Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật Ô tô, máy kéo: Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình phun nhiên liệu đến công suất và khí thải của động cơ Diesel phun trực tiếp bằng phương pháp mô phỏng

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: 2.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu tác ñộng của quá trình phun nhiên liệu ñến công suất và khí thải của ñộng cơ Diesel phun trực tiếp tại Việt Nam và trên Thế G

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ ñược bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG Tp.HCM

ngày …… tháng …… năm……

Thành phần Hội ñồng ñánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị của Hội ñồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ ) 1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ……… Xác nhận của chủ tịch hội ñồng ñánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn ñã ñược sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội ñồng ñánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

Tp HCM, ngày…… tháng…… năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: TRIỆU MINH PHÚC Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 04/11/1982 Nơi sinh: Đồng Nai Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô – máy kéo MSHV: 01308283

1- TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình phun nhiên liệu ñến công suất và khí thải của ñộng cơ Diesel phun trực tiếp bằng phương pháp mô phỏng”.

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

2.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu tác ñộng của quá trình phun nhiên liệu ñến công suất và khí thải của ñộng cơ Diesel phun trực tiếp tại Việt Nam và trên Thế Giới

2.2 Nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô phỏng KIVA3V vào ñộng cơ cụ thể (ñộng cơ thí nghiệm 1 xy lanh của hãng AVL - Phòng Thí nghiệm Động cơ ñốt trong, Trường Đại học Bách khoa Tp.Hồ Chí Minh)

2.3 Nghiên cứu tác ñộng của thông số “thời ñiểm phun” ñến công suất và khí thải của ñộng cơ Diesel phun trực tiếp

2.4 Nghiên cứu tác ñộng của thông số “thời gian phun” ñến công suất và khí thải của ñộng cơ Diesel phun trực tiếp

2.5 Tổng kết ñánh giá

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2010 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 02/07/2011 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi ñầy ñủ học hàm, học vị ):

TS NGUYỄN LÊ DUY KHẢI

Nội dung và ñề cương Luận văn thạc sĩ ñã ñược Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CÁM ƠN

Để luận văn hoàn thành ñúng tiến ñộ và ñạt kết quả tốt, ngoài sự cố gắng của chính bản thân mình, em xin chân thành cám ơn tất cả Quí Thầy, Cô, các bạn sinh viên trong Bộ môn ñã tạo ñiều kiện thuận lợi, giúp ñỡ em thực hiện luận văn này

Đặc biệt, em xin cảm ơn thầy TS Nguyễn Lê Duy Khải ñã cung cấp những tài liệu, phần mềm quan trọng và tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Em xin chân thành cảm ơn Quí thầy ñang công tác tại phòng Thí nghiệm Động cơ ñốt trong - Trường Đại học Bách khoa Tp.Hồ Chí Minh - ñã nhiệt tình giúp ñỡ em trong công việc thu thập số liệu thực nghiệm của Động cơ thí nghiệm một xy lanh AVL

Cuối cùng, em chân thành cảm ơn Gia ñình, bạn bè gần xa ñã tạo ñiều kiện, giúp ñỡ em hoàn thành tốt luận văn này

Mặc dù ñã hết sức cố gắng ñể hoàn thành luận văn một cách tốt nhất có thể, nhưng do kiến thức và kinh nghiệm của em còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót Em rất mong sẽ nhận ñược sự ñóng góp, chia sẻ ý kiến của Quý Thầy, Cô, cùng các bạn ñể ñề tài có thể hoàn thiện và phát triển ở mức cao hơn

Em xin chân thành cám ơn !

Học viên thực hiện,

Triệu Minh Phúc

TÓM TẮT

Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số quá trình phun nhiên liệu trên ñộng cơ Diesel phun trực tiếp ñến công suất và ô nhiễm khí thải bằng phương pháp mô phỏng Cụ thể, thông số “thời ñiểm phun” và thông số “thời gian phun” ñược thay ñổi ñể ñánh giá sự tác ñộng ñến công suất và phát thải bồ hóng cũng như NOx trong khí thải ñộng cơ Diesel phun trực tiếp

Mỗi thông số quá trình phun ñều chứa ñựng những ưu ñiểm và nhược ñiểm hay chúng có thể tồn tại song song cùng nhau Nghiên cứu trong luận văn ñã chỉ ra rằng, khi thời ñiểm phun sớm tăng lên sẽ làm cho NOx tăng và lượng bồ hóng giảm xuống Hay khi tăng giá trị thời gian phun (tức giảm áp suất phun) thì NOx giảm rõ rệt còn bồ hóng thì chia thành hai giai ñoạn: thoạt ñầu lượng bồ hóng tăng cùng với việc tăng thời gian phun nhưng sau ñó lượng bồ hóng lại giảm trở lại

ABSTRACT

The thesis introduces the research into influence of the fuel injection parameters on direct injection Diesel (DI Diesel engine) engine performance and emission, using simulation The “Start of Injection timing” and “Duration of Injection” was also changed to appreciate the effect on DI Diesel engine performance and emit particulates and oxides of nitrogen

Each technology has its own merits and demerits or exists interaction The results show that, the total of oxides of nitrogen increased and particulates decreased when increased “Start of Injection timing”; when increased “Duration of Injection” parameter (i.e decreased injection pressure), amount of oxides of nitrogen rapid decreased and change in the particulates divide two stages: the fist of all, particulates increased together with “Duration of Injection”, after that, it decreased if continue to increased “Duration of Injection” parameter

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Từ gốc Nghĩa của từ

0

Injection

Hệ thống nhiên liệu "common rail" phun trực tiếp

degATDC degree After Top Dead

Camshaft

Trục cam ñôi

EGR Exhaust Gas Recirculation Tuần hoàn khí xả ERC Engine Research Center Trung tâm nghiên cứu ñộng cơ

IVC Intake Valve Close Thời ñiểm xú páp nạp ñóng KH-RT Kelvin-Helmholtz and

Rayleigh-Taylor model

Mô hình lai KH-RT

RNG k-e Renormalized Group k-e

model

Mô hình dòng chảy rối “RNG k-e”

Engineering

Hiệp hội kỹ sư Ôtô

1.1.1 Xu thế phát triển của ñộng cơ Diesel 1

1.1.2 Ưu ñiểm của phương pháp mô phỏng 3

1.2 Mục tiêu ñề tài và ñối tượng nghiên cứu 4

1.2.1 Mục tiêu ñề tài 4

1.2.2 Đối tượng nghiên cứu 4

1.3 Giới hạn ñề tài 4

1.4 Phương pháp nghiên cứu 4

1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới 4

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khái quát về các chất ô nhiễm trong khí thải ñộng cơ Diesel phun trực tiếp 6

2.1.1 Bồ hóng (muội than) 7

2.1.1.1 Thành phần hạt bồ hóng 7

2.1.1.2 Cấu trúc hạt bồ hóng 7

2.1.2 Oxít Nitơ NOx 9

2.2 Các biện pháp giảm ô nhiễm trên ñộng cơ Diesel 10

2.3 Các quá trình cơ bản trong ñộng cơ Diesel 10

2.3.1 Quá trình phun nhiên liệu 10

2.3.1.1 Vấn ñề phun nhiên liệu 10

2.3.1.2 Cấu trúc tổng quát của tia nhiên liệu 11

2.3.1.3 Góc mở tia phun 14

2.3.1.4 Độ xuyên thâu của tia nhiên liệu trong buồng cháy 16

2.3.1.5 Sự phân bố kích thước hạt 19

2.3.1.6 Sự bốc hơi nhiên liệu 21

2.3.2 Quá trình cháy trong ñộng cơ Diesel phun trực tiếp 23

2.3.3 Các nhân tố ảnh hưởng ñến thời gian cháy trễ 28

2.3.3.1 Khái niệm 28

2.3.3.2 Nguyên lý của quá trình bén lửa 29

2.3.3.3 Các yếu tố vật lý ảnh hưởng ñến thời kỳ cháy trễ 30

2.3.3.4 Các quan hệ về thời kỳ cháy trễ trong ñộng cơ 34

2.4 Các mô hình toán sử dụng trong mô phỏng 35

2.4.1 Mô hình phân rã tia phun “Kelvin-Helmholtz và Taylor” 35

Rayleigh-2.4.2 Mô hình bay hơi hạt nhiên liệu 37

2.4.3 Mô hình dòng chảy rối “Renormalized Group k-epsilon” (RNG k - e) 39

2.4.4 Mô hình hình thành NOx 41

2.4.5 Mô hình hình thành bồ hóng 42

CHƯƠNG III : TẠO LƯỚI VÀ THIẾT LẬP CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU 3.1 Cấu trúc chương trình mô phỏng KIVA3V-ERC 46

3.3.2.1 Đồng nhất áp suất xy lanh khi không phun nhiên liệu 51

3.3.2.2 Đồng nhất áp suất xy lanh khi có phun nhiên liệu 53

CHƯƠNG IV : ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI ĐIỂM PHUN ĐẾN CÔNG SUẤT

VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG

4.1 Điều kiện mô phỏng 55

4.2 Thông số thay ñổi 55

4.3 Kết quả và bình luận 58

4.3.1 Ảnh hưởng của thời ñiểm phun ñến áp suất và nhiệt ñộ trong xy lanh 58

4.3.2 Ảnh hưởng của thời ñiểm phun ñến tốc ñộ tỏa nhiệt 61

4.3.3 Ảnh hưởng của thời ñiểm phun ñến hình thành bồ hóng và NOx 64

4.4 Kết luận 67

CHƯƠNG V : ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN PHUN ĐẾN CÔNG SUẤT VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG 5.1 Điều kiện mô phỏng và thông số thay ñổi 68

5.2 Kết quả và bình luận 71

5.2.1 Ảnh hưởng của thời gian phun ñến áp suất và nhiệt ñộ trong xy lanh 71

5.2.2 Ảnh hưởng của thời gian phun ñến tốc ñộ tỏa nhiệt 73

5.2.3 Ảnh hưởng của thời gian phun ñến hình thành bồ hóng và NOx 75

5.2.3.1 Ảnh hưởng của thời gian phun ñến hình thành bồ hóng 75

5.2.3.2 Ảnh hưởng của thời gian phun ñến hình thành NOx 78

5.3 Kết luận 80

CHƯƠNG VI : KẾT LUẬN 5.2 Kết luận 81

5.1 Đề xuất hướng phát triển 82

Tài liệu tham khảo xiii

Phụ lục… xvi

2.4 Cấu trúc tinh thể graphit 8

2.5 Sơ ñồ tia phun nhiên liệu trong ñộng cơ Diesel 11

2.6 Ảnh chụp sự phát triển của tia nhiên liệu trong buồng cháy ñộng cơ Diesel không xoáy lốc a.Biên dạng ngoài của tia; b.Lõi tia nhiên liệu 12

2.7 Sơ ñồ tia nhiên liệu phun hướng kính vào buồng cháy xoáy lốc 13

2.8 Ảnh chụp biên dạng tia phun trong buồng cháy xoáy lốc 14

2.9 Biến thiên góc mở tia phun theo tỉ số rg /rl 15

2.10 Biến thiên ñộ xuyên thâu của ñầu tia phun theo thời gian ứng với các áp suất khác nhau trong buồng cháy không xoáy lốc 17

2.11 Biến thiên ñộ xuyên thâu của tia phun theo thời gian của buồng cháy xoáy lốc (a) ảnh hưởng của ñộ xoáy lốc ñến biên dạng tia phun; (b) ảnh hưởng của ñộ xoáy lốc ñến quan hệ S(t) 18

2.12 Ảnh hưởng của tỉ số chiều dài/ñường kính lỗ tia (a) và ñường kính lỗ tia ñến ñường kính Sauter (b) theo áp suất phun 21

2.13 Biến thiên ñịnh tính của khối lượng,ñường kính,nhiệt ñộ,tốc ñộ bốc hơi của hạt và tốc ñộ truyền nhiệt từ không khí vào hạt nhiên liệu lỏng theo thời gian 21

2.14 Sự biến thiên của áp suất trong buồng cháy P, ñộ nâng kim phun INvà áp suất nhiên liệu trong ñường ống cao áp Pt theo góc quay trục khuỷu trong ñộng cơ Diesel phun trực tiếp cỡ nhỏ 23

2.15 Biến thiên áp suất trong xy lanh P, tốc ñộ phun nhiên liệu mf, tốc ñộ tỏa nhiệt thực Qn tính toán từ P ñối với ñộng cơ Diesel phun trực tiếp, 1000v/phút, thời ñiểm phun bình thường, áp suất có ích trung bình 620kPa 25

2.16 Sơ ñồ tương quan giữa tỷ lệ nhiên liệu phun vào và tỷ lệ nhiên liệu cháy (hay tỷ lệ tỏa nhiệt) 26

2.17 Đường cong tỏa nhiệt tiêu biểu trong ñộng cơ Diesel phun trực tiếp 27

2.18 Thời gian cháy trễ trong ñộng cơ Diesel cỡ nhỏ 4 kỳ, phun trực tiếp, có tỉ số nén 16.5; n=1980 v/phút 31

2.19 Ảnh hưởng của chỉ số cetane ñến thời kỳ cháy trễ của ñộng cơ 33

2.20 Sơ ñồ hình thành bồ hóng “8 bước” của Foster 43

3.1 Bản vẽ thiết kế piston AVL .48

3.2 Bản vẽ piston AVL sau khi vẽ lại trên AutoCad 49

3.3 Phân vùng và lập tọa ñộ ñiểm vị trí biên của piston 49

3.4 Mô hình lưới buồng ñốt piston AVL với góc mô phỏng 720 50

3.5 Đồng nhất áp suất xy lanh khi không phun nhiên liệu 53

3.6 Đồng nhất áp suất xy lanh ở chế ñộ 80% tải 54

4.1 Mối quan hệ giữa công suất ñộng cơ, lượng tiêu hao nhiên liệu với góc phun sớm 56

4.2 Phân bố nhiệt ñộ trong xy lanh tại thời ñiểm phun nhiên liệu 57

4.3 Phân bố nhiệt ñộ trong xy lanh tại thời ñiểm 20 quay trục khuỷu sau khi phun 58

4.4 Mối quan hệ giữa áp suất trung bình và góc quay trục khuỷu tại các thời ñiểm phun khác nhau 59

4.5 Đồ thị nhiệt ñộ trung bình trong xy lanh khi thay ñổi góc phun sớm 60

4.6 Đồ thị tốc ñộ cháy của nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu 61

4.7 Đồ thị tốc ñộ tỏa nhiệt 62

4.8 Mối quan hệ giữa lượng nhiên liệu ñã cháy và góc quay trục khuỷu 63

4.9 Lượng bồ hóng phát thải tương ứng với các góc phun khác nhau .64

4.10 Lượng NOx phát thải tương ứng với các góc phun khác nhau 65

4.11 Đồ thị nhiệt ñộ cực ñại trong xy lanh theo góc quay trục khuỷu 66

4.12 Phân bố nhiệt ñộ lớn nhất trong xy lanh tương ứng các góc phun sớm 12degBTDC (vị trí trục khuỷu tại 8degATDC); 14degBTDC (vị trí trục khuỷu tại 6degATDC); 18degBTDC (vị trí trục khuỷu tại 4degATDC) và 22degBTDC (vị trí trục khuỷu tại 0degTDC) 66

5.1 Mối quan hệ giữa công suất ñộng cơ, lượng tiêu hao nhiên liệu với thời gian phun 68

5.2 Tia phun nhiên liệu tại thời ñiểm 12degBTDC tương ứng với thời gian phun 4CAD, 6CAD, 8CAD, 10CAD, 12CAD, 14CAD và 18CAD 70

5.3 Đồ thị tốc ñộ bay hơi nhiên liệu 70

5.4 Mối quan hệ giữa áp suất trung bình và góc quay trục khuỷu tương ứng với gian phun khác nhau 71

5.5 Đồ thị nhiệt ñộ trung bình trong xy lanh 71

5.6 Tốc ñộ cháy của nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu 73

5.7 Đồ thị tốc ñộ tỏa nhiệt 73

5.8 Mối quan hệ giữa lượng nhiên liệu ñã cháy và góc quay trục khuỷu 74

5.9 Lượng bồ hóng phát thải tương ứng với thời gian phun 4CAD, 6CAD, 8CAD, 10CAD, 12CAD, 14CAD và 18CAD 75

5.10 Đồ thị lượng bồ hóng hình thành trong buồng ñốt 76

5.11 Lượng bồ hóng hình thành và bồ hóng bị Ôxi hóa khi tăng thời gian phun từ 4CAD lên 12CAD 77

5.12 Lượng bồ hóng hình thành và bồ hóng bị Ôxi hóa khi tăng thời gian phun từ 12CAD lên 18CAD 78

5.13 Khối lượng NOx hình thành trong buồng ñốt 79

4.1 Thông số quá trình mô phỏng 55

4.2 Mối quan hệ giữa thời ñiểm phun, thời gian cháy trễ, giá trị tỏa nhiệt cực ñại và khoảng thời gian cháy của nhiên liệu 56

5.1 Mối quan hệ giữa thời gian phun với thời gian cháy trễ, giá trị tỏa nhiệt cực ñại và khoảng thời gian cháy của nhiên liệu 69

DANH MỤC PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Irep.txt xvii

Phụ lục 2: Itape5.txt xx

Phụ lục 3: Itapeerc.txt xxv

Phụ lục 4: Otape12.txt_SOI = 10degBTDC xxviii

Phụ lục 5: Otape12.txt_SOI = 12degBTDC xxxiv

Phụ lục 6: Otape12.txt_SOI = 14degBTDC xxxv

Phụ lục 7: Otape12.txt_SOI = 16degBTDC xxxvi

Phụ lục 8: Otape12.txt_SOI = 18degBTDC xxxvii

Phụ lục 9: Otape12.txt_SOI = 20degBTDC xxxvii

Phụ lục 10: Otape12.txt_SOI = 22degBTDC xxxix Phụ lục 11: Otape12.txt_DOI = 4CAD xl Phụ lục 12: Otape12.txt_DOI = 6CAD xlvi Phụ lục 13: Otape12.txt_DOI = 8CAD xlvii Phụ lục 14: Otape12.txt_DOI = 10CAD xlviii Phụ lục 15: Otape12.txt_DOI = 12CAD xlix Phụ lục 16: Otape12.txt_DOI = 14CAD l Phụ lục 17: Otape12.txt_DOI = 18CAD li Phụ lục 18: Áp suất xy lanh (không phun)_thực nghiệm lii Phụ lục 19: Áp suất xy lanh (có phun)_thực nghiệm liv

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bùi Văn Ga, Văn Thị Bông, Phạm Xuân Mai, Trần Văn Nam, Trần

Thanh Hải Tùng, 1999 "Ôtô và ô nhiễm môi trường" Nhà xuất bản Giáo

dục

[2] Bùi Văn Ga, 2002 "Quá trình cháy trong Động cơ ñốt trong" Nhà xuất

bản Khoa học và Kỹ thuật

[3] Ali, Y., A.Hanna and Joseph E.Borg, NE 685830726 "Effect of

alternative Diesel Fuels on Heat Release Curves for Cummins N14-410 Diesel Engine" University of Nebraska-Lincoln

[4] Amsden, Anthony A., P.J.O'Rourke, T.D Butler, 1989 "Kiva-II- A

Computer Program for Chemically Reactive Flows with Sprays” Los

Alamos National Labs, LA-11560-MS

[5] Anden, Anthony A., 1993 "Kiva-3: A KIVA Program with

Block-Structure Mesh for Complex Geometries" Los Alamos National Labs,

LA-12503-MS

[6] Anden, Anthony A., 1999 "KIVA-3V, RELEASE 2, IMPROVEMENTS

TO KIVA-3V" Los Alamos National Labs, LA-13608-MS [7] Anon, 1994 "Engine cycle analyzer, Operator's manual" SuperFlow

Corp

[8] AVL LIST GMBH Graz, 2002 "HUT-Hanoi AVL 5402 Single Cylinder

Research Engine No.5402.030/Instructor manual for Engine 5402"

Report Single Cylinder Research Engine 5402.030 with Endoscope Sleeves for optical access via VisioScope

[9] Baulch, D.L., D.Drysdall, D.Horne and A.C.Lloyd, 1973 "Evaluated

Kinetic Data for High Temperature Reactions" Journal of Molecular

Structure, Vol.15

[10] Bianchi, G.M, and P.Pelloni, 1999 "Modeling the Diesel fuel spray

breakup by using a hybrid model" SAE paper No.1999-01-0226

[11] Flaig, U., W.Polach and G.Zeigler, 1999 "Common rail system

(CR-system) for Passenger Car DI Diesel Engine" SAE paper No

1999-01-0191

[12] Gunabalan,A., P.Tamilporai and R.Ramaprabhu, 2010 "Effect of

Injection Timing and EGR on DI Diesel Engine Performance and Emission-using CFD” Taminadu,India

[13] Han, Z and R.D.Reizt, 1995 "Turbulence Modelling of Internal

Combustion Engine using RNG k-e Models” Comb Sci Tech., [14] Han, Z and R.D.Reizt, 1995 "A Temperature Wall Function Formulation

for Variable-Density Turbulence Flows with Application to Engine Convective heat Transfer Modeling" Submitted to International Journal

of Heat and Mass transfer

[15] Han, Z., U.Ali, G.J.Hampson and R.D Reitz, 1996 "Mechanism of soot

and NOx emissions reduction using multiple injection in a Diesel engine" SAE paper No 960633

[16] Heywood, J.B., 1988 "Internal Combustion Engine Fundamental"

McGraw-Hill Book company, New York

[17] Kärrholm, F.P., 2008 "Numerical Modelling of Diesel Spray Injection,

turbulence Interaction and Combustion" Thesis for Doctor of Philosophy [18] Kazakov, A., and D.E.Foster, 1998 "Modeling of soot Formation during

DI Diesel Combustion Using a Multi-Step Phenomenological model"

SAE paper No 982463

[19] Khai, Nguyen Le Duy., N.Sung, 2009 "Effects of Split Injection on Soot

Emissions in a Diesel Engine" Kỷ yếu Hội nghị Khoa học công nghệ lần

thứ 11

[20] Kim, H., and N.Sung, 2004 "Combustion and Emission modelling for a

Direct Injection Diesel Engine" SAE paper No.2004-01-0104

[21] Kong, S., Z.Han, R.D.Reizt, 1994 "The Development and Application of

a Diesel Ignition and Combustion Model for Multidimensional Engine Simulation" SAE paper 950278

[22] Lakshminarayanan, P.A and Y.V.Aghav, 2010 "Modelling Diesel

Combustion" Springer Science+Business Media B.V2010 [23] Lee, J-H, and S.Goto, 2000 "comparison of spray characteristics in

butane and diesel fuels by numerical analysis" SAE paper

No.2000-01-2941 [24] Millo, F., C.Ferraro, M.G.Bernardi, P.Pasero, and S.Barbero, 2009

"Experimental and computational analysis of different EGR systems for a common rail passenger Car Diesel engine" SAE paper No 2009-01-

0672

[25] Minfa, Y., W.Hu, Z.Zheng and Y.Yan, 2009 "Experimental study of

multiple injections and coupling effects of multi-injection and EGR in a HD Diesel engine" SAE paper No 2009-01-2807

[26] Miyamoto, Y., A.K.Hayashi, A.Harada, S.Sasaki, A.Hisashi and

K.Tujumura, 1999 "A Computational Investigation of Premixed Lean Diesel Combustion Characteristics of Fuel-Air mixture formation, Combustion and Emissions" SAE paper No 1999-01-0229

[27] Nordin, N., 2001 "Complex chemistry modeling of Diesel spray

combustion" PhD thesis, Chamlers University of Technology, Göteborg [28] Okude,K., K.Mori, S.Shiino, K.Yamada and Y.Matsumoto, 2007 "Effect

Characteristics" SAE paper No.2007-01-4178 [29] Park, S.W., H.J.Kim and C.S.Lee, 2003 "Investigation of atomization

characteristics and prediction accuracy of hybrid models for high-speed Diesel fuel sprays" SAE paper No 2003-01-1045

[30] Rietz, R.D., 1987 "Modeling Atomization Processes in High-Pressure

Vaporizing Sprays" Atomization and Spray Technology

[31] Rotondi, R., G.Bella, C.Grimaldi and L.Postrioti, 2001 "Atomization of

High-pressure Diesel Sprays: Experimental Validation of a New Breakup Model" SAE paper No 2001-01-1070

[32] Stiesch, G., 2003 "Modeling Engine Spray and Combustion Processes"

Springer Verlag berlin heidelberg new York

[33] Weaver, Christopher S and Mc Gregor, Douglas B., 1994 "Emissions

Control technology for Locomotive Engine" SAE paper No.940453 [34] Yakhot, V., S.A.Orszag, 1986 "Renormalization Group Analysis of

Turbulence I Basic Theory" J.Sci Computer [35] Zel'dovich, Y.B., 1946 "The Oxidation of Nitrogen in Combustion and

Explosions" Acta Physiochimica USSR, Vol 21 [36] Zhu, Y., H.Zhao, and N.Ladommatos, 2003 "Computational study of the

effects of injection timing, EGR and swirl ratio on a HSDI multi-injection Diesel Engine" SAE paper No 2003-01-0346

CHƯƠNG I : MỞ ĐẦU

1.1.Lí do chọn ñề tài:

1.1.1.Xu thế phát triển của ñộng cơ Diesel:

Do hiệu suất nhiệt của ñộng cơ Diesel cao hơn những dòng ñộng cơ khác nên chúng ñược ứng dụng rộng rãi trên các phương tiện vận tải; ñặc biệt là vận tải hàng hóa, chẳng hạn như: ôtô khách, ôtô tải, xe lửa, tàu thủy… Chính vì lý do này, thị trường ñộng cơ Diesel ngày càng phát triển, không chỉ ở riêng Việt Nam mà cả những thị trường khó tính trên thế giới Với một nền công nghiệp phát triển, chắc hẳn không thể thiếu việc vận chuyển sản phẩm, hàng hóa từ nơi này sang nơi khác Từ ñó, dòng ñộng cơ Diesel cũng phát triển theo Sau ñây là một số số liệu cụ thể về thị trường của ñộng cơ Diesel tại các nước trên thế giới:

Tại thị trường các nước liên minh Châu Âu EU: (nguồn AutomotiveWorld.com)

Vào năm 1990, ôtô trang bị ñộng cơ Diesel tại thị trường các nước Tây Âu chỉ chiếm 13,8% nhưng theo thống kê năm 2007 của ACEA (European Automobile Manufacturers Association), ôtô gắn ñộng cơ Diesel chiếm 53,3% thị phần ôtô tại thị trường này

Thị trường Luxembourg ñạt tỉ lệ cao nhất 77,2%; tiếp theo là Bỉ (77%) và ngay sau ñó là Pháp (73,8%) và Tây Ban Nha ñạt tỉ lệ xấp xỉ 70,9%

Dung tích xy lanh trung bình của dòng ñộng cơ Diesel trên ôtô chở khách là 1.740cc vào năm 2007 so với 1.733cc và 1.745cc của những năm 2006 và 2004 Trong bản báo cáo này cũng chú ý ñến công suất trung bình của dòng ñộng cơ này cũng tăng lên, vươn ñến 87kW vào năm 2007

Thế hệ ñộng cơ Diesel mới tại thị trường Châu Âu: (nguồn Frost & Sullivan

Research Service)

Thị phần ñộng cơ Diesel của thị trường này ngày càng tăng, từ xấp xỉ 14% vào những năm 1987 lên 33% năm 2000 và ñạt 45% vào năm 2003; và ngày càng

tăng khi xuất hiện các dịng động cơ Diesel phun trực tiếp kết hợp cơng nghệ Common Rail và sử dụng tăng áp khí nạp

Trung tâm nghiên cứu Frost & Sullivan cũng đưa ra dự đốn của mình về thị trường động cơ Diesel trong giai đoạn 2001-2012 khi ứng dụng các cơng nghệ mới chẳng hạn như sử dụng bộ lọc bồ hĩng, cơng nghệ CRDI (common rail trên động cơ Diesel phun trực tiếp) Theo dự đốn, vào năm 2012 giá trị sẽ đạt 147 tỉ Euro với số lượng lên đến 4,4 triệu xe

Dự báo thị phần động cơ Diesel thế giới giai đoạn 2012-2017: (nguồn Freedonia Group, Inc)

- Nhu cầu về động cơ Diesel sẽ tăng 3%/năm vào 2012 - Thị trường Châu Á sẽ tăng đột biến: Châu Á hiện đang là thị trường động

cơ Diesel lớn nhất thế giới, vượt hẳn các nước Tây Âu, tập trung ở thị trường các nước như Trung Quốc, Ấn Độ, Hàn Quốc Theo dự báo, vào năm 2012 thị phần sẽ tăng thêm 1/3 so với hiện nay Tại Nhật, mặt dù phân khúc xe gia đình tăng nhanh nhưng dịng xe tải và xe khách vẫn tăng tuyệt đối

- Thị trường Bắc Mỹ tăng nhanh hơn Tây Âu: tại Nam Mỹ, Hoa Kỳ là thị trường tiềm năng cho sự phát triển của phân khúc xe thương mại đến 2012 Tại Đơng Âu và Mỹ Latinh, nhu cầu xe sử dụng động cơ Diesel dự báo tăng khoảng 4%/năm từ 2007 đến 2012 Tuy nhiên, hai thị trường này cũng chỉ mới chiếm khoảng 6% nhu cầu của cả khu vực

- Nhu cầu sử dụng động cơ Diesel trong các lĩnh vực khác cũng tăng nhanh: Sự phát triển của dịng động cơ Diesel ở những lĩnh vực khác cũng tăng mạnh vào 2012, tương đương 2% đến 4% Thị trường này được trơng chờ phát triển mạnh hằng năm trong khi phân khúc Ơtơ được dự báo sẽ chuyển sang nhu cầu mới

1.1.2.Ưu ñiểm của phương pháp mô phỏng:[16]

Khái niệm:

- Mô phỏng là quá trình diễn tả một sự vật hoặc một hiện tượng cho một ñối tượng khác hiểu và làm ñược Đối với những hiện tượng lớn mà mô phỏng theo phương pháp trên khó thực hiện ñược nên người ta chuyển qua một hàm theo thời gian t: f(t) Tuy nhiên, phải nén thời gian lại theo môt cách riêng ñể có thể diễn tả f(t)

- Mô phỏng là việc tạo ra một mô hình ñơn giản cho vật thể hoạt ñộng dựa trên những quy luật mô phỏng theo ñiều kiện thực tế, trên mô hình này ta có thể xác ñịnh những thông số tác ñộng và các ñặc tính làm việc của vật thể ñó

Ưu và nhược ñiểm của phương pháp mô phỏng:

1.2.Mục tiêu ñề tài và ñối tượng nghiên cứu:

1.2.1.Mục tiêu ñề tài:

- Giảm ô nhiễm môi trường; - Tăng công suất ñộng cơ bằng cách thay ñổi một số thông số của quá trình

phun nhiên liệu trong ñộng cơ Diesel

1.2.2. Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu mô phỏng quá trình phun nhiên liệu

trên ñộng cơ Diesel có công suất dưới 300 mã lực, buồng cháy trực tiếp

1.3.Giới hạn ñề tài: Mô phỏng quá trình phun nhiên liệu trên ñộng cơ thí nghiệm

một xylanh của hãng AVL

1.4.Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp mô phỏng trên ñộng cơ cụ thể

1.5.Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới:

Như chúng ta ñã biết, quá trình phun nhiên liệu trên ñộng cơ Diesel ñóng vai trò chính trong việc phát thải ra các chất gây ô nhiễm và tác ñộng lớn ñến suất tiêu hao nhiên liệu cũng như công suất của ñộng cơ Tùy thuộc vào phương thức và thời ñiểm mà nhiên liệu phun vào buồng ñốt có thể làm cho ô nhiễm trong khí xả và tiêu hao nhiên liệu khác nhau Có rất nhiều công trình nghiên cứu ñã chứng minh và góp phần vào sự phát triển của hệ thống phun nhiên liệu trên ñộng cơ Diesel ngày nay ñể giảm thiểu ñáng kể các chất ñộc hại trong khí xả Weaver và nhóm tác giả ñã chỉ ra rằng khi giảm góc phun sớm sẽ làm cho lượng NOx trong khí xả giảm Nhưng vấn ñề xảy ra khi nồng ñộ NOx giảm thì lượng bồ hóng lại tăng (Weaver và nhóm tác giả,1994, [33]) Điều này cũng ñã ñược chứng minh qua rất nhiều công trình nghiên cứu khác, chẳng hạn như nghiên cứu về tác ñộng của áp suất phun kết hợp phun tách (Okude và nhóm tác giả, 2007, [28]); ảnh hưởng của thời ñiểm phun và tuần hoàn khí xả (Miyamoto và nhóm tác giả,1999, [26]); hoặc nghiên cứu ảnh hưởng của xoáy lốc dòng khí nạp trên ñộng cơ Diesel phun trực tiếp… cũng nhằm mục ñích giảm ô nhiễm khí xả và nâng cao công suất

ñộng cơ Hệ thống nhiên liệu “common Rail” ra ñời ñể tối ưu hóa quá trình phun nhiên liệu, với áp suất phun tạo ra cao sẽ làm cho nồng ñộ bồ hóng giảm vì ñiều này giúp cải thiện cho quá trình phân rã hạt nhân, bay hơi và hòa trộn với không khí của tia nhiên liệu (Flaig và nhóm tác giả,1999, [11]) Tuy nhiên, như ñã trình bày ở trên, áp suất phun tăng lại làm cho nồng ñộ NOx tăng theo, nguyên nhân do nhiệt ñộ cháy cao và các vùng không khí giàu ôxi xung quanh ñiểm lửa gây ra (Gunabalan và nhóm tác giả, 2010, [12]) Việc kết hợp của hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR) và hiệu chỉnh góc phun sớm trên ñộng cơ Diesel có thể giảm ñược NOx nhưng lại làm tăng lượng bồ hóng phát thải (Han và nhóm tác giả, 1996, [15]) Hoặc kết hợp giữa kỹ thuật phun tách và EGR (Mingfa và nhóm tác giả, 2009, [25]), hay kết hợp ưu ñiểm của hệ thống “common rail” với EGR (Millo và nhóm tác giả, 2009, [24]) có thể cải thiện công suất ñộng cơ và giảm ô nhiễm nhưng NOx và bồ hóng luôn luôn có sự xuất hiện trái ngược nhau trong khí xả ñộng cơ Diesel

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.Khái quát về các chất ô nhiễm trong khí thải ñộng cơ Diesel phun trực tiếp: [9];[16]

Tương tự như ñộng cơ xăng, khí thải ñộng cơ Diesel là sự kết hợp của Nitơ, Oxi, Hidrocarbon và CO2 Khí thải của ñộng cơ Diesel bao gồm phần lớn các phần tử của không khí, nhưng chất này không làm nguy hại lớn ñến môi trường Còn lại khoảng 6,5% là các chất khí có thể ảnh hưởng lớn ñến môi trường cần ñược kiểm soát

Carbon Dioxide (CO2) quan hệ trực tiếp ñến hiệu suất của 1 ñơn vị quá trình cháy Hiệu suất càng cao bao nhiêu thì lượng khí CO2 thải ra càng thấp bấy nhiêu Động cơ Diesel có hiệu suất cao vì thế lượng khí CO2 thải ra thấp hơn rất nhiều so với các loại ñộng cơ ñốt trong sử dụng nhiên liệu khác[16] CO2 là khí gây nên hiệu ứng nhà kính, vì vậy cần ñược cần ñược kiểm soát ở mức ñộ có thể chấp nhận ñược

CO và HC trực tiếp liên quan ñến quá trình cháy Nếu quá trình cháy xảy ra hoàn hảo thì lượng khí CO và HC sẽ thấp Tương tự như CO2, CO và HC cũng cần ñược kiểm soát khi nói ñến ô nhiễm do khí thải của ñộng cơ ñốt trong

SOx lại liên quan ñến việc chọn nhiên liệu sử dụng Nếu nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao thì khí thải sẽ có nhiều SOx Chính vì vậy, ngày nay dầu Diesel có hàm lượng lưu huỳnh thấp ñược sử dụng rất phổ biến trong ngành vận tải Bên cạnh việc sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp, các nhà sản xuất có thể trang bị thêm bộ lọc SOx, tuy nhiên bộ lọc ngày nay có kích thước to và quá mắc nên vẫn chưa ñược sử dụng nhiều

Bồ hóng là chất ô nhiễm ñặc biệt quan trọng trong khí xả ñộng cơ Diesel, ñặc biệt là ñộng cơ Diesel phun trực tiếp Quá trình cháy khuếch tán của loại ñộng cơ này rất thuận lợi cho việc tạo ra bồ hóng Trong quá trình bốc hơi của nhiên liệu, sự tập trung cục bộ hơi nhiên liệu tại vùng có nhiệt ñộ cao là nguyên nhân chính sản sinh ra bồ hóng

Bên cạnh ñó, ñối với ñộng cơ Diesel phun trực tiếp, NOx là một trong những chỉ tiêu quan trọng ñánh giá khí thải Quá trình cháy khuếch tán của ñộng cơ Diesel là một trong những tác nhân chính dẫn ñến sự xuất hiện của NOX trong khí thải Chính vì lí do ñó, việc khống chế NOX là công việc ñầu tiên và quan trọng khi nói ñến việc xử lí khí thải trên ñộng cơ này

2.1.1.Bồ hóng (muội than):

- Cacbon: thành phần này ít nhiều phụ thuộc vào nhiệt ñộ cháy và hệ số dư lượng không khí trung bình, ñặc biệt là khi ñộng cơ hoạt ñộng ở chế ñộ ñầy tải hoặc quá tải

- Dầu bôi trơn không cháy: ñối với ñộng cơ cũ, thành phần này chiếm tỉ lệ lớn, lượng dầu bôi trơn bị tiêu hao và lượng hạt bồ hóng có quan hệ với nhau

- Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn: thành phần này phụ thuộc vào nhiệt ñộ và hệ số dư lượng không khí

- Sunfur: do lưu huỳnh trong nhiên liệu bị ôxi hóa thành SO2 hoặc SO4 - Các chất khác: can xi, silicon, chromium, phốt pho…

Thành phần hạt bồ hóng còn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, ñặc ñiểm của quá trình cháy, dạng ñộng cơ cũng như thời hạn sử dụng của ñộng cơ Thành phần bồ hóng trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao khác với nhiên liệu có hàm lương lưu huỳnh thấp

Hình 2.1 và 2.2 trình bày ảnh chụp khuếch ñại của chuỗi và hạt sơ cấp tạo thành hạt bồ hóng trong khí xả ñộng cơ Diesel Một cách tổng quát có thể nói hạt bồ hóng mà người ta thường gọi hình thành do sự liên kết của nhiều hạt sơ cấp hình cầu thành từng khối hoặc chuỗi Một hạt bồ hóng có thể chứa ñến 4000 hạt hình cầu sơ cấp các hạt sơ cấp này có ñường kính từ 10 ñến 80nm và ñại bộ phận

hạt nằm trong khoảng 15-30nm Đường kính trung bình của các hạt bồ hóng nằm trong khoảng 100-150nm, có khi lên ñến 500-1000nm

Cấu trúc tinh thể của hạt bồ hóng trong khí xả ñộng cơ Diesel có dạng tương tự như graphit (hình 2.3 và 2.4) nhưng ít ñều ñặn hơn Mỗi hạt sơ cấp hình cầu là một tập hợp khoảng 1000 mầm tinh thể, có dạng phiến mỏng, ñược xếp ñồng tâm quanh tâm của mỗi hạt cầu, tương tự như cấu trúc hạt cacbon ñen Những nguyên tử cacbon kết nối với nhau theo các phiến lục giác phẳng, cách nhau 0,34-0,36nm (nhỉnh hơn một chút so với graphit: 0,33nm) các phiến này kết hợp với nhau tạo thành mầm tinh thể (từ 2-5 phiến) với cấu trúc giống như cacbon ñen Những mầm tinh này lại sắp xếp theo các hướng song song với mặt hạt cầu với kết cấu siêu tĩnh ñể tạo thành các hạt

Hình 2.3 Mô hình cấu trúc dạng hạt

sơ cấp

Hình 2.4 Cấu trúc tinh thể graphit

2.1.2.Oxít Nitơ NOx:

Oxide Nitrogen là kết quả của sự kết hợp giữa Ơxi và Nitơ trong khơng khí ở điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao trong buồng đốt Nhiệt độ cần thiết để hình thành NOX là trên 2.5000F (13710C), chỉ xuất hiện trong kì nổ của động cơ

Quá trình cháy trong động cơ Diesel gồm 2 giai đoạn : giai đoạn cháy đồng nhất diễn ra ngay sau thời kì cháy trễ và giai đoạn cháy khuếch tán Sự phân bố nhiệt độ và thành phần khí cháy trong khơng gian buồng cháy là khơng đồng nhất Với quá trình cháy khuếch tán, màng lửa xuất hiện ở những khu vực cục bộ cĩ thành phần hỗn hợp gần với giá trị cháy lí thuyết Trong quá trình này, luơn tồn tại những khu vực hay các “túi” khơng khí cĩ nhiệt độ thấp Nhờ bộ phận khơng khí này mà NO hình thành trong buồng cháy động cơ Diesel được làm mát (gọi là sự “tơi” NO) nhanh chĩng hơn và do đĩ NO ít cĩ khuynh hướng bị phân giải

Các quan sát thực nghiệm cho thấy hầu hết NO được hình thành trong khoảng 200 gĩc quay trục khuỷu tính từ lúc bắt đầu cháy Do đĩ, khi giảm gĩc phun sớm, điểm bắt đầu cháy lùi dần về điểm chết trên TDC, điều kiện hình thành NO cũng bắt đầu trễ hơn và nồng độ của nĩ cũng giảm do nhiệt độ cực đại thấp Đối với động cơ Diesel cỡ lớn, giảm gĩc phun sớm cĩ

thể làm giảm 50% nồng độ NO trong khí xả trong phạm vi gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu chấp nhận được Đối với động cơ Diesel nĩi chung, nồng độ NOx tăng theo độ đậm đặc trung bình Tuy nhiên, nồng độ NOx giảm theo độ đậm đặc chậm hơn động cơ đánh lửa cưỡng bức do sự phân bố khơng đồng nhất của nhiên liệu Trong quá trình cháy của động cơ Diesel, độ đậm đặc trung bình phụ thuộc trực tiếp vào lượng nhiên liệu chu trình Do đĩ, ở chế độ tải lớn nghĩa là áp suất cực đại tăng cao, nồng độ NOx tăng

NOx cĩ thành phần cấu tạo gồm 97% đến 98% NO và 2% NO2 NO bản thân là chất khí khơng màu nhưng khi kết hợp với oxi để hình thành NO2 thì nĩ lại cĩ

Phân tử NO2

màu hơi nâu Khi NO2 kết hợp với hidrocarbon dưới tác ñộng của ánh sáng mặt trời sẽ gây nên hiện tượng quang hoá

2.2.Các biện pháp giảm ô nhiễm trên ñộng cơ Diesel: [9];[16]

Để giảm ô nhiễm trong khí thải ñộng cơ Diesel có rất nhiều cách, hiện nay có rất nhiều nghiên cứu của các chuyên gia trên thế giới về vấn ñề này Các phương pháp xử lí ô nhiễm hiện nay có thể phân chia thành 3 nhóm:

Biện pháp xử lí bên trong ñộng cơ: - Cải thiện quá trình cháy của ñộng cơ - Cải thiện quá trình phun nhiên liệu - Cải thiện hình dáng buồng ñốt
Biện pháp xử lí ngoài ñộng cơ:

- Sử dụng bộ lọc “catalyst” - Sử dụng bộ lọc bồ hóng (particulate traps) - Dùng turbo tăng áp

- Sử dụng hệ thống tuần hoàn khí xả
Thay ñổi thành phần nhiên liệu:

- Giảm nồng ñộ lưu huỳnh có trong nhiên liệu dầu Diesel - Thêm phụ gia vào nhiên liệu

- Sử dụng Biodiesel…

2.3.Các quá trình cơ bản trong ñộng cơ Diesel: [2];[16]

2.3.1.Quá trình phun nhiên liệu:

Nhiên liệu ñược phun vào buồng ñốt nhờ sự chênh lệch áp suất giữa trước và sau lỗ phun Áp suất xy lanh tại thời ñiểm nhiên liệu phun vào có giá trị trong dãy từ 50 ñến 100 atm Áp suất nhiên liệu dao ñộng từ 200 ñến 1700 atm phụ thuộc vào kích cỡ ñộng cơ và hình dạng buồng cháy Sự chênh lệch áp suất giữa trước và sau lỗ phun phải ñủ cao ñể ñảm bảo nhiên liệu xé thành những dạng hạt nhỏ, tạo ñiều kiện cho việc bay hơi và xuyên thâu trong buồng cháy với thời gian ngắn

Nếu biết trước áp suất nhiên liệu trước lỗ phun, giả sử dòng chảy qua các lỗ phun là ổn ñịnh, không chịu nén và một chiều thì lưu lượng nhiên liệu qua khỏi lỗ phun là:

pC

C

3602ρ ∆ ∆θ

Trong ñó ∆θ là thời gian phun tính theo góc quay trục khuỷu còn N là tốc ñộ ñộng cơ Hai phương trình trên cho thấy sự phụ thuộc giữa lượng nhiên liệu cung cấp và các thông số của hệ thống phun cũng như chế ñộ vận hành của ñộng cơ

2.3.1.2.Cấu trúc tổng quát của tia nhiên liệu:

Hình 2.5 Sơ ñồ tia phun nhiên liệu trong ñộng cơ Diesel

Hình 2.5 giới thiệu hình dạng của tia nhiên liệu Sau khi ra khỏi vòi phun, tia nhiên liệu chuyển sang chế ñộ vận ñộng rối và bề rộng của tia tăng dần theo

Chiều dài lõi tia Góc phun

Độ xuyên thâu Sự phân bố

kích thước hạt

khoảng cách ñến lỗ phun do không khí chung quanh bị kéo theo tia Tốc ñộ ban ñầu của tia nhiên liệu có thể lớn hơn 100m/s Ở mặt ngoài của tia, nhiên liệu lỏng ñược xé nhỏ thành các hạt có ñường kính khoảng 10µm 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 ñường kính khác nhau khi chiều dài tia lớn hơn một giá trị nhất ñịnh Càng xa lỗ phun, khối lượng không khí trong tia càng gia tăng, tốc ñộ tia càng giảm và ñường 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 2.6) Tốc ñộ cao nhất của hạt tia nhiên liệu xuất hiện trên trục của tia Độ ñậm ñặc cao nhất cũng nằm trên ñường trục và giảm dần về 0 ở ngoài biên tia nhiên liệu Một khi tia nhiên liệu tiến ñến lớp biên của thành buồng cháy, nó chịu tác ñộng tương hỗ của lớp biên này Tia nhiên liệu khi ñó bị cuốn theo dòng khí và có chuyển ñộng tiếp tuyến với thành buồng cháy

Hình 2.6 Ảnh chụp sự phát triển của tia nhiên liệu trong buồng cháy ñộng cơ Diesel không xoáy lốc a.Biên dạng ngoài của tia; b.Lõi tia nhiên liệu

Khi trong buồng cháy có chuyển ñộng xoáy lốc thì cấu trúc của tia phức tạp hơn nhiều Hình 2.7 giới thiệu sơ ñồ dạng của tia phun tạo thành khi phun hướng

kính một tia nhiên liệu vào dòng chảy xoáy lốc Không khí chuyển ñộng trong buồng cháy uốn cong tia phun theo chiều xoáy lốc Với cùng ñiều 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 ñáng chú ý ở ñây là bề dày của vùng chứa hơi nhiên liệu ở ñầu tia ñược mở rộng hơn so với khi không xoáy lốc (hình 2.8)

Hình 2.7 Sơ ñồ tia nhiên liệu phun hướng kính vào buồng cháy xoáy lốc

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 vì khu vực ñó thường bén lửa trước Sự phát triển của tia phun dường như theo cùng một quy luật Khi bắt ñầu quá trình phun, nhiên liệu lỏng ñược cung cấp vào khối không khí nóng, bị xé thành những hạt nhỏ chuyển ñộng ra xa miệng vòi phun và tốc ñộ 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 ñẩy những hạt nhiên liệu phun trước ra ngoài rìa tia Ở ñầu tia phun không ổn ñịnh, các hạt nhiên liệu gặp trở lực khí ñộng học lớn nhất và chuyển ñộng chậm dần nhưng tia phun tiếp tục xuyên thâu trong khối không khí vì rằng những hạt bị giảm tốc ở ñầu tia ñược liên tục thay thế bằng những hạt phun sau có

Lỗ vòi phun

Lõi tia Rìa trước của tia

Dòng khí xoáy lốc Rìa sau của tia

ñộng lượng cao hơn Theo nhận xét này thì những hạt ở ngoài rìa tia và phía sau ñầu tia thuộc bộ phận nhiên liệu ñược phun vào buồng cháy trước tiên

Hình 2.8 Ảnh chụp biên dạng tia phun trong buồng cháy xoáy lốc

Trong những ñiều kiện phun thông thường, tia nhiên liệu có dạng hình côn Tính chất này có thể ñược giải thích bởi cơ chế phân rã tia phun thành những hạt nhiên liệu có kích thước bé hơn nhiều so với ñường kính lỗ phun Ở tốc ñộ phun thấp, trong phạm vi Rayleigh, sự phân rã tia phun do sự phát triển không ổn ñịnh của các sóng bề mặt Các sóng này do sức căng bề mặt gây ra Phân rã tia theo cơ chế này cho ñường kính hạt lớn hơn ñường kính lỗ phun Khi tốc ñộ phun gia tăng, lực ma sát do chuyển ñộng tương ñối của tia phun và không khí xung quanh làm tăng lực căng bề mặt Khi ñó cơ chế phân rã tia phun cũng giống như trường hợp vừa nêu nhưng những hạt nhiên liệu nhận ñược có kích thước xấp xỉ ñường kính lỗ phun Nếu tốc ñộ 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 ñộ phân rã này, sự gia tăng mức ñộ không ổn ñịnh của nhữg sóng có bước ngắn do gia tăng mức ñộ chuyển ñộng tương ñối giữa tia nhiên liệu lỏng và không khí tạo ra những hạt nhiên liệu có ñường kính nhỏ hơn ñường kính lỗ phun

Khi tốc ñộ 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 ñường kính hạt nhỏ hơn nhiều so với ñường kính lỗ phun Tương tác khí ñộng học trên mặt tiếp giáp hai pha lỏng khí là yếu tố quan trọng nhất ảnh ñến sự phân rã tia phun ở chế ñộ này

Ở chế ñộ phân rã tia theo cơ chế hạt cực nhỏ, góc mở tia phun θ có thể ñược tính theo quan hệ:

634

12tan

2

=



lg

ρπ

Trong ñó ρg, ρl là khối lượng riêng của chất khí và chất lỏng, còn A là hằng số ñối với một loại lỗ phun cho trước, thông thường A = 4.9 Trong trường hợp tổng quát, hằng số A có thể tính theo công thức thực nghiệm gần ñúng:

Với Ln/dn là tỉ số chiều dài/ñường kính của lỗ phun

Hình 2.9 Biến thiên góc mở tia phun theo tỉ số ρg /ρl

Hình 2.9 biểu diễn sự biến thiên của góc mở tia phun theo tỉ số ρg /ρl Người ta có thể xác lập tiêu chí ñể ñảm bảo sự phân rã tia phun thành những hạt cực nhỏ:

kP

P

gl <



(2.4)

Trong ñó k là hằng số phụ thuộc vào dạng hình học của lỗ phun,

Ak =18,3

Tốc ñộ và sự phát triển của tia nhiên liệu trong quá trình xuyên thâu trong buồng cháy ảnh hưởng quan trọng ñến việc sử dụng không khí cũng như ñến tốc ñộ hòa trộn nhiên liệu – không khí Mức ñộ xuyên thâu của tia nhiên liệu trong buồng cháy ñược thiết kế không giống nhau Ở ñộng cơ buồng cháy kiểu M.A.N, tia nhiên liệu tráng lên thành buồng cháy nóng sau khi xuyên qua khối không khí xoáy lốc Ở các dạng buồng cháy khác, người ta không muốn tia nhiên liệu chạm vào thành Thật vậy, khi ñộ xuyên thâu của tia nhiên liệu vượt quá giá trị mong muốn, một bộ phận nhiên liệu tỏa lên thành buồng cháy nhiệt ñộ thấp Kết quả là tốc ñộ hòa trộn nhiên liệu – không khí giảm, ñặc biệt khi buồng cháy không có xoáy lốc hay xoáy lốc yếu, làm gia tăng mức ñộ phát ô nhiễm do cháy không hoàn toàn hay cháy cục bộ Tuy nhiên, nếu ñộ xuyên thâu của tia nhiên liệu bé, khả năng sử dụng không khí bị hạn chế vì lượng không khí quanh thành buồng cháy không ñược tiếp xúc với nhiên liệu Điều này cũng dẫn ñến sự cháy không hoàn toàn, làm giảm tính năng kinh tế và tăng phát thải ô nhiễm của ñộng cơ

Có nhiều quan hệ dựa trên kết quả thực nghiệm và lý thuyết về tia phun rối ñã ñược thiết lập ñối với ñộ xuyên thâu của tia nhiên liệu Những biểu thức này cho rằng ñộ xuyên thâu S của ñầu tia phun trong khối không khí ñứng yên (như trường hợp ñộng cơ phun trực tiếp cỡ lớn) là một hàm số theo thời gian Các kết quả thực nghiệm cho thấy biểu thức của Dent dựa trên mô hình hòa trộn của tia phun khí cho kết quả tốt nhất biểu thức này ñược viết như sau:

( ) 2 44

29407

.



∆=

gn

pS

Trong ñó ∆p [Pa] là hiệu số áp suất giữa trong và ngoài vòi phun; t[s] thời gian kể từ lúc bắt ñầu phun; dn[m] ñường kính lỗ phun; ρg[kg/cm3] khối lượng riêng của khí; Tg[K] nhiệt ñộ của khí

Hình 2.10 Biến thiên ñộ xuyên thâu của ñầu tia phun theo thời gian ứng với các

áp suất khác nhau trong buồng cháy không xoáy lốc

Hình 2.10 biểu diễn biến thiên ñộ xuyên thâu của ñầu tia phun theo thời gian ứng với các áp suất khác nhau trong buồng cháy không xoáy lốc Kết quả này cho thấy trong giai ñoạn ñầu, quan hệ giữa ñộ xuyên thâu và thời gian tuân theo qui luật tuyến tính Sau khi bị phân rã, ñộ xuyên thâu tăng tỉ lệ với t Vì vậy, áp suất phun ñóng vai trò quan trọng trong chuyển ñộng ban ñầu của tia trước khi phân rã, còn khối lượng riêng của khí trong buồng cháy ñóng vai trò chủ yếu trong chuyển ñộng của tia sau khi phân rã Người ta còn có thể sử dụng công thức thực nghiệm sau ñây ñể tính toán ñộ xuyên thâu S[m] của tia ở hai giai ñoạn vừa nêu:

Khi t < tpr: Spt

l

×



g

tdp

∆=

tpr là thời gian khi xảy ra sự phân rã tia phun ñược xác ñịnh theo biểu thức thực nghiệm sau:

29

pdt

gnlpr

∆=

ρρ

∆p[pa]: hiệu số áp suất giữa trong và ngoài vòi phun; t[s]: thời gian kể từ lúc bắt ñầu phun; dn[m]: ñường kính lỗ phun; ρl và ρg[kg/cm3]: khối lượng riêng của chất lỏng và chất khí; Tg[K]: nhiệt ñộ của khí

Hình 2.11 Biến thiên ñộ xuyên thâu của tia phun theo thời gian của buồng cháy xoáy lốc (a) ảnh hưởng của ñộ xoáy lốc ñến biên dạng tia phun; (b) ảnh hưởng

của ñộ xoáy lốc ñến quan hệ S(t)

Hình 2.11 thể hiện ảnh hưởng của xoáy lốc trong buồng cháy ñến ñộ xuyên thâu của tia phun Hình 2.11a cho thấy sự thay ñổi của biên dạng tia phun theo thời gian khi có xoáy lốc trong buồng cháy Hình 2.11b thể hiện quan hệ giữa ñộ

xuyên thâu và thời gian phun ở các cường độ xốy lốc khác nhau Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho phép thiết lập quan hệ giữa độ xuyên thâu của tia nhiên liệu khi cĩ xốy lốc và khi khơng xốy lốc:

1

301

−





=

jSS

vNSRS

Trong giai đoạn phun, những điều kiện phun như áp suất phun, tiết diện lỗ phun và tốc độ phun cĩ thể thay đổi Vì vậy sự phân bố kích thước hạt ở một vị trí cho trước trong tia phun cũng cĩ thể thay đổi trong thời gian phun

Lý thuyết khí động học về sự phân rã của tia ở chế độ tạo thành các hạt cực nhỏ (atomization) cho phép dự đốn đường kính trung bình ban đầu của hạt Dd tỉ lệ với bước sĩng của sĩng cĩ độ mất ổn định lớn nhất:

vC

Trong đĩ, σ là sức căng bề mặt lỏng – khí; ρg là khối lượng riêng của khí; vrtốc độ tương đối giữa chất lỏng và chất khí (tốc độ chất khí cĩ thể xem là vj); C là

=

dnD

dnDD

dd

ddddd

dDDDdDD −<<+ Đường kính trung bình Sauter là ñường kính của hạt có cùng tỉ lệ diện tích bề mặt/thể tích hạt với toàn bộ tia phun Một biểu thức thực nghiệm thường dùng ñể tính ñường kính trung bình Sauter DSM[µm] do Hiroyasu và Kadota thiết lập ñược viết như sau:

( )0.1350.1210.131

fa

∆p[Mpa]: hiệu số áp suất giữa trong và ngoài vòi phun; ρa[kg/cm3]: khối lượng riêng của không khí; Vf[mm3]: lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình của một xy lanh; A là hằng số, A = 25.1 ñối với vòi phun kín lỗ tia hở; A = 23.9 ñối với vòi phun hở, A = 22.4 ñối với vòi phun kín lỗ tia kín

Có nhiều biểu thức về sự phân bố kích thước hạt trong tia nhiên liệu lỏng ñã ñược thiết lập trong biểu thức của Hiroyasu và Dakota phù hợp nhất với số liệu thực nghiệm:







−



SMdSM

dSM

d

DDdD

DD

DV

dV

3exp5

.13

3

(2.13)

Hình 2.12 giới thiệu ảnh hưởng của kết cấu lỗ phun ñến sự thay ñổi ñường kính Sauter theo áp suất phun

Hình 2.12 Ảnh hưởng của tỉ số chiều dài/ñường kính lỗ tia (a) và ñường kính lỗ tia

ñến ñường kính Sauter (b) theo áp suất phun

2.3.1.6.Sự bốc hơi nhiên liệu:

Hình 2.13 Biến thiên ñịnh tính của khối lượng,ñường kính,nhiệt ñộ,tốc ñộ bốc hơi của hạt và tốc ñộ truyền nhiệt từ không khí vào hạt nhiên liệu lỏng theo thời gian

Sau khi thoát ra khỏi vòi phun, tia nhiên liệu bị xé thành những hạt nhỏ có ñường kính khác nhau Các hạt nhiên liệu sau ñó bốc hơi và hòa trộn với không

Khối lượng

Đường kính

Nhiệt ñộ Tốc ñộ bốc hơi

Truyền nhiệt Từ không khí

Truyền nhiệt cho nhiên liệu

Thời gian

0 25 50 75

20 40 60 80 100 Áp suất phun [Mpa]

20 40 60 80 100 Áp suất phun [Mpa]