Cấu trúc của tia phun trong động cơ

QUÁ TRÌNH NÉN, TẠO HỖN HỢP VÀ CHÁY NHIÊN LIỆU TRONG ĐCĐT

B. TẠO HỖN HỢP VÀ CHÁY NHIÊN LIỆU TRONG ĐCĐT

I. LÝ THUYẾT HÌNH THÀNH H ỖN HỢP CHÁY

1.3. Cấu trúc của tia phun trong động cơ

Biểu đồ mô tả một tia phun cao áp hình nón được cho trong Hình 4.8 (đường kính lỗ phun 180 μm, chiều dài của lỗ phun 1 mm). Hiện nay, áp lực phun trong động cơ diesel lên đến 200 MPa với vận tốc 500 m/s hoặc lớn hơn, tia phun bị phá vỡ theo cơ chế tán xạ hạt.

Hình 4.8: Sự phân rã của một tia phun hình nón

Ngay sau khi rời khỏi lỗ phun, tia phun bắt đầu tách ra thành hình nón phun. Đây là sự phá vỡ đầu tiên của chất lỏng được gọi là phân rã sơ cấp và kết quả là các giọt lớn phân bố dày đặc gần các lỗ phun.

Trong trường hợp phun áp suất cao, sự xâm thực tạo bọt và nhiễu loạn bên trong các lỗ phun là cơ chế phân rã chính. Sự phân rã tiếp theo tạo thành những giọt có kích thước nhỏ hơn được gọi phân rã thứ cấp gây ra do lực khí động tạo bởi vận tốc tương đối giữa các giọt và khí bao quanh, như đã mô tả tron g phần trước.

Các lực khí động cản trở chuyển động của những giọt nhỏ. Những giọt ở biên tia phun chịu lực kéo mạnh nhất và di chuyển chậm hơn các giọt phía trong. Vì lý do này các giọt nhỏ ở biên liên tục được thay thế bằng những giọt mới, và sự xuyên sâu của tia phun S tăng, xem Hình 4.9. Những giọt có động năng thấp được đẩy ra ngoài và hình thành các khu vực ngoại biên. Nhìn chung, một hình nón phun (góc nón Φ) tạo ra hỗn hợp càng xa miệng phun càng loãng do sự vận động của không khí.

Hầu hết khối lượ ng chất lỏng được tập trung gần trục tia phun, trong khi khu vực biên chứa khối lượng chất lỏng ít và hơi nhiên liệu nhiều hơn, xem Hình 4.10. Giọt có vận tốc cực đại là tại trục tia phun và giảm theo hướng xuyên tâm do sự tương tác với khí vận động.

Hình 4.9: Sự tiến triển của tia trong quá trình phun pf= 70 MPa,Tair= 8900K

Trong chùm phun dày đặc, xác suất va chạm giọt là rất cao. Những va chạm này dẫn đến sự thay đổi vận tốc và kích thước giọt. Các giọt nhỏ vì thế phân rã thành những giọt nhỏ hơn, nhưng chúng cũng có thể kết hợp để tạo thành giọt lớn hơn, được gọi là giọt liên kết.

Trong hỗn hợp loãng ở xa miệng phun, các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự phân rã và bốc hơi là những điều kiện của buồng đốt như: nhiệt độ, mật độ và lưu lượng khí (rối, xoáy). Độ dài tia được giới hạn bởi khoảng cách giữa miệng phun và đỉnh piston. Trong trường hợp áp suất cao và thời gian phun dài (đầy tải) hoặc mật độ khí thấp (phun sớm) tia phun có thể va chạm với vách hình thành màng chất lỏng. Màng chất lỏng này có ả nh hưởng xấu đến khí thải, bởi bay hơi chậm hơn và không thể đốt cháy hoàn toàn.

Những thí nghiệm cơ bản và bán thực nghiệm mối quan hệ của các tham số phun có liên quan của động cơ diesel như: góc nón, độ dài tia, chiều dài phân rã, và đường kính trung bình của giọt là hàm số của điều kiện biên đã được thực hiện và công bố bởi nhiều tác giả khác nhau. Vì những thí nghiệm thường được thực hiện với sự phun gần như ổn

định nên hầu hết các kết quả chỉ có thể được sử dụng để mô tả giai đoạn phun chính (kim phun nâng hoàn toàn) của tia phun hình nón.

Thời gian phát triển chiều dài S của tia phun có thể được chia thành hai giai đoạn.

Giai đoạn đầu tiên bắt đầu tại đầu của lỗ phun (t = 0, kim bắt đầu mở) và kết thúc tại thời điểm chất lỏng từ các lỗ vòi phun bắt đầu phân rã (t = tbreak).

Hình 4.10: Phân bố các chất lỏng(màu đen)và hơi(màu xám) của tia phun áp suất cao từ VP nhiều lỗ.

Do hành trình nâng kim nhỏ và khối lượng dòng chảy thấp khi bắt đầu phun, vận tốc phun nhỏ, và sự phân rã đầu tiên của tia ph un không phải luôn luôn xảy ra ngay sau khi chất lỏng ra khỏi lỗ phun. Trong thời gian này, sự tăng trưởng của S tuyến tính theo t (Công thức 4.5a).

Chiều dài tia càng lớn, năng lượng và vận tốc các hạt vùng biên càng nhỏ. Nhìn chung, các tác giả cung cấp cho các quan hệ sau đây:

p t S

t t

l

break 2 .

. 39 , 0 :

5 , 0



 



  

 

 0,5

25 , 0

. . .

95 , 2

: p Dt

S t

t

g

break 









  

 

Ở đó:

5 ,

)0

(

. . 65 , 28

p t D

g l

break  





Trong công thức 4.5, Δp [Pa] là sự chênh lệch của áp lực phun và áp suất buồng cháy,ρl và ρg là khối lượng riêng các chất lỏng và môi chất cuối kỳ nén [kg/m3], t là thời gian [s], và D là đường kính lỗ phun [m]. Kết quả là: nâng áp suất phun thì chiều dài tia tăng lên, trong khi tăng mật độ khí thì chiều dài tia giảm [m]. Tăng đường kính lỗ phun làm tăng quán tính tia phun và chiều dài tia tăng lên . Hơn nữa, phương trình thực nghiệm cũng kể đến tác động của nhiệt độ khí Tg, tia phun ngắn nếu buồng đốt nóng (đơn vị SI):

(4.5a)

(4.5c) (4.5b)

 

25 , 0 5

, 0 25 , 0

. 294 .

. .

07 ,

3 





















  

g

g tD T

S p



Góc nón là thông số đặc trưng của tia phun, Khi phun ổn định (kim phun nâng hết) có mối quan hệ sau:

26 , 0 15

, 22 0

, 0

5 ,

83 

 



 



 



 



 



 





l g

Ds

D D

L





Trong công thức 2.7, Φlà góc nón phun [độ], Dslà đường kính khoang phun [m], và L là chiều dài của lỗ phun [m]. Trong trường hợp tỷ lệ L/ D nhỏ cấu trúc bọt xâm thực không vỡ bên trong các lỗ mà vỡ bên ngoài vòi phun và tăng góc nón phu n.

Với D/ Ds lớn làm giảm diện tích mặt cắt ngang tại lối vào của lỗ phun, làm giảm áp lực tĩnh và tạo điều kiện xuất hiện xâm thực. Thông số ảnh hưởng quan trọng nhất là tỷ số khối lượng riêng. Khối lượng riêng của môi chất càng cao thì góc nón càng lớn.

 



 

 f

A l

g 5 ,

4 0

tan 2 



 



 



 





với Alà một hằng số tùy thuộc vào kết cấu vòi phun và có thể được rút ra từ thực nghiệm hoặc công thức gần đúng A= 3,0 + 0,28 (L / D). Đại lượng cuối cùng ở vế phải của công thức 4.8 là một hàm số của các tính chất vật lý của chất lỏng và vận tốc phun:

     

g l l l

f We



 





Re 2

, 10 exp 6 1

3 

 











Đối với các tia phun áp lực cao và do đó làm tăng giá trị của γ, f(γ) tiệm cận bằng 31/2/6. Tuy nhiên, trong trường hợp phun áp lực cao các dự đoán góc nón phun nằm dưới so với kết quả thử nghiệm. Một đại lượng đặc trưng cho kích thước giọt phun, và do đó quyết định sự phân rã tia phun, là đường kính Sauter (SMD).SMD là đường kính của một giọt mô hình (đơn vị: m) có tỷ lệ khối lượng/ diện tích bề mặt bằng với tỷ lệ của tổng của tất cả các khối lượng giọt (V) trong tia phun /tổng của tất cả các diện tích bề mặt giọt (A):

 

6 6

/

2

3 SMD

SMD SMD A

V

m



 



 











 



 



 







 



  





n

i i n

i i spray

d A d

V

1 2 1

3 / 6 Từ 4.10a và 4.10b rút ra:







 n

i i n

i i

d d SMD

1 2 1

3

Với các SMD nhỏ, sự hình thành hỗn hợp và bay hơi hiệu quả hơn. Mặc dù SMD là một đại lư ợng đặc trưng cho quá trình phun, nhưng lưu ý là nó không cung cấp thông tin về phân bố kích thước giọt của các tia phun. Nói cách khác, hai loại tia phun với SMDnhư

(4.6)

(4.7)

(4.8)

(4.9)

(4.10a)

(4.10b)

(4.11)

nhau có thể có phân bố kích thước giọt khác nhau đáng kể. Ngoài ra, còn mối quan hệ khác củaSMD:

47 , 0 37

, 0 32

, 25 0 ,

Re0

38 , 0



 





















 

g l g

l

Wel

D SMD









Trong công thức 4.12, SMD [m], vàμlà độ nhớt động [N.s/m2]. Các đơn vị của đại lượng khác đã được đưa ra trong các phương trình trên. Tăng áp lực phun sự tán nhỏ hạt được cải thiện và như vậy, SMDgiảm.

Tuy nhiên, việc đo kích thước giọt chỉ có thể thực hiện trong khu vực loãng ở biên của tia phun hoặc tại vị trí xa miệng các lỗ phun. SMDchỉ nên sử dụng để ước lượng chất lượng phun.

Nghiên cứu thực nghiệm cấu trúc bên trong của tia phun cao áp hình nón động cơ diesel là rất khó cho dù lõi tia phun tại miệng lỗ phun được coi là một lõi lỏng còn nguyên vẹn. Ý tưởng này dựa trên các phép đo tính dẫn điện đã được thực hiện để rút ra kết luận về cấu trúc bên trong của các tia phun.

Một số nghiên cứu đã đo điện trở giữa cá c miệng lỗ phun và dây một máy dò tinh nằm trong tia phun. Tuy nhiên, thực tế cho thấy kỹ thuật đo lường là không thích hợp để chứng minh thực trạng của một lõi lỏng nguyên vẹn. Chiều dài lõi:

g l

C CD

L 

. 

 .

Phương trình trên thể hiện một thực tế là chiều dài lõi phụ thuộc vào tỷ lệ của khối lượng riêng của chất lỏng / môi chất khí và tỷ lệ thuận với đường kính lỗ phun D. Hằng số thực nghiệm Cthể hiện sự ảnh hưởng của các điều kiện phun và các hiệu ứng khác không được mô tả chi tiết; C= 3,3 σ -11.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lõi không thể là chất lỏng thuần nhất, khu vực này bao gồm một vùng rất dày đặc của các liên kết và các giọt gọi là miền phân rã.

Nghiên cứu của cấu trúc bên trong của tia phun áp lực cao bằng laser quang học kết hợp với phun trong ống nghiệm chứng minh một thực tế là có sự nhiễu loạn và xâm thực bên trong các lỗ vòi phun. Chiều dài miền phân rã:

5 , 13 0

, 05 0

, 0

2 .

. 4 , 0 1 . .

7 









 



 



 



 







 

 



g l l

g

b D

L u

p D D r

L 





Trong công thức 4.14, u là vận tốc ban đầu của tia phun [m/s], và r [m] là bán kính lỗ. Đơn vị của các đại lượng còn lại đã được đưa ra trong các phương trình trên. Các cơ chế chính của phân rã tia phun cao áp hình nón được mô tả chi tiết ở phần sau.

Sự phân rã sơ cấp chính là sự tan vỡ đầu tiên của chất lỏng hình thành các giọt nhỏ và các liên kết tạo những giọt lớn.

Vận tốc tương đối rất cao giữa tia phun và pha khí sinh lực cắt khí động tại bề mặt phân giới khí - lỏng. Do có sự nhiễu loạn chất lỏng được tạo bên trong các miệng phun, bề

(4.12)

(4.13)

(4.14)

mặt tia phun được bao phủ một lớp hạt nhỏ li ti. Một số lớp khác do lực cắt khí động, trở nên không bền vững, được tách ra khỏi tia phun và hình thành các giọt sơ cấp. Tuy nhiên, đó là một quá trình phụ thuộc vào thời gian và không thể phân rã ngay khi ra khỏi miệng phun. Hơn nữa, lực khí động chỉ có thể ảnh hưởng đến lớp biên của tia phun mà không tác động vào lõi, do đó, phân rã khí động chỉ là cơ chế của phân rã giọt thứ cấp, có tầm quan trọng thứ hai.

Hình 4.11: Tóm tắt cơ chế phân rã

Cơ chế phân rã thứ hai là cơ chế gây nhiễu loạn - phân rã. Nếu vận tốc rối xuyên tâm trong tia phun được tạo ra từ trong các miệng phun đủ lớn, vận động rối thắng sức căng bề mặt và tách các giọt ra khỏi tia phun. Đây là cơ chế phân rã quan trọng nhất của tia phun áp lực cao.

Trong trường hợp của dòng chảy rối (tỉ lệ L/D lớn, không tạo bọt xâm thực), biểu đồ vận tốc có dạng phân bố. Tuy nhiên, trong trường hợp phun áp suất cao, có xâm thực, tỷ lệ L/D nhỏ sự hình thành biểu đồ trên là rất khó xảy ra. Một cơ chế phân rã sơ cấp rất quan trọng là cơ chế tan vỡ bọt của tia phu n. Cấu trúc bọt xâm thực phát triển bên trong các lỗ vòi phun vì giảm áp lực tĩnh do sự tăng tốc mạnh của chất lỏng (gradient áp lực hướng trục) kết hợp với độ cong lớn của dòng chảy (bổ sung gradient áp lực hướng tâm) tại cạnh cửa vào lỗ phun.

Do đó, có hai pha dòng chảy cùng tồn tại bên trong các lỗ vòi phun. Cường độ và cấu trúc không gian của vùng xâm thực phụ thuộc vào thông số hình học của vòi phun và điều kiện áp suất. Những bọt bong bóng sẽ nổ vỡ khi rời khỏi vòi phun vì áp suất cao trong xi lanh. Có nhiều ý kiến khác nhau liên quan đến việc tồn tại của năng lượng làm nổ vỡ các bọt bong bóng góp phần vào việc phân rã sơ cấp, hoặc là do tăng năng lượng rối của tia phun hay là do phát sinh tia phun bổ sung trực tiếp tại vùng phân rã. Tuy nhiên, nghiên cứu thực nghiệm đã cho thấy sự chuyển đổi từ chảy rối thuần túy đến tạo luồng bọt ở lỗ phun sẽ làm tăng góc nón phun và giảm chiều dài của tia. Sự lấp đầy khoảng trống của bọt bong bóng bên trong các lỗ vòi phun làm tăng mức độ nhiễu loạn và vì thế cũng làm tăng cường độ phân rã.

b/Chảy rối

d/Xâm thực c/Sự hồi phục của

biên dạng vận tốc

a/Sự gia tăng của dao động bề mặt bởi lực khí động

Do đó, hai cơ chế phân rã chính trong trường hợp tia phun cao áp hình nón là nhiễu loạn vàtạo bọt xâm thực. Thông thường, cả hai cơ chế xảy ra đồng thời và không thể tách biệt.

Do tầm quan trọng của xâm thực thủy động ở vòi phun, sự phát triển của nó sẽ được mô tả chi tiết. Xâm thực thủy động là sự hình thành của bong bóng và lỗ hổng trong chất lỏng do sự giảm áp xuống dưới áp suất hơi, gây ra do biên dạng của dòng chảy. Chất lỏng bay hơi nếu áp đạt suất hơi bão hòa.

Hình 4.12 cho thấy sự khác biệt giữa sôi và xâm thực thủy động. Trong trường hợp sôi, nhiệt độ được tăng lên ở áp suất không đổi, ở trường hợp xâm thực nhiệt độ không thay đổi và áp suất giảm. Vì nhiên liệu thường bao gồm nhiều thành phần khác nhau với những đường cong áp suất hơi khác nhau, các thành phần với những áp suất bay hơi cao nhất sẽ hình thành các vùng xâm thực.

Hình 4.12: Xâm thực thủy động,chất lỏng thuần nhất (đơn chất)

Cho đến nay, chỉ có một số ít tác giả khảo sát hiện tượng xâm thực ở vòi phun trong suốt, kích thước thực (nội soi, X quang, kỹ thuật laser - quang học).

Theo các tác giả này, hiện tượng xâm thực có thể được giải thích như sau. Các chất lỏng vào lỗ phun tăng tốc mạnh do sự giảm diện tích mặt cắt ngang. Giả sử dòng chảy một chiều, ổn định, không ma sát, không chịu nén và đẳng nhiệt, phương trình Bern oulli :

2 2 2

2 1

1 2 u p 2 u

p     

có thể được sử dụng để giải thích thực tế là sự gia tăng tốc độ dòng chảy u từ điểm 1 đến điểm 2 kết quả là vùng hạ lưu giảm áp suất p(gradient áp suất hướng trục).

Tại miệng của lỗ phun, các lực quán tính gây ra bởi độ cong của biên dạng, tạo ra gradient áp lực bổ sung hướng tâm. Áp lực tĩnh thấp nhất đạt ở mép thắt, xem Hình 4.13. Nếu áp lực tại đây đạt tới áp suất bay hơi của chất lỏng, vùng này sẽ chứa đầy hơi. Tác dụng bổ sung gia tăng sự hình thành xâm thực trong vùng áp suất thấp này cắt mạnh dòng do gradient vận tốc lớn ở giữa dòng chảy cong và dòng chảy chính. Điều này tạo các dòng xoáy nhỏ gây nhiễu loạn… do lực ly tâm, áp lực tĩnh ở tâm của những dòng xoáy thấp hơn so với chất lỏng xung quanh, và bong bóng xâm thực được tạo ra. Các khu xâm thực phát

(4.15)

triển dọc theo thành lỗ, tách ra thành các cụm bong bóng, và bắt đầu nổ vỡ bên trong các lỗ vòi phun. Trong trường hợp động cơ diesel phun áp suất cao, các cấu trúc xâm thực thường để lại các bong bóng và nổ vỡ sơ cấp khi phun.

Có nhiều ý kiến khác nhau liên quan đến việc tồn tại sự hiện diện của xâm thực ảnh hưởng tích cực hoặc tiêu cực đến hiệu suất động cơ và khí thải. Một mặt, xâm thực làm giảm diện tích mặt cắt ngang dòng chảy gây cản trở khi phun lượng nhiên liệu lớn (đầy tải). Mặt khác, xâm thực tăng cường sự hình thành hỗn hợp và làm sạch muội lỗ phun gây ra bởi cốc hóa.

Hình 4.13: Xâm thực và không xâm thực của dòng chảy trong lỗ vòi phun

Để giảm mức độ xâm thực, cần giảm chênh áp do giảm đột ngột diện tích mặt cắt ngang. Diện tích mặt cắt ngang phải giảm dần tới các miệng ra của lỗ. Tóm lại, có thể làm giảm đáng kể mức độ xâm thực, nhưng hầu như không thể chế tạo vòi phun triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng này. Do kích thước rất nhỏ, vận tốc dòng chảy cao và phun dày đặc, không cho phép nội soi trực tiếp trong miệng phun, cho đến nay chưa có công trình nào được công bố về nghiên cứu thử nghiệm chi tiết cấu trúc và kích thước của các bong bóng khí xâm thực trong các tia phun chính.

Vì vậy, những công bố về sự vận động và kích thước của bong bóng khí xâm thực ở điều kiện giống như phun trong động cơ là hoàn toàn dựa trên mô hình toán học.

Xâm thực xảy ra được ước tính bằng cách sử dụng một hệ số không thứ nguyên, gọi là hệ số xâm thực K. Tồn tại nhiều định nghĩa khác nhau về hệ số này:

2 2 1 2

2 1

1 p

p p p

p p K p

vap

 



 

Ở đó pvaplà áp suất hơi. Hệ số xâm thực này đại diện cho tỷ lệ giảm áp lực bên trong các lỗ (tăng vận tốc dòng chảy).

Định nghĩa thứ hai về hệ số xâm thực:

2 1

1 2

1 1

2 p p

p p

p p K p vap

 



 

Tóm lại, diễn biến đặc trưng của tia phun hình nón trong động cơ diesel được chia thành ba giai đoạn.

(4.16)

(4.17)