh. Đối với hệ thống phun xăng trực tiếp, không khí bị nén lại ở phạm vi momen xoắn và tốc độ quay thấp, đồng thời nhiên liệu được phun vào khi gần đến thời điểm đốt. Cuối quá trình nén, nhiệt độ hòa khí rơi vào khoảng T = 500 độ C. Vì khí không giãn nở được nên áp suất nén tăng lên đến p = 45 bar. Áp suất này hỗ trợ sự bay hơi của nhiên liệu và tự trộn lẫn với không khí. Như thế việc đốt ở thì thứ ba có thể xảy ra nhanh và toàn diện.

Thì thứ ba – Sinh công. Quá trình cháy được bắt đầu nhờ tia lửa phóng ra nơi điện cực của bugi. Thời gian từ khi tia lửa phóng ra cho đến khi khối lửa bùng lên hoàn toàn chỉ khoảng 1/1,000 s với tốc độ lan truyền 20 m/s. Vì lý do này, thời điểm phóng tia lửa phải xảy ra ở 0-40 độ C trước ĐCT, tùy tốc độ động cơ. Cuối thì này, p = 70 bar và T = 1,800 độ C. Khi này, sự giãn nở của khí đẩy piston xuống ĐCD, nhiệt năng được chuyển đổi thành cơ năng.

Thì thứ tư – Thải. Xú páp thải mở sớm từ 40-90 độ C trước ĐCD, nhờ đó luồng khí thải thoát ra dễ dàng và giảm nhẹ tải trọng tác động vào hệ thống trục khuỷu. Khí thải được đẩy ra khỏi xi lanh với tốc độ âm thanh. Khi piston di chuyển lên, khí thải thừa được đẩy ra với một áp suất p = 1.1 bar, ở nhiệt độ T = 570 độ C. Để hỗ trợ cho việc thoát khí thải, xú páp thải chỉ đóng lại sau ĐCT trong lúc xú páp nạp đã mở. Sự trùng lặp của thời gian mở xú páp giúp đẩy mạnh việc làm trống và làm nguội buồng đốt, qua đó cải thiện quá trình nạp.

Tổng kết bốn thì trong một chu trình, ta có bảng sau:

2. Biểu đồ làm việc (biểu đồ PV)

Để ý rằng trong quá trình cháy trên, thời gian từ lúc bugi đánh lửa đến lúc hòa khí cháy hoàn toàn chỉ kéo dài 1/1,000 giây. Với vận tốc cháy nhanh như vậy, piston chưa kịp đổi chiều chuyển động. Do đó, ta có thể coi đây là quá trình cháy đẳng tích, tức hòa khí đột ngột cháy với thể tích không đổi. Khi này, áp dụng định luật Boyle-Mariotte và Gay-Lussac, ta thể hiện được mối tương quan giữa áp suất, thể tích và nhiệt độ trong một chu trình làm việc của động cơ xăng bốn thì bằng biểu đồ áp suất - thể tích (biểu đồ PV) như hình dưới.

Quá trình đẳng tích lý tưởng trên gồm các diễn tiến sau:

• 1 - 2: Nén hòa khí, áp suất tăng, không thêm nhiệt lượng;
• 2 - 3: Đốt cháy hòa khí, áp suất tăng trong khi thể tích cố định, nhiệt lượng được thêm vào;
• 3 - 4: Dưới áp suất cao, khí nở ra và đẩy piston xuống ĐCD, đạt thể tích ban đầu và không thải nhiệt lượng;
• 4 - 1: Nhiệt lượng được thải ra nên áp suất giảm đến mức áp suất ban đầu.

Phần diện tích + là công đạt được của chu trình. Nếu xú páp thải không mở sớm ở điểm 4 trong thì thải mà chờ đến điểm 5 (khi áp suất khí bằng áp suất ban đầu) mới mở thì công đạt được sẽ cao hơn.

Tuy nhiên, trong thực tế ta không có được điều này. Do đó, xuất hiện diện tích - là công thất thoát thực tế.

Như đã nói, biểu đồ trên thể hiện quá trình cháy đẳng tích lý tưởng. Các điều kiện lý tưởng gồm có: xi lanh không chứa khí thải, hòa khí cháy hoàn toàn, không thất thoát khí và nhiệt lượng, buồng cháy kín hơi. Vì hiếm khi nào một động cơ thỏa những điều kiện này, một biều đồ PV thực tế được giới kỹ thuật sử dụng thường xuyên hơn.

Cụ thể, khi động cơ hoạt động, người ta sử dụng một điện áp kế để ghi lại diễn tiến áp suất và hiển thị qua một đường biểu diễn trên màn hình. Qua đó, những khác biệt với biểu đồ PV lý tưởng được nhận thấy rõ.

Biểu đồ PV là một công cụ dùng để phân tích tình trạng hoạt động của động cơ. Khi so sánh với đường áp suất thông thường, nếu ta phát hiện chênh lệch lớn có nghĩa là việc điều chỉnh động cơ có lỗi.

Không những thế, một ứng dụng rất quan trọng của biểu đồ PV là việc phát hiện hiện tượng kích nổ.

3. Cháy kích nổ

Khác với tính chất cháy cưỡng bức (được bugi đánh lửa) của hòa khí thông thường, cháy kích nổ phát sinh khi hòa khí tự bốc cháy vào cuối thì nén. Khi này, bên trong xi lanh xuất hiện thêm một vài tâm lửa tạo ra các màng lửa dạng hình cầu di chuyển về phía nhau. Tốc độ di chuyển của các màng lửa này có thể đạt tới 500 m/s, khi giao thoa với màng lửa từ bugi thì tạo ra những áp suất cháy cao vượt mức. Chính các áp suất đột biến này gây rối loạn diễn tiến cháy bình thường và cản trở chuyển động của piston. Cháy kích nổ do đó làm tăng tải lên các chi tiết truyền động và gây mất công suất.

Ngoài việc sử dụng loại nhiên liệu không thích hợp cho động cơ thì một số nguyên nhân gây cháy kích nổ có thể là: góc đánh lửa quá sớm, hòa khí không đều, dẫn nhiệt không tốt, tỷ số nén quá lớn. Ví dụ, khi đánh lửa quá sớm, khí cháy có thể đạt áp suất tối đa từ trước khi piston lên tới ĐCT. Thậm chí nếu kích nổ không xảy ra, động cơ vẫn mất công suất. Điều này được thể hiện bằng biểu đồ PV đầu tiên trong hình dưới.

Ta có thể thấy, không chỉ việc đánh lửa quá sớm làm giảm công suất, mà việc đánh lửa quá trễ cũng gây ra điều này. Theo biểu đồ PV, đường biểu diễn thì nén tăng bình thường đến ĐCT. Sau khi hạ xuống đôi chút, áp suất lại tăng lên nhưng không thể đạt cực đại do khi này piston đã di chuyển quá xa về hướng ĐCD. Tương tự với tình trạng khi xú páp hoặc xéc măng bị hở.