Mục lục:
- Nguyên lý cơ bản của hoà khí
- Tỷ lệ hòa khí
- Thành phần hòa khí
- Sự hình thành hỗn hợp hòa khí
- Thay đổi tỷ lệ hòa khí theo tình trạng vận hành
Nguyên lý cơ bản của hoà khí
Động cơ Otto là loại động cơ sử dụng nhiên liệu xăng, cồn methanol hay khí hóa lỏng. Hỗn hợp không khí nhiên liệu bị nén và được hệ thống đánh lửa bên ngoài đốt cháy ở cuối kỳ nén.
Nhiệm vụ của hệ thống tạo hòa khí
Tương ứng với mỗi chế độ vận hành của động cơ, hệ thống tạo hòa khí phải tạo ra đủ lượng hỗn hợp không khí – nhiên liệu cần thiết và cháy được hết hoàn toàn trong động cơ.
Sự cháy triệt để của hỗn hợp không khí – nhiên liệu
Sự cháy hết hoàn toàn của một hỗn hợp không khí – nhiên liệu được hiểu là tất cả các nguyên tử hydro và carbon của nhiên liệu được oxy hóa bởi khí oxy trong không khí để tạo ra khí carbonic (CO2), hơi nước (H2O) và năng lượng nhiệt (để sinh công có ích).
Phân tử của mỗi loại nhiên liệu, tùy theo cấu trúc và kích thước phân tử, có chứa lượng nguyên tử hydro và carbon khác nhau, do đó cần một lượng không khí nhất định để cháy hết hoàn toàn. Việc đốt cháy sẽ khó hơn trong điều kiện quá thiếu hay quá thừa không khí. Khi đó nhiên liệu chỉ cháy một phần. Khi tỷ lệ hòa trộn cao hơn hoặc thấp hơn những trị số giới hạn nhất định (các giới hạn bắt lửa) thì hỗn hợp không cháy được nữa.
Tỷ lệ hòa khí
Tỷ lệ hòa khí mô tả các thành phần của hỗn hợp không khí và nhiên liệu. Tỷ lệ này được phân biệt thành tỷ lệ hòa khí lý thuyết và tỷ lệ hòa khí thực tế.
Tỷ lệ hòa khí lý thuyết: (tỷ lệ hòa khí lý tưởng = nhu cầu không khí trên lý thuyết). Tỷ lệ này cho biết phải cần bao nhiêu kg không khí để đốt cháy hết hoàn toàn 1 kg nhiên liệu. Thí dụ: để đốt cháy hết hoàn toàn 1 kg xăng thì cần khoảng 14,8 kg hay 10.300 lít không khí.
Tỷ lệ hòa khí thực tế: Tùy vào tình trạng vận hành của động cơ, tỷ lệ này có độ sai lệch so với lý thuyết. Khi tỷ lệ nhiên liệu cao hơn, thí dụ 1 : 13, hòa khí được gọi là “đậm” (thiếu không khí). Nếu thành phần nhiên liệu ít hơn, thí dụ như 1 : 16, hỗn hợp được gọi là hòa khí “nhạt” hoặc hoà khí “nghèo” (dư không khí).
Hệ số dư lượng không khí (λ = Lamda)
Hệ số dư lượng không khí là tỷ lệ giữa khối lượng không khí thực tế được nạp vào buồng đốt và khối lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn hòa khí.
Tỷ lệ hòa khí lý tưởng cho xăng là 1 : 14,8 tương ứng với hệ số dư lượng không khí λ = 1. Trong trường hợp này, động cơ nhận được đúng lượng không khí để đốt cháy hoàn toàn lượng nhiên liệu được cung cấp. Ngược lại, nếu nạp vào theo tỷ lệ 16 kg không khí và 1 kg nhiên liệu thì hệ số dư lượng không khí là:
λ = 16 kg không khí / 14,8 kg không khí = 1,08
Điều này có nghĩa là một hỗn hợp hòa khí “nghèo” được hình thành, chứa nhiều không khí hơn cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu. Khi đó, lượng không khí thừa là 1,08 tức 8 %.
Ở mỗi một chế độ vận hành của động cơ xăng, mức độ tiêu thụ nhiên liệu, công suất và tính chất khí thải phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí.
Quan hệ cơ bản giữa hệ số dư lượng không khí với mô-men xoắn và suất tiêu thụ nhiên liệu được chỉ rõ trong hình dưới.
Với những động cơ được phun nhiên liệu trên đường ống nạp (phun gián tiếp) và sử dụng bộ xúc tác khí thải, hệ số dữ lượng không khí phải được giữ sát với trị số λ = 1 để đạt được hiệu suất xử lý khí thải cao nhất.
Thành phần hòa khí
Hỗn hợp hòa khí đồng nhất (homogeneous): Hỗn hợp này có tỷ lệ các thành phần như nhau tại mọi nơi trong buồng đốt. Để đạt được một hỗn hợp đồng nhất không khí và nhiên liệu, thời gian hòa trộn phải đủ dài. Điều này đạt được nếu nhiên liệu được phun sớm trong quá trình nạp hay phun vào đường ống nạp.
Hỗn hợp hòa khí không đồng nhất (heterogenous): Hỗn hợp này có tỷ lệ hòa khí khác nhau ở các vùng khác nhau trong buồng đốt (phân lớp). Hỗn hợp này được tạo ra bằng cách phun nhiên liệu trễ trực tiếp vào lòng xy-lanh trong kỳ nén vào đúng thời điểm hình thành các xoáy lốc trong xy-lanh. Ở động cơ xăng, hòa khí ở khu vực quanh đầu bugi phải đạt λ = 1 để đảm bảo khả năng đốt cháy hòa khí. Ở vùng biên của buồng đốt, hòa khí “nghèo” hơn.
Sự hình thành hỗn hợp hòa khí
Sự hình thành hòa khí bên ngoài: Trong trường hợp này, nhiên liệu bắt đầu được phun vào đường ống nạp tại thời điểm mà xu-páp nạp vẫn còn đóng, ngay trước khi phun. Thời gian thực hiện quá trình nạp khí trong kỳ nạp và quá trình tạo nên hỗn hợp không khí – nhiên liệu kế tiếp đủ để tạo ra một hỗn hợp hòa khi đồng nhất trong buồng đốt (homogeneous).
Sự hình thành hòa khí bên trong: Những động cơ có sự hình thành hòa khí bên trong sử dụng kỹ thuật phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt. Nếu thời điểm phun nhiên liệu quá gần với thời điểm đánh lửa thì không khí và nhiên liệu không có đủ thời gian để hòa trộn đồng đều trước khi được đốt cháy. Do đó, hòa khí tạo thành sẽ không đồng nhất (heterogenous).
Điều chỉnh bằng lượng (quantitative): Những động cơ sử dụng hòa khí hình thành bên ngoài (hòa khí đồng nhất) điều chỉnh công suất bằng cách điều chỉnh độ mở van bướm ga tương ứng với chế độ tải. Qua đó, lượng không khí được thay đổi (lượng). Tỷ lệ hòa khí hầu như phải được giữ nguyên (λ = 1).
Điều chỉnh bằng chất (qualitative): Những động cơ sử dụng hòa khí hình thành bên trong (hòa khí không đồng nhất, tương tự động cơ diesel) điều chỉnh công suất bằng cách thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp khi van bướm ga mở. Lượng không khí được nạp vào hầu như không thay đổi (bướm ga luôn mở 100%). Tỷ lệ không khí – nhiên liệu (qualitative) được thay đổi tùy theo chế độ tải.
Thay đổi tỷ lệ hòa khí theo tình trạng vận hành
Động cơ cần lượng hòa khí (lượng) với tỷ lệ hỗn hợp tương ứng (chất) tùy thuộc vào tình trạng vận hành.
Khởi động lạnh: Đối với động cơ lạnh, chỉ những phần tử nhiên liệu có độ sôi thấp (nhiệt độ bay hơi thấp) mới bay hơi được. Phần lớn nhiên liệu còn lại ngưng tụ lên thành đường ống nạp và thành xy-lanh đang có nhiệt độ thấp. Do đó, phần nhiên liệu này không được đốt cháy hoặc chỉ cháy một phần. Vì vậy, để tạo ra một hòa khí có thể đốt cháy được thì phải phun rất nhiều nhiên liệu (có thể đạt tới hỗn hợp rất đậm với λ = 0,3). Độ đậm của hòa khí trong trường hợp này phụ thuộc vào nhiệt độ của động cơ.
Công suất trong quá trình khởi động cũng phải được tăng thêm vì lực cản do ma sát rất cao khi động cơ lạnh, nhớt ở nhiệt độ thấp. Do đó, lượng hòa khí khi khởi động lạnh cũng cần được tăng lên.
Chạy nóng máy: Đây là khoảng thời gian động cơ làm việc sau khi khởi động lạnh cho đến lúc đạt được nhiệt độ vận hành. Trong giai đoạn này, lượng nhiên liệu được giảm dần theo nhiệt độ. Độ đậm của hòa khi được giảm dần vì những tổn thất do nhiên liệu ngưng tụ trên thành đường ống nạp và ở thành xy-lanh đã giảm xuống khi động cơ nóng dần lên.
Chuyển tiếp, tăng tốc: Trong giai đoạn van bướm ga mở, hòa khí đột ngột bị nhạt đi. Nhiên liệu cần phải được phun thêm ngay để tránh làm giảm công suất nhất thời.
Tải toàn phần: Động cơ được xem là vận hành tải toàn phần khi van bướm ga được mở hoàn toàn. Thông thường, hòa khí cần được làm đậm đến λ = 0,85…0,95 để đạt được công suất tối đa.
Thả trôi (chế độ tự đẩy): Trường hợp này xảy ra khi van bướm ga đóng và động cơ đang có tốc độ quay cao, thí dụ như khi xe đang xuống dốc hoặc đang chạy với tốc độ cao mà người lái ngưng đạp ga (chế độ tự đẩy). Để tiết kiệm nhiên liệu, xăng không được phun cho đến khi tốc độ của động cơ đã giảm hơn mức đã định hoặc khi van bướm ga được mở lại.
