Tìm hiểu hiện tượng kích nổ động cơ và một số cách khắc phục

Kích nổ là hiện tượng tạo ra sóng áp suất không mong muốn. Quá trình này tạo ra âm thanh khác thường (tiếng gõ kích nổ) và có thể làm hỏng một số chi tiết bên trong động cơ (xi lanh, piston). Chúng ta thường bắt gặp hiện tượng kích nổ trên động cơ xăng. Tuy nhiên, động cơ diesel vẫn có thể xảy ra kích nổ vì có tỷ số nén cao.

Hiện tượng kích nổ thường xảy ra ở thời điểm cuối thì nén - đầu thì nổ, khi mà bugi chưa đánh lửa nhưng lượng hòa khí bên trong buồng đốt đã tự bốc cháy (đối với động cơ diesel thì nhiên liệu cháy ở nhiều vùng cháy). Trong bài viết này, bạn đọc hãy cùng Otoman tìm hiểu quá trình diễn ra kích nổ trên động cơ đánh lửa (spark ignition, SI), một số yếu tố ảnh hưởng và cách khắc phục hiện tượng này.

1. Quá trình diễn ra hiện tượng kích nổ động cơ

Như đã nói ở trên, hiện tượng kích nổ phần lớn xảy ra đối với động cơ xăng. Vì vậy, chất lượng chống tự cháy (Auto Ignition Quality) của xăng đóng một vai trò rất quan trọng, và được xác định bởi chỉ số octan (Octane Index). Nếu xăng có chỉ số octan càng cao thì khả năng chống kích nổ càng tốt. Đơn cử như ở Việt Nam, chúng ta hay sử dụng xăng RON 92 và RON 95 thì xăng có chỉ số octan 95 sẽ hạn chế kích nổ tốt hơn loại có chỉ số 92.

Để hiểu hơn về toàn bộ quá trình diễn ra kích nổ, hãy xét đến quá trình cháy bên trong động cơ. Khi piston di chuyển lên điểm chết trên (Top Dead Center, TDC) – thời điểm mà ta gọi là cuối nén, bugi sẽ phát ra tia lửa điện để đốt cháy hòa khí bên trong buồng đốt, từ đó bắt đầu quá trình cháy. Trên thực tế, bugi sẽ đánh lửa trước khi piston kết thúc quá trình nén (trước khi piston đi đến TDC và đổi chiều chuyển động) theo một góc quay trục khuỷu tương ứng (còn được gọi là góc đánh lửa sớm).

Khi bugi đã phát ra tia lửa, nó sẽ đốt cháy hỗn hợp không khí và nhiên liệu được nạp vào buồng đốt. Hòa khí cháy sẽ tạo ra nhiệt độ và áp suất rất cao bên trong xi lanh, sinh ra lực đẩy piston đi xuống.

Tuy nhiên, phần hòa khí bị đốt cháy đầu tiên (sản phẩm cháy) chỉ nằm xung quanh khu vực đầu bugi, sau đó màng lửa mới lan ra đến khu vực đỉnh piston (phần hòa khí cháy sau). Trường hợp bên trong xi lanh đang có nhiệt độ và áp suất khá cao, piston đang đi gần đến TDC và bugi vẫn chưa đánh lửa, nhưng phần hòa khí cháy sau lại đạt đến nhiệt độ tự cháy, nó sẽ tự bắt lửa và cháy.

Lúc này, màng lửa sẽ đi theo hướng từ đỉnh piston đi lên. Ngay sau đó, màng lửa từ khu vực xung quanh bugi cũng được sinh ra và lan xuống dưới. Bên trong buồng đốt ngay thời điểm này tồn tại hai màng lửa di chuyển ngược chiều nhau. Khi hai màng lửa này va chạm vào nhau, chúng sẽ tạo ra một làn sóng áp suất cao kèm theo tiếng gõ gây khó chịu cho người dùng.

Hình bên trái trên đây thể hiện màng lửa và đường biến thiên áp suất ở trạng thái bình thường của quá trình cháy. Trong khi đó, hình bên phải thể hiện màng lửa và đường biến thiên áp suất khi xảy ra kích nổ.

Hiện tượng kích nổ xảy ra thường xuyên và kéo dài sẽ dễ gây thủng piston, gãy thanh truyền, vỡ thành xi lanh…, từ đó làm giảm tuổi thọ hoặc gây hư hỏng nặng cho động cơ.

2. Một số yếu tố ảnh hưởng đến kích nổ động cơ

2.1. Tỷ lệ hoà khí

Yếu tố này phụ thuộc vào quá trình nạp. Khối lượng khí nạp đi vào xi lanh phụ thuộc vào độ mở cánh bướm ga hoặc hệ thống tăng áp/siêu nạp. Lượng khí nạp càng lớn thì sẽ càng dễ gây ra kích nổ. Hơn nữa, nhiệt độ khí nạp cũng là yếu tố then chốt. Khi nhiệt độ khí nạp thấp, không khí sẽ đặc hơn và ngược lại, khi nhiệt độ khí nạp cao, không khí cũng sẽ loãng hơn.

Vì vậy, ta cần sử dụng cảm biến nhiệt độ khí nạp (Mass Air Flow Sensor, MAF) để lấy thông tin đưa về ECU, nhằm hiệu chỉnh thời gian phun nhiên liệu phù hợp với nhiệt độ khí nạp. Nếu nhiệt độ khí nạp cao mà thời gian phun nhiên liệu lại dài, hiện tượng kích nổ sẽ rất dễ dàng xảy ra.

Ngoài ra, tỷ số nén của động cơ cũng rất quan trọng. Động cơ có tỷ số nén cao đồng nghĩa với nhiệt độ và áp suất nén của buồng đốt cũng cao, do đó dễ dàng xảy ra hiện tượng kích nổ.

2.2. Thời gian cháy

Thông thường, thời gian cháy thấp hơn sẽ làm giảm nguy cơ kích nổ. Các yếu tố gây ảnh hưởng nhiều nhất đến khoảng thời gian này là:

• Nhiễu loạn không khí: Tăng độ nhiễu loạn sẽ làm tăng tốc độ ngọn lửa chính và giảm độ trễ đánh lửa, do đó làm giảm xu hướng kích nổ;
• Vị trí bugi: Nên bố trí bugi ở vị trí trung tâm để màng lửa có thể lan ra một cách đồng đều và nhanh chóng; tránh trường hợp đặt bugi ở vị trí nào đó mà phải mất một thời gian dài thì động cơ mới có thể đốt cháy hết lượng hòa khí trong buồng đốt;
• Kích thước xi lanh: Nếu đường kính xi lanh là lớn, hoà khí sẽ mất nhiều thời gian để có thể cháy hết, do đó làm tăng nguy cơ kích nổ. Ngày nay, người ta có xu hướng dùng động cơ với nhiều xi lanh nhưng vẫn cùng dung tích, từ đó kích thước xi lanh được giảm đi;
• Buồng đốt: Thiết kế buồng đốt đóng vai trò chính trong hành trình di chuyển của màng lửa. Buồng đốt nhỏ gọn hơn thì có khoảng cách di chuyển màng lửa ngắn hơn, do đó làm giảm xu hướng kích nổ.

2.3. Nhiệt độ khí nạp

Bất kỳ yếu tố nào làm tăng nhiệt độ khí nạp thì đều làm tăng nguy cơ kích nổ, bao gồm:

• Nhiệt độ khí nạp: Như đã nêu ở trên, nhiệt độ khí nạp càng lớn thì càng dễ làm hòa khí bên trong xi lanh đạt đến nhiệt độ tự cháy;
• Tăng áp, siêu nạp: Làm tăng cả nhiệt độ và khối lượng khí nạp, do đó làm tăng nguy cơ kích nổ;
• Nhiệt độ buồng đốt: Đóng vai trò chính trong việc sinh ra kích nổ. Buồng đốt được giới hạn bởi đỉnh piston, thành xi lanh và nắp máy. Khi diễn ra quá trình cháy, nhiệt độ buồng đốt có thể lên đến hàng nghìn độ C. Vì vậy, cần đảm bảo hệ thống làm mát cho piston, xi lanh và nắp máy luôn ở trạng thái tốt nhất để không làm cho nhiệt độ buồng đốt bị tăng lên quá cao, dễ dàng gây ra kích nổ.

3. Làm thế nào để khắc phục kích nổ động cơ?

Khi đã biết được quá trình xảy ra kích nổ cũng như các yếu tố ảnh hưởng, sau đây là một số cách hạn chế và khắc phục hiện tượng này:

• Thiết kế vị trí đặt bugi sao cho khoảng cách di chuyển của màng lửa là tối thiểu;
• Đảm bảo làm mát cho thân động cơ, thành xi lanh, nắp máy, piston;
• Hình dạng hình học của buồng đốt phải được thiết kế sao cho tỷ lệ giữa tổng diện tích bề mặt trên thể tích được giữ ở mức thấp nhất có thể, góp phần làm giảm các điểm nóng sinh nhiệt và tăng nhiễu loạn;
• Sử dụng nhiên liệu có chỉ số chống kích nổ cao;
• Tốc độ động cơ cao sẽ làm giảm kích nổ;
• Giảm tỷ số nén của động cơ;
• Sử dụng hệ thống tăng áp, siêu nạp phù hợp với tỷ số nén động cơ.

Trên đây là tất cả nội dung về kích nổ động cơ, các yếu tố ảnh hưởng và cách khắc phục. Nếu bạn đọc muốn tìm hiểu thêm nhiều kiến thức về chủ đề này thì đừng quên để lại bình luận bên dưới nhé!