1. Các tính chất đặc trưng của tia nhiên liệu – Fuel Spray behavior
1.1. Vấn đề phun nhiên liệu – Fuel Injection.
The fuel is introduced into the cylinder od a diesel engine through a nozzle with a large pressure differential across the nozzle orifice. The cylinder pressure at injection is typically in the range 50 to 100 atm. Fuel injection pressures in the range 200 to 1700 atm are used depending on the engine size and type of combustion system employed. These large pressure differences across the injector nozzle are required so that the injected liquid fuel jet will enter the chamber at sufficiently high velocity to atomize into small-sized droplets to enable rapid evaporation and traverse the combustion chamber in the time available and fully utilizie the air charge.
Nhiên liệu được phun vào buồng cháy động cơ Diezen nhờ sự chênh lệch áp suất lớn giữa phía trước và phía sau lỗ phun. Áp suất trong xi lanh lúc bắt đầu phun có thể đạt từ 50-100atm. Áp suất của nhiên liệu phun dao động trong khoảng từ 200-1700atm phụ thuộc vào kích thước động cơ và dạng buồng cháy sử dụng. Sự chênh lệch áp suất trước và sau lỗ phun phải đủ cao để bảo đảm nhiên liệu xé thành những dạng hạt nhỏ cho dễ bay hơi và xuyên thâu trong buồng cháy trong thời gian ngắn, tạo điều kiện sử dụng hết hoàn toàn lượng không khí nạp.
Nếu biết trước áp suất nhiên liệu trước lỗ phun, giả sử dòng chảy qua các lỗ phun là ổn định, không chịu nén và một chiều thì lưu lượng nhiên liệu qua khỏi lỗ phun là:
1.2. Cấu trúc tổng quát của tia nhiên liệu – Overall Spray Structure.
Hình1.1 giới thiệu dạng của tia nhiên liệu. Sau khi ra khỏi vòi phun tia nhiên liệu chuyển sang chế độ vận động rối và bề rộng của tia tăng dần theo khoảng cách đến lỗ phun do không khí chung quanh bị kéo theo tia. Tốc độ ban đầu của tia nhiên liệu có thể lớn hơn 100m/s. Ở mặt ngoài của tia, nhiên liệu lỏng được xé nhỏ thành các hạt có đường kính khoảng 10 khi ở gần miệng lỗ phun. Nhiên liệu lỏng thoát ra khỏi lỗ phun tập trung trong một lõi hình trụ trước khi bị xé thành những hạt có đường kính khác nhau khi chiều dài tia lớn hơn một giá trị nhất định. Càng xa lỗ phun, khối lượng không khí trong tia càng gia tăng, tốc độ tia càng giảm và đường kính tia càng lớn.
Những hạt nhiên liệu bên ngoài tia bay hơi trước tiên tạo nên một màng hỗn hợp nhiên liệu-không khí bao quanh lõi tia nhiên liệu lỏng (hình 1.1). Tốc độ cao nhất của hạt tia nhiên liệu xuất hiện trên trục của tia. Độ đậm đặc cao nhất cũng nằm trên đường trục và giảm dần về 0 ở ngoài biên tia nhiên liệu. Một khi tia nhiên liệu tiến đến lớp biên của thành buồng cháy, nó chịu tác động tương hỗ của lớp biên này. Tia nhiên liệu khi đó bị cuốn theo dòng khí và có chuyển động tiếp tuyến với thành buồng cháy.
Khi trong buồng cháy có chuyển động xoáy lốc thì cấu trúc của tia phức tạp hơn nhiều. Hình 1.3 giới thiệu sơ đồ dạng của tia phun tạo thành khi phun hướng kính một tia nhiên liệu vào dòng chảy xoáy lốc. Không khí chuyển động trong buồng cháy uốn cong tia phun theo chiều xoáy lốc.
Với cùng điều kiện phun, chiều dài xuyên thâu của tia nhiên liệu trong buồng cháy xoáy lốc giảm so với khi phun trong buồng cháy không xoáy lốc. Điều đáng chú ý ở đây là bề dày của vùng chứa hơi nhiên liệu ở đầu tia được mở rộng hơn so với khi không xoáy lốc (hình 1.2).
Quá trình phát triển của tia nhiên liệu bình thường bị phá vỡ khi hỗn hợp bén lửa. Chúng ta cần biết khu vực nào của tia chứa bộ phận nhiên liệu phun vào trước tiên vào khu vực đó thường bén lửa trước. Sự phát triển của tia phun dường như theo cùng một quy luật. Khi bắt đầu quá trình phun, nhiên liệu lỏng được cung cấp vào khối không khí nóng, bị xé thành những hạt nhỏ chuyển động ra xa miệng vòi phun và tốc độ dịch chuyển giảm dần khi lượng không khí kéo theo vào tia mỗi lúc một tăng dần. Phần nhiên liệu phun tiếp theo gặp ít trở lực hơn, hạt nhiên liệu phun sau đẩy những hạt nhiên liệu phun trước ra ngoài rìa tia. Ở đầu tia phun không ổn định, các hạt nhiên liệu gặp trở lực khí động học lớn nhất và chuyển động chậm dần nhưng tia phun tiếp tục xuyên thâu trong khối không khí vì rằn những hạt bị giảm tốc ở đầu tia được liên tục thay thế bằng những hạt phun sau có động lượng cao hơn.
Theo nhận xét này thì những hạt ở ngoài rìa tia và phía sau đầu tia thuộc bộ phận nhiên liệu được phun vào buồng cháy trước tiên.
1.3. Góc mở của tia phun – Atomization.
Trong những điều kiện phun thông thường, tia nhiên liệu có dạng hình côn. Tính chất này có thể được giải thích bởi cơ chế phân rã tia phun thành những hạt nhiên liệu có kích thước bé hơn nhiều so với đường kính lỗ phun. Ở tốc độ phun thấp, trong phạm vi Rayleigh, sự phân rã tia phun do sự phát triển không ổn định của các sóng bề mặt. Các sóng này do sức căng bề mặt gây ra. Phân rã tia theo cơ chế này cho đường kính hạt lớn hơn đường kính lỗ phun. Khi tốc độ phun gia tăng, lực ma sát do chuyển động tương đối của tia phun và không khí xung quanh làm tăng lực căng bề mặt. Khi đó cơ chế phân rã tia phun cũng giống như trường hợp vừa nêu nhưng những hạt nhiên liệu nhận được có kích thước xấp xỉ đường kính lỗ phun. Nếu tốc độ phun tiếp tục gia tăng, sự phân rã của tia không còn khống chế bởi sóng bề mặt mà bởi sự phình ra nhanh chóng của tia phun sau lõi nhiên liệu lỏng. Trong chế độ phân rã này, sự gia tăng mức độ không ổn định của nhữg sóng có bước ngắn do gia tăng mức độ chuyển động tương đối giữa tia nhiên liệu lỏng và không khí tạo ra những hạt nhiên liệu có đường kính nhỏ hơn đường kính lỗ phun.
Khi tốc độ phun tiếp tục tăng cao hơn một giá trị tới hạn, tia phun bị phân rã theo cơ chế tạo hạt cực nhỏ (atomization). Sự phân rã tia nhiên liệu xảy ra ngay khi thoát ra khỏi miệng vòi phun, kết quả là đường kính hạt nhỏ hơn nhiều so với đường kính lỗ phun. Tương tác khí động học trên mặt tiếp giáp hai pha lỏng khí là yếu tố quan trọng nhất ảnh đến sự phân rã tia phun ở chế độ này.
(Còn tiếp)
1.1. Vấn đề phun nhiên liệu – Fuel Injection.
The fuel is introduced into the cylinder od a diesel engine through a nozzle with a large pressure differential across the nozzle orifice. The cylinder pressure at injection is typically in the range 50 to 100 atm. Fuel injection pressures in the range 200 to 1700 atm are used depending on the engine size and type of combustion system employed. These large pressure differences across the injector nozzle are required so that the injected liquid fuel jet will enter the chamber at sufficiently high velocity to atomize into small-sized droplets to enable rapid evaporation and traverse the combustion chamber in the time available and fully utilizie the air charge.
Nhiên liệu được phun vào buồng cháy động cơ Diezen nhờ sự chênh lệch áp suất lớn giữa phía trước và phía sau lỗ phun. Áp suất trong xi lanh lúc bắt đầu phun có thể đạt từ 50-100atm. Áp suất của nhiên liệu phun dao động trong khoảng từ 200-1700atm phụ thuộc vào kích thước động cơ và dạng buồng cháy sử dụng. Sự chênh lệch áp suất trước và sau lỗ phun phải đủ cao để bảo đảm nhiên liệu xé thành những dạng hạt nhỏ cho dễ bay hơi và xuyên thâu trong buồng cháy trong thời gian ngắn, tạo điều kiện sử dụng hết hoàn toàn lượng không khí nạp.
Nếu biết trước áp suất nhiên liệu trước lỗ phun, giả sử dòng chảy qua các lỗ phun là ổn định, không chịu nén và một chiều thì lưu lượng nhiên liệu qua khỏi lỗ phun là:
1.2. Cấu trúc tổng quát của tia nhiên liệu – Overall Spray Structure.
Hình1.1 giới thiệu dạng của tia nhiên liệu. Sau khi ra khỏi vòi phun tia nhiên liệu chuyển sang chế độ vận động rối và bề rộng của tia tăng dần theo khoảng cách đến lỗ phun do không khí chung quanh bị kéo theo tia. Tốc độ ban đầu của tia nhiên liệu có thể lớn hơn 100m/s. Ở mặt ngoài của tia, nhiên liệu lỏng được xé nhỏ thành các hạt có đường kính khoảng 10 khi ở gần miệng lỗ phun. Nhiên liệu lỏng thoát ra khỏi lỗ phun tập trung trong một lõi hình trụ trước khi bị xé thành những hạt có đường kính khác nhau khi chiều dài tia lớn hơn một giá trị nhất định. Càng xa lỗ phun, khối lượng không khí trong tia càng gia tăng, tốc độ tia càng giảm và đường kính tia càng lớn.
Những hạt nhiên liệu bên ngoài tia bay hơi trước tiên tạo nên một màng hỗn hợp nhiên liệu-không khí bao quanh lõi tia nhiên liệu lỏng (hình 1.1). Tốc độ cao nhất của hạt tia nhiên liệu xuất hiện trên trục của tia. Độ đậm đặc cao nhất cũng nằm trên đường trục và giảm dần về 0 ở ngoài biên tia nhiên liệu. Một khi tia nhiên liệu tiến đến lớp biên của thành buồng cháy, nó chịu tác động tương hỗ của lớp biên này. Tia nhiên liệu khi đó bị cuốn theo dòng khí và có chuyển động tiếp tuyến với thành buồng cháy.
Khi trong buồng cháy có chuyển động xoáy lốc thì cấu trúc của tia phức tạp hơn nhiều. Hình 1.3 giới thiệu sơ đồ dạng của tia phun tạo thành khi phun hướng kính một tia nhiên liệu vào dòng chảy xoáy lốc. Không khí chuyển động trong buồng cháy uốn cong tia phun theo chiều xoáy lốc.
Với cùng điều kiện phun, chiều dài xuyên thâu của tia nhiên liệu trong buồng cháy xoáy lốc giảm so với khi phun trong buồng cháy không xoáy lốc. Điều đáng chú ý ở đây là bề dày của vùng chứa hơi nhiên liệu ở đầu tia được mở rộng hơn so với khi không xoáy lốc (hình 1.2).
Quá trình phát triển của tia nhiên liệu bình thường bị phá vỡ khi hỗn hợp bén lửa. Chúng ta cần biết khu vực nào của tia chứa bộ phận nhiên liệu phun vào trước tiên vào khu vực đó thường bén lửa trước. Sự phát triển của tia phun dường như theo cùng một quy luật. Khi bắt đầu quá trình phun, nhiên liệu lỏng được cung cấp vào khối không khí nóng, bị xé thành những hạt nhỏ chuyển động ra xa miệng vòi phun và tốc độ dịch chuyển giảm dần khi lượng không khí kéo theo vào tia mỗi lúc một tăng dần. Phần nhiên liệu phun tiếp theo gặp ít trở lực hơn, hạt nhiên liệu phun sau đẩy những hạt nhiên liệu phun trước ra ngoài rìa tia. Ở đầu tia phun không ổn định, các hạt nhiên liệu gặp trở lực khí động học lớn nhất và chuyển động chậm dần nhưng tia phun tiếp tục xuyên thâu trong khối không khí vì rằn những hạt bị giảm tốc ở đầu tia được liên tục thay thế bằng những hạt phun sau có động lượng cao hơn.
Theo nhận xét này thì những hạt ở ngoài rìa tia và phía sau đầu tia thuộc bộ phận nhiên liệu được phun vào buồng cháy trước tiên.
1.3. Góc mở của tia phun – Atomization.
Trong những điều kiện phun thông thường, tia nhiên liệu có dạng hình côn. Tính chất này có thể được giải thích bởi cơ chế phân rã tia phun thành những hạt nhiên liệu có kích thước bé hơn nhiều so với đường kính lỗ phun. Ở tốc độ phun thấp, trong phạm vi Rayleigh, sự phân rã tia phun do sự phát triển không ổn định của các sóng bề mặt. Các sóng này do sức căng bề mặt gây ra. Phân rã tia theo cơ chế này cho đường kính hạt lớn hơn đường kính lỗ phun. Khi tốc độ phun gia tăng, lực ma sát do chuyển động tương đối của tia phun và không khí xung quanh làm tăng lực căng bề mặt. Khi đó cơ chế phân rã tia phun cũng giống như trường hợp vừa nêu nhưng những hạt nhiên liệu nhận được có kích thước xấp xỉ đường kính lỗ phun. Nếu tốc độ phun tiếp tục gia tăng, sự phân rã của tia không còn khống chế bởi sóng bề mặt mà bởi sự phình ra nhanh chóng của tia phun sau lõi nhiên liệu lỏng. Trong chế độ phân rã này, sự gia tăng mức độ không ổn định của nhữg sóng có bước ngắn do gia tăng mức độ chuyển động tương đối giữa tia nhiên liệu lỏng và không khí tạo ra những hạt nhiên liệu có đường kính nhỏ hơn đường kính lỗ phun.
Khi tốc độ phun tiếp tục tăng cao hơn một giá trị tới hạn, tia phun bị phân rã theo cơ chế tạo hạt cực nhỏ (atomization). Sự phân rã tia nhiên liệu xảy ra ngay khi thoát ra khỏi miệng vòi phun, kết quả là đường kính hạt nhỏ hơn nhiều so với đường kính lỗ phun. Tương tác khí động học trên mặt tiếp giáp hai pha lỏng khí là yếu tố quan trọng nhất ảnh đến sự phân rã tia phun ở chế độ này.
(Còn tiếp)
Biên tập: Theo Quá trình cháy trong động cơ đốt trong của GS.TSKH. Bùi Văn Ga, NXB KHKT, 2002
theo nguồn đăng kiểm quảng nam
theo nguồn đăng kiểm quảng nam
