Hệ thống nhiên liệu điêden động cơ ôtô

Lực liênkết giữa các phần tử và lực căng mặt ngoài có xu hướng giữ cho tia nhiên liệuliên tục, không bị xé nhỏ, trong khi đó lực kích động ban đầu và lực khí độngcủa không khí nén trong

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới các thầy, cô giáo trong tổ Động

cơ đốt trong; các thầy, cô giáo trong khoa Sư phạm kỹ thuật đã tạo mọi điều kiệngiúp đỡ em trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo Hoàng NgọcThuyết, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, cung cấp và hướng dẫn em tìmnhững tài liệu quý báu, tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành đề tài này

Em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình em đã luôn động viên, cổ vũ, giúp đỡ

em trong thời gian vừa qua

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 4 năm 2017

Sinh viên Nguyễn Thị Nga

MỞ ĐẦU

1. Lí do chọn đề tài

Khoa học công nghệ ngày càng phát triển, trên thế giới nhiều ngành khoahọc mới được hình thành và phát triển nhanh chóng, nhiều nguồn năng lượngmới được tìm thấy và có tính ứng dụng rất cao Nhưng động cơ đốt trong vẫn giữmột vai trò rất quan trọng và không thể thay thế được

Động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế, là nguồnđộng lực cho các phương tiện vận tải như ô tô, máy kéo, xe máy, tàu thủy, máybay và các máy công tác như máy phát điện, máy bơm…

Nền công nghiệp Việt Nam đang đứng trước những cơ hội đầy tiềm năng

và ngành công nghiệp ô tô Việt Nam cũng không ngoại lệ Ở nước ta số lượng ô

tô hiện đại đang được lưu hành ngày một tăng Các loại ô tô này đều được cảitiến theo hướng tăng công suất, tốc độ, giảm tiêu hao nhiên liệu, điện tử hóa quátrình điều khiển và hạn chế mức thấp nhất thành phần ô nhiễm trong khí xả độngcơ

Với sự phát triển mạnh mẽ của tin học trong vai trò dẫn đường, quá trình

tự động hóa đã đi sâu vào các ngành sản xuất và các sản phẩm của chúng, một

trong số đó là ô tô Nhờ sự giúp đỡ của máy tính để cải thiện quá trình làm việcnhằm đạt hiệu quả cao và chống ô nhiễm môi trường, tối ưu hóa quá trình điềukhiển dẫn đến kết cấu của động cơ và ô tô thay đổi rất phức tạp, làm cho người

sử dụng và công nhân kĩ thuật ngành ô tô ở nước ta còn nhiều lúng túng và saisót nên cần có những nghiên cứu cụ thể về hệ thống điện tử trên động cơ ô tô

Vì vậy em đã lựa chọn đề tài “ Hệ thống nhiên liệu Điêden động cơ ôtô”.

2. Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lí làm việc của các chi tiết của hệ thống nhiên liệuđộng cơ điêden

- Tìm hiểu quá trình phun nhiên liệu, quá trình hình thành hòa khí và quá trìnhcháy của hòa khí động cơ điêden

- Tìm hiểu cách nâng cao hiệu suất,

- Nâng cao chất lượng giờ dạy lí thuyết và thực hành về hệ thống nhiên liệu động

cơ điêden

- Tìm hiểu nguyên lí hoạt động và chức năng của hệ thống nhiên liệu CommonRail Điêden

3. Khách thể và đối tượng nghiên cứu

- Khách thể nghiên cứu: Hệ thống nhiên liệu điêden trên ôtô

- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống nhiên liệu điêden

4. Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm kiếm tài liệu, lựa chọn các nội dung liên quan đến đề tài

- Sắp xếp nội dung đề tài

- Lựa chọn cấu trúc đề tài hợp lý

5. Giả thuyết khoa học

- Nếu hệ thống Common Rail Điêden được thay thế thì các ôtô có tínhnăng linh hoạt, tiết kiệm nhiên liệu, giảm độ ồn

7. Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu giáo trình, tài liệu vàtìm hiểu trên internet

- Phương pháp khảo sát thực tiễn

- Phương pháp nghiên cứu thực hành: Nghiên cứu cấu tạo, hoạt động của

hệ thống nhiên liệu điêden

8. Cấu trúc của đề tài

Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, phần nội dung còn có 3 chương:

Chương I Cơ sở lý thuyết

Gồm các nội dung: Khái niệm và phân loại, một số chỉ tiêu kỹ thuật củanhiên liệu điêden; phương pháp hòa trộn nhiên liệu, quá trình phun nhiên liệu,các loại buồng cháy của động cơ điêden; tăng áp cho động cơ

Chương II Cấu tạo hệ thống nhiên liệu động cơ điêden

Gồm các nội dung: Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại, cấu tạo của hệ thốngnhiên liệu động cơ điêden với các chi tiết như bơm chuyển nhiên liệu, bơmcao áp đơn, vòi phun, bộ điều tốc…

Chương III Hệ thống Common Rail Dieden

Gồm các nội dung: Lịch sử phát triển của hệ thống; cấu tạo, nguyên lý hoạtđộng của một số chi tiết như bơm cao áp, vòi phun, ống phân phối…

Nhiên liệu điêden được sản xuất chủ yếu từ phân đoạn gasoil và là sản phẩm củaquá trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ, có đầy đủ những tính chất lý hóa phù hợpcho động cơ điêden mà không cần phải áp dụng những quá trình biến đổi hóahọc phức tạp.

Nhiên liệu điêden sử dụng chủ yếu cho động cơ điêden ( đường bộ, đường sắt,đường thủy) và một phần được sử dụng cho các tuabin khí ( trong công nghiệp

1.1.2 Phân loại

Nhiên liệu điêden có thành phần rất đa dạng Khi sử dụng, loại nhiên liệuđược lựa chọn theo tốc độ quay của động cơ Vì vậy, nhiên liệu điêden được chialàm 3 nhóm:

- Nhóm 1: dùng cho động cơ có tốc độ quay lớn (trên 1000v/phút)

- Nhóm 2: dùng cho động cơ có tốc độ quay trung bình 1000v/phút)

(500 Nhóm 3: dùng cho động cơ có tốc độ quay nhỏ (dưới 500v/phút)

a. Nhiên liệu điêden dùng cho động cơ có tốc độ quay lớn

Nhiên liệu này được chưng cất trực tiếp từ dầu mỏ với nhiệt độ 190 -⁰

360 C và pha thêm 20% gazoin Yêu cầu hàm lượng lưu huỳnh 0,2 –⁰0,5%

b. Nhiên liệu điêden dùng cho động cơ có tốc độ quay trung bình và nhỏ

Có thành phần phân đoạn nặng hơn và có độ nhớt cao hơn nhiên liệu dùngcho động cơ có tốc độ quay lớn Yêu cầu hàm lượng lưu huỳnh 1,5 –2,5%

1.2 Một số chỉ tiêu kĩ thuật

1.2.1 Khối lượng riêng

Khối lượng riêng là tỷ số giữa khối lượng nhiên liệu với thể tích chứachúng Khối lượng riêng được tính bằng đơn vị g/cm3 hay kg/m3 Giá trị khốilượng riêng cho phép xác định khối lượng nhiên liệu khi đo thể tích của chúngtrong thùng Khối lượng riêng nhiên liệu phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độtăng lên, khối lượng riêng nhiên liệu giảm xuống

1.2.2 Hàm lượng lưu huỳnh

Lưu huỳnh là chất có hại vì hợp chất của nó trong điều kiện xác định cókhả năng ăn mòn các chi tiết của thiết bị nhiên liệu, nhóm pittông xilanh, đườngống xả cũng như việc tăng nguội trong xilanh và sự mài mòn các chi tiết làmviệc tăng lên

Hợp chất lưu huỳnh hình thành do cháy lưu huỳnh là một trong cácnguyên nhân chủ yếu ăn mòn ống lót xilanh Do liên kết anhydrite sunfuric vớihơi nước trong sản phẩm cháy tạo thành hơi axit và axit sunfuric ăn mòn kimloại

Hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu phụ thuộc vào hàm lượng của nó trongdầu mỏ

1.2.3 Hàm lượng nước

Nước rơi và nhiên liệu lúc vận chuyển và bảo quản nó Nước có trongnhiên liệu gây ăn mòn thùng chứa nhiên liệu, thiết bị của hệ thống nhiên liệu,khó khởi động và gián đoạn sự làm việc của động cơ Để tách nước ra khỏi nhiênliệu phải tiêu tốn năng lượng

Theo tiêu chuẩn, nhiên liệu điêden dùng cho động cơ không có nước, vớinhiên liệu có độ nhớt trung bình (nhiên liệu mô tơ) cho phép lượng nước khônglớn hơn 1% Tuy nhiên, trong động cơ sử dụng chất nhũ tương dầu nước, trên cơ

sở nhiên liệu phân ly tạo riêng trong hệ thống đặc biệt có thiết bị khuấy liên tụccho phép cải thiện chất lượng cháy, giảm suất tiêu hao nhiên liệu mà không làmtăng mài mòn các chi tiết nhóm pittông-xilanh và thiết bị nhiên liệu

Hiện nay để làm sạch nhiên liệu người ta dùng phương pháp đồng nhấthóa Đồng nhất hóa được tiến hành bằng cách tách nhỏ các hạt nước, tạp chất cơhọc, những hạt nhựa lớn, hợp chất cao phân tử và phân bố chúng đồng đều theothể tích nhiên liệu Việc đồng nhất hóa nhiên liệu được thực hiện nhờ thiết bịđồng hóa Thông thường, người ta sử dụng thiết bị đồng nhất hóa thủy động học,thiết bị này gồm có bơm bánh răng dẫn động điện và đầu làm đồng nhất Nhiênliệu được bơm với áp lực cao chuyển qua tiết diện nhỏ của đầu đồng nhất hóa và

nhiên liệu cao hơn so với phân ly nhưng độ mài mòn các chi tiết nhóm xilanh và thiết bị nhiên liệu tăng lên do tăng hàm lượng tạp chất cơ học.

pittông-1.2.4 Hàm lượng tạp chất cơ học

Tạp chất cơ học trong nhiên liệu chủ yếu là các hạt cốc, bụi, kim loại và rỉsắt rơi vào nhiên liệu khi điều chế, bảo quản, vận chuyển và bơm nhiên liệu quađường ống dẫn Tạp chất cơ học trong nhiên liệu làm bẩn két đựng, màng bọc,tăng độ mài mòn các chi tiết bơm cao áp, vòi phun, ống lót xilanh, xéc măng,…

Theo tiêu chuẩn, trong nhiên liệu điêden không cho phép có tạp chất cơhọc, với nhiên liệu có độ nhớt trung bình, tạp chất cơ học không được lớn hơn0,1%, với dầu mazut 0,8% theo khối lượng Với điêden sử dụng nhiên liệu nặng,làm sạch tạp chất cơ học được tiến hành bằng phương pháp lắng đọng, lọc vàphân ly Để phân ly, người ta sử dụng thiết bị phân ly tự làm sạch Chế độ làmviệc của thiết bị phân ly phụ thuộc vào khối lượng riêng của nhiên liệu và hàmlượng tạp chất có trong nhiên liệu Khi chuẩn bị nhiên liệu bằng phương phápđồng hóa, người ta làm sạch nhiên liệu bằng các bầu lọc tinh sau đó cho qua thiết

bị đồng hóa

1.2.5 Ưu nhược điểm của điêden

- Ưu điểm: Điêden thải ra môi trường ít lượng cacbon monoxide,hydrocacbonsand, cacbondioxide, những chất thải dẫn đến hiệu ứngnhà kính ( sự nóng lên toàn cầu)

- Nhược điểm: Một lượng cao các hợp chất nitrogen và các hạt vật chấtphát ra từ việc đốt nhiên liệu điêden có thể dẫn đến mưa axit, khói, ảnhhưởng tới điều kiện sức khỏe

1.3 Quá trình hòa trộn hỗn hợp và cháy nhiên liệu trong động cơ điêden

1.3.1 Phun nhiên liệu vào xilanh động cơ

Hòa trộn hỗn hợp trong động cơ là quá trình nhiễu loạn không khí vớinhiên liệu ở dạng sương để thu được hỗn hợp không khí – nhiên liệu Chất lượngquá trình cháy và các thông số của quá trình công tác phụ thuộc nhiều vào chấtlượng và thời gian chuẩn bị nhiên liệu Thời gian hòa trộn hỗn hợp trong động cơđiêden khoảng 1,560s Hỗn hợp nhiên liệu-không khí cần có tỷ lệ tối ưu giữanhiên liệu với không khí và có độ đồng nhất cao để đảm bảo sự làm việc tin cậy

và kinh tế đối với động cơ

Sự hòa trộn hỗn hợp trong xilanh được áp dụng cho động cơ điêden.Nhiên liệu được phun vào xilanh ở gần cuối quá trình nén và quá trình hòa trộn,cháy hỗn hợp được bắt đầu Quá trình hòa trộn hỗn hợp trong xilanh giả thiếtchia ra các giai đoạn:

- Phun nhiên liệu;

- Tạo hỗn hợp thô (phân tán chùm nhiên liệu ra toàn bộ thể tích buồngcháy);

- Tạo hỗn hợp tinh (bay hợi nhiên liệu và hòa trộn hơi nhiên liệu đã hìnhthành với không khí)

Chất lượng và thời gian của các quá trình này do quá trình cấp nhiên liệuvào xilanh động cơ quyết định

1.3.1.1 Quá trình phun nhiên liệu và tạo hỗn hợp thô

Chất lượng hòa trộn hỗn hợp trong xilanh động cơ phụ thuộc vào kíchthước và độ đồng đều hạt nhiên liệu sau khi phun Kích thước các hạt nhiên liệucàng đều, càng nhỏ thì tổng diện tích sấy nóng và bốc hơi của một đơn vị thể tíchcàng lớn, tốc độ bốc hơi càng nhanh Kích thước và độ đồng đều hạt nhiên liệu

nhiên liệu sử dụng, kích thước xilanh và dạng buồng cháy, tóm lại phụ thuộc loạiđộng cơ sử dụng.

1.3.1.1.1 Các chỉ số chất lượng phun

a. Đường kính trung bình hạt nhiên liệu

Sự tán xạ hạt sương nhiên liệu được đặc trưng bởi đường kính trung bình củahạt tạo nên khi phun Kích thước hạt cho biết tổng quan về mức độ tán xạ nhiênliệu Đường kính trung bình hạt nhiên liệu được xác định theo công thức sau:

dqp= (1.1)

trong đó: Zi – số hạt có đường kính dfi;

q,p –chỉ số đặc trưng cho đường kính hạt dfi.

Việc lựa chọn q,p quyết định nhiệm vụ nghiên cứu Thực vậy, ví dụ: nếucần đánh giá đường kính số học thì cho q = 1, q = 0 và công thức (1.1) có dạng:

d32= (1.4)

Ngoài ra có thể có sự phối hợp q, p khác

b. Độ đồng nhất nhiên liệu phun

Thông số này đặc trưng bởi sai số bình phương trung bình đường kính hạt.Khi phun đồng nhất tất cả các hạt có đường kính trung bình như nhau thì tínhtheo công thức (1.1) đến (1.4) sẽ có kết quả giống nhau, còn khi không đồng nhấtthì kết quả tính khác nhau Chất lượng phun càng không đồng nhất thì giá trịđường kính trung bình tính với q, p khác nhau cho kết quả càng khác nhau

Phun đồng nhất là yếu tố chủ yếu để tạo nên hỗn hợp đồng nhất Hỗn hợpđồng nhất có thể chỉ là hỗn hợp đồng đều (hệ thống một pha, bên trong hỗn hợpkhông có bề mặt phân cách) Với môi trường hai pha hạt nhiên liệu – không khíthường không đồng nhất Tỉ số giữa không khí và nhiên liệu được gọi là hệ số dưlượng không khí Chất lượng hỗn hợp nhiên liệu – không khí quyết định độđồng nhất của nó Hỗn hợp càng đồng nhất, giá trị càng cần phải nhỏ Thực vậy,khi các điều kiện khác như nhau thì công suất lít của động cơ tăng lên, có nghĩa

là thể tích công tác của xilanh được sử dụng tốt hơn

c. Đánh giá chất lượng phun

Chất lượng phun nhiên liệu được đặc trưng bằng nhiều chỉ số Quan trọngnhất trong các tỉ số đó là độ min (độ tán xạ) và độ đồng nhất, chiều dài, độ bắn

xa và góc nón chùm tia nhiên liệu Độ mịn được đánh giá bằng đường kính hạt,còn độ đồng nhất được đánh giá bằng sự giống nhau của các đường kính hạttrong tia Theo số liệu thực nghiệm, tia nhiên liệu phun gồm hàng triệu hạt,đường kính trung bình của chúng với động cơ thấp tốc khoảng 1525m, với động

cơ cao tốc 510m Với động cơ có đường kính xilanh nhỏ và vòng quay lớn, yêucầu độ mịn và độ đồng nhất tăng lên

Để đánh giá đồng thời tán xạ và độ đồng nhất phun, sử dụng đồ thị biểu diễn

gọi là đặc tính phun Khi xây dựng, trên trục hoành biểu diễn đường kính hạt,còn trục tung là số lượng hạt tương đối Quang phổ hạt do đầu phun động cơđiêden phun ra thu được kích thước có khoảng rộng Đối với đầu phun nhiều lỗ,kích thước hạt trong khoảng 580 và lớn hơn.

Hình 1 1: Đặc tính phun nhiên liệu

Khi xây dựng đặc tính phun thì việc xác định đường kính hạt phức tạp hơn.Phương pháp đo phổ biến và đơn giản nhất là đo kích thước hạt trên tấm kính,khi đặt tấm kính vuông góc với trục tia Các tấm có các hạt nhỏ được nghiên cứubằng kính hiển vi, chất lượng phun được kiểm tra thông qua vi phim từng phầnriêng

Khi tính toán quá trình cháy thường dùng giá trị đường kính hạt trung bình,chúng được xác định bằng phương pháp thực nghiệm nhờ thiết bị nghiên cứu

nhiên liệu hay dựa vào kết quả tính toán kích thước hạt như trình bày ở phầntrên.

Phun đột ngột sẽ tạo ra các hạt có kích thước nhỏ, do đó sẽ tăng bề mặttiếp xúc của không khí với nhiên liệu Nhờ vậy, giữa nhiên liệu với không khíđược tăng tốc quá trình trao đổi nhiệt và do đó chất lượng quá trình công táctrong xilanh động cơ tốt hơn Cùng với tăng vòng quay trục khuỷu và mức độcường hóa, giảm kích thước xilanh thì chất lượng phun nhiên liệu phải được tănglên

Chất lượng phun nhiên liệu vào buồng cháy động cơ phụ thuộc vào áp suấtphun, chất lượng và kích thước lỗ phun, chất lượng bơm cao áp và vòng quaycủa trục cam, độ nhớt, lực căng mặt ngoài và khối lượng riêng của nhiên liệu

1.3.1.1.2 Quá trình phun nhiên liệu

a. Lưu động nhiên liệu qua lỗ phun

Khi phun vào xilanh động cơ, dưới áp lực cao, nhiên liệu được tách thànhnhiều hạt nhỏ Nguyên nhân tán xạ nhiên liệu khi phun là do nhiễu loạn nhiênliệu phát sinh khi lưu động qua lỗ phun Tất cả các hiện tượng này diễn ra khiphun nhiên liệu, trong đó cơ chế rối loạn phá vỡ chùm tia đóng vai trò quyếtđịnh

Cơ chế phun sương nhiên liệu (có thể hiểu là quá trình xé tan nhiên liệu khiphun vào buồng cháy) phụ thuộc vào các lực: lực liên kết giữa các phân tử nhiênliệu, lực căng mặt ngoài của hạt nhiên liệu, lực kích động ban đầu của chùm tianhiên liệu khi lưu động qua lỗ phun và lực cản khí động học của khí nén trongbuồng cháy Do hình dáng tiết diện ngang của lỗ, chất lượng bề mặt thành lỗdọc theo đường tâm không giống nhau, dưới áp lực phun lớn, tốc độ lưu động

nhau Tại vùng tâm, tốc độ lớn, tại vùng mép lỗ do ma sát và xoáy nên tốc độnhỏ, do vậy sau khi ra khỏi lỗ phun, trong tia xuất hiện thêm thành phần lựcvuông góc với đường tâm tia, lực này gây nên lực kích động ban đầu Lực liênkết giữa các phần tử và lực căng mặt ngoài có xu hướng giữ cho tia nhiên liệuliên tục, không bị xé nhỏ, trong khi đó lực kích động ban đầu và lực khí độngcủa không khí nén trong buồng cháy lại có xu hướng xé tia thành những hạt nhỏ.Như vậy, khi lưu động qua lỗ phun dòng nhiên liệu bị nhiễu loạn, mức độ nhiễuloạn phụ thuộc chủ yếu vào kết cấu thiết bị, tốc độ chuyển động của nhiên liệuqua lỗ phun và tính chất vật lí của nó (chủ yếu là độ nhớt của nhiên liệu cản trở

sự nhiễu loạn rối)

b. Sự hình thành chùm tia nhiên liệu khi ra khỏi lỗ phun

Tia nhiên liệu được phun thành các hạt nhỏ dưới tác động của các yếu tố bênngoài, bên trong tia Trên đường ra khỏi lỗ phun, xung rối loạn làm biến dạngchùm tia nhiên liệu, xung này thắng được sức căng bề mặt, xé tan chùm tia thànhcác hạt có kích thước khác nhau Sự tách tia đầu tiên khi ra khỏi các lỗ phun doảnh hưởng của nhiễu ngang, dọc xuất hiện trong các tia do chảy rối dòng và nénnhiên liệu Các yếu tố ngoài tác động lên tia khi ra khỏi lỗ phun là lực cản khíđộng học của môi chất công tác ngăn cản phun tia vào buồng cháy Khi chuyểnđộng tiếp tục với tốc độ lớn, các hạt nhiên liệu bị biến dạng dưới tác động của rốinhiễu loạn và lực khí động học, khi đó các hạt nhiên liệu có kích thước lớn bịchia nhỏ lần thứ hai Các lực này tách các phần nhỏ nhiên liệu ra khỏi bề mặt tia,các nguyên tố bị phân rã và cuối cùng nhiên liệu bị tách thành các hạt nhỏ Khităng nhiệt độ môi chất công tác trong xilanh thì hiệu quả tác động của lực khíđộng học lên nhiên liệu phun sẽ tăng lên Sự biến dạng, phân rã hạt nhiên liệu bịcản trở bởi sức căng bề mặt Sức căng bề mặt tăng lên cùng với độ giảm đườngkính hạt Khi lực này lớn hơn lực biến dạng thì quá trình chia nhỏ hạt dừng lại

Kích thước các hạt nhiên liệu thể hiện trạng thái cân bằng của tia dưới các lực kểtrên Như vậy lúc này càng thể hiện rõ rệt lực khí động, lực kích động nhiễu loạn

và nhiệt độ hỗn hợp xé tan tia và tách thành các hạt nhỏ còn sức căng bề mặt vàlực liên kết giữa các phân tử nhiên liệu có xu hướng giữ nguyên tia

Giảm độ nhớt nhiên liệu, ví dụ: bằng cách sấy nóng, sẽ làm yếu hiệu quả tácđộng các lực này, chất lượng phun được cải thiện Khi tăng tốc độ chảy nhiênliệu qua lỗ phun thì hiệu quả tác động nhiễu loạn làm tách rời tia sẽ tăng lên,cũng như làm tăng hiệu quả tác động khí động lực học làm phân rã tia khi rakhỏi lỗ phun Độ phun mịn cần thiết để đảm bảo chất lượng cháy nhiên liệutrong động cơ đạt được khi tốc độ chảy nhiên liệu qua lỗ phun nl = 250 400 m/s

1.3.1.1.3Sự tạo hỗn hợp thô

a. Mô tả quá trình

Khi ra khỏi lỗ phun dòng nhiên liệu bị xé nhỏ và tạo thành chùm tia, càng xa

lỗ phun tốc độ các hạt trong chùm tia càng giảm do tác động cản của lực khíđộng trong chùm tia Vận động của chùm hạt nhiên liệu lôi kéo theo lớp khôngkhí bao quanh, đặc biệt là khu vực lõm chùm tia, vì tại khu vực này nhiên liệutập trung nhiều, kích thước và mật độ hạt lớn Không khí bị cuốn theo chùm tiamột mặt làm giảm tốc độ tương đối của các hạt so với tốc độ không khí do đólàm giảm lực khí động của không khí, mặt khác làm không khí trong vùng tia bịdồn ra vùng ngoài Phần nhiên liệu phun trước gặp sức cản khí động lớn nên tốc

độ lưu động giảm nhanh, còn phần nhiên liệu phun sau được phun vào môitrường tia nhiên liệu đang vận động nên tốc độ lưu động phần này giảm chậmhơn, vì thế phần nhiên liệu phun vào sau đuổi kịp và gạt số nhiên liệu trước rangoài rồi đi vào khu vực lõi chùm tia

Khi phun nhiên liệu hình thành chùm tia rối loạn hai pha (không khí – nhiênliệu) Trên hình 1.2 biểu diễn giai đoạn bắt đầu của chùm tia Trong chùm tianhiên liệu được phân ra: lõi chùm tia 1 (phần trung tâm có tốc độ lớn và nồng độnhiên liệu cao); vỏ ngoài 2 (phần biên chùm tia được đặc trưng bởi tốc độchuyển động và nồng độ nhiên liệu không lớn) Với kích thước hạt nhỏ đượchình thành khi phun nên tốc độ chuyển đổi pha bị thay đổi nhanh Bởi thế theoquan điểm khí động học, sự tạo hỗn hợp thô trong lần thứ nhất có thể xem như

sự phát triển của tia có mật độ khác nhau, độ không đồng nhất không ổn định.Quá trình này được thực hiện như sau, tại trung tâm chùm tia môi trường hai phatập trung số hạt lớn, các hạt này có động năng lớn nhanh chóng chuyển dịch tớiđỉnh chùm tia 3 Tại đây, nó tác động với không khí chuyển động và bị hãm lại

Do phần hỗn hợp không khí – nhiên liệu mới tiếp tục được cung cấp tới đỉnhchùm tia nên xuất hiện dòng hướng tâm mạnh, dòng hỗn hợp này đẩy các hạt từtâm ra vùng ngoại vi (vùng vỏ tia) Sự chuyển động này có khả năng hòa trộnnhiên liệu với không khí Thực tế, trên cả chiều dài chùm tia, trừ phần đầu 3,không khí môi trường xung quanh bị cuốn vào chùm tia Sự trao đổi diễn ra giữalõi chùm tia với phần vỏ Tại đây, sự xáo động rối đóng vai trò chủ yếu

Hình 1 2: a) Sơ đồ chùm tia nhiên liệu; b) Sự phụ thuộc của nồng độ nhiên liệu S r vào bán kính chùm tia r ct tại tiết diện B-B, A-A; ct – góc tán xạ chùm tia.

a) b)

Từ phần lõi đi ra thì kích thước, mật độ và tốc độ lưu động của các hạtnhiên liệu giảm dần Ở vùng ngoài thường tập trung các hạt nhiên liệu có kíchthước nhỏ

Nói chung sự tạo chùm tia là quá trình vật lí phức tạp, việc nghiên cứu,phân tích nó chưa được đầy đủ Quá trình này rất khó nghiên cứu về thựcnghiệm, vì quá trình diễn ra quá nhanh, không ổn định và khó xem xét phía trongchùm tia

Khi nghiên cứu về vấn đề này, người ta thay thế thiết bị thực nghiệm bằngcách sử dụng máy vi tính chạy theo chương trình đã cho, còn thay thế cho hiệntượng vật lí là mô hình toán học

Kết quả tính toán chứng minh được nhược điểm của việc tạo hỗn hợpchùm tia là sự làm giàu nhiên liệu tại vùng trung tâm chùm tia, tại đó, hệ số dưlượng không khí nhỏ hơn 1 Chính tại đây, khi nhiệt độ cao, sau khi bốc cháyhỗn hợp đã tạo điều kiện thuận lợi để nhiệt phân nhiên liệu, kéo theo sự táchmạch cacbon tự do (tạo muội)

b. Hình dáng bên ngoài của sự phát triển chùm tia nhiên liệu

Hình dáng bên ngoài của sự phát triển chùm tia nhiên liệu thu được bằng cáchchụp ảnh nhanh Các thông số hình học chùm tia được đặc trưng bởi chiều dài(khoảng cách từ lỗ tới đỉnh chùm tia), góc tán xạ chùm tia (Hình 1.3) Giữa hìnhdáng hình học chùm tia và độ tán xạ chùm tia nhiên liệu có mối liên hệ xác định.Thực vậy, độ phun sương càng mảnh khi các điều kiện khác như nhau làm chùmtia càng ngắn và rộng Ngược lại, khi phun càng thô thì lõi chùm tia càng chặt vàtác động qua lại giữa chùm tia với không khí xung quanh càng kém

Có nhiều công thức tính toán để đánh

giá hình dạng hình học chùm tia nhiên

liệu không ổn định Công thức tin cậy

nhất là công thức thu được trên cơ sở

số liệu thực nghiệm nhờ lý thuyết

tương tự

Ví dụ: có thể sử dụng công thức của

G.Xitki để tính chiều dài chùm tia:

Hình 1 3: Sự phụ thuộc chiều dài và hình dáng chùm tia vào thời gian kể từ lúc bắt đầu phun.

AL (1.5)

Trong đó: – thời gian phun, s

Hằng số AL trong (1.5) cũng như Ad trong (1.4) phụ thuộc loại đầu phun, kết cấuđặc biệt của chúng Đối với đầu phun kiểu chốt, AL = 0,155

1.3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phun và tạo hỗn hợp chùm tia

Độ mịn phun phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ lưu động dòng nhiên liệu qua

lỗ phun, đường kính lỗ phun, độ nhớt và sức căng bền mặt của nhiên liệu, áp suất

và khối lượng riêng hỗn hợp công tác trong xilanh Ảnh hưởng rõ rệt nhất là cácthông số phun (áp suất nhiên liệu trước lỗ phun và đặc tính phun), tính đặc biệtkết cấu thiết bị phun, tính chất vật lý của nhiên liệu, thông số khí trong xilanh vàđiều kiện khai thác thiết bị nhiên liệu

1.3.1.2.1Ảnh hưởng của các thông số

Tăng áp suất khi phun các điều kiện khác như nhau thì tốc độ lưu động nhiênliệu qua lỗ phun tăng lên Điều đó cho thấy rõ qua công thức:

Trong đó: : hệ số chảy nhiên liệu;

: áp suất môi chất trong xilanh tại thời điểm phun nhiên liệu vào xilanh, kPa;

: khối lượng riêng nhiên liệu trong vòi phun tại thời điểm phun,kg/

Hình 1 4: Sự phụ thuộc đặc tính phun (1), đường kính trung bình hạt nhiên liệu (2) và ảnh chụp hạt vào góc quay trục cam (tài liệu ( I.I Ghesman).

trên ta thấy rõ đăc tính phun (đường 1) đường kính trung bình hạt (đường 2) vàảnh chụp hạt nhiên liệu ở các thời điểm khác nhau Đặc tính phun được xây dựngphụ thuộc vào góc quay trục cam nhiên liệu.

Hình 1 5: Sự phụ thuộc tốc độ lưu động f của nhiên liệu và đường kính trung bình d qp của hạt vào áp suất phun p f

Các công trình nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, kích thước hạt nhiên liệutrong chùm tia giảm xuống khi tăng áp suất phun Với buồng cháy thống nhất, ápsuất phun pf = 2545 Mpa; với các động cơ có kích thước lớn, vòng quay thấp, ápsuất phun có thể đạt tới pf = 8090 Mpa; với các động cơ cao tốc bố trí bơm cao

áp vòi phun liền, áp suát phun co thể đạt pf = 150180 Mpa, với động cơ có buồngcháy phụ, pf=1020 Mpa Tốc độ lưu động của nhiên liệu ra khổi lỗ phun phươngtrình chủ yếu phụ thuộc áp suất phun pf Từ đồ thị hình (1.5) thấy rõ, khi áp suấtphun thì tốc độ chảy nhiên liệu tăng lên còn đường kính trung bình của hạt giảmxuống

1.3.1.2.2 Ảnh hưởng của kết cấu lỗ phun

Như đã thấy, quá trình phun nhiên liệu có thời gian bị rối loạn bởi thế tínhđặc biệt của kết cấu thiết bị phun( độ nhợn mép vào lỗ phun do nhám bề mặtpittông của nó …) có khả năng tạo rối dòng nhiên liệu khi lưu động qua nó Độtán xạ và độ đồng nhất phun tăng độ nhọn mép vào, độ nhám bề mặt phía trong

lỗ phun

a) b)

Hình 1 6: Sơ đồ chuyển động dòng nhiên liệu vào lỗ phun với tỉ số l po /d po nhỏ (a) và lớn (b)

Đường kính lỗ phun là một trong yếu tố kết cấu quan trọng ảnh hưởng rõrệt đến chất lượng phun Tiết diện lưu thông tổng cộng cần thiết của các lỗ phunđược đảm bảo bằng cách kết hợp đường kính và số lỗ của đầu phun Theo sốliệu thực nghiệm, khi giảm đường kính lỗ và tăng số lỗ phun, với các yếu tố khácđược giữ không thay đổi, thì chất lượng phun được tăng lên

Đường kính lỗ phun khoảng 0,151,1mm Tăng kích thước của nó làm tăngchiều dài chùm tia nhiên liệu, tăng khối lượng hạt nên động năng hạt nhiên liệutăng lên Tỷ số giữa chiều dài/là tốt Với điều kiện này, nhiên liệu ra khỏi lỗ

phun bị co thắt theo tiết diện ngang (hình 1.5), tại đó đứt dòng tạo nên tốc độxuyên tâm khi vào lỗ Sau đó, khi giãn nở, dòng tốc độ xuyên tâm lại xuất hiện,

nó có khả năng đẩy các hạt được hình thành vào dọc tâm Khi giá trị lpo lớn, tốc

độ xuyên tâm bị triệt tiêu

Trên hình 1.1 trình bày đặc tính phun khi áp suất phun vào pf, đối áp củakhí nén pc, vòng quay động cơ và tổng tiết diện thông qua của các lỗ phun fc lànhư nhau nhưng đường kính và số lỗ phun thay đổi Từ hình vẽ thấy rõ, khigiảm đường kính lỗ phun nhiên liệu được phun mịn hơn và đồng nhất hơn Khi

đó, chất lượng phun được cải thiện là nhờ phân ra tia tốt hơn

1.3.1.2.3 Ảnh hưởng của tính chất vật lí nhiên liệu.

Theo tính chất vật lí của nhiên liệu ảnh hưởng lớn nhất đến chất luợngphun là độ nhớt và sức căng bề mặt Độ nhớt có khả năng ngăn độ rối của dòng,còn sức căng bề mặt có xu hướng giữ nguyên tia và các hạt đã được hình thành

Do vậy, tăng độ nhớt, chất lượng phun nhiên liệu xấu đi và vì thế góc tán xạgiảm, chiều dài chùm tia tăng lên Khi dùng nhiên liệu nặng, độ nhớt giảm xuốngbằng cách sấy nóng Khối lượng riêng của nhiên liệu ảnh hưởng ít đến thông sốphun Tuy nhiên, hình dáng của chùm tia cũng phụ thuộc vào tính chất này.Cùng với tăng khối lượng chùm tia đặc hơn và nhiều dài chùm tia tăng lên

1.3.1.2.4 Ảnh hưởng của khí nén trong xilanh

Tăng khối lượng riêng không khí nạp vào làm giảm đường kính trung bìnhhạt nhiên liệu do xé tan lần thứ hai hạt nhiên liệu tạo thành dưới tác động lực khíđộng học Kết quả thực nghiệm cho thấy, các hạt nhiên liệu có đường kính dr bị

xé nhỏ khi điều kiện / Do vậy, cùng với tăng khối lượng riêng không khí nạp( khi các điều kiện khác như nhau) các hạt nhiên liệu bắt đầu phản rã khi kíchthước nhỏ

Khối lượng riêng không khí cũng ảnh hưởng rõ rệt tới hình dáng chùm tianhiệu Khi tăng s, chùm tia bè ra và ngắn lại do tác động lực khí động học củamôi trường lên chùm tia Ảnh hưởng lớn nhất đến hình dạng hình học của chùmtia là mức độ rối của không khí nạp Chỉ số rối càng cao thì môi trường tác độnglên chùm tia càng mãnh liệt Kết quả, chiều dài chùm tia giảm xuống còn chiềurộng tăng lên Các đường cong thực nghiệm biểu diễn trên hình 1.6 cho thấy, nếutăng áp suất phun trong phạm vi 1456 Mpa sẽ làm tăng chiều dài chùm tia,nhưng nếu tăng áp suất khí nén ( áp suất cản) sẽ làm giảm chiều dài , đồng thờităng độ côn của chùm tia.

Hình 1 7: Ảnh hưởng của áp suất phun và áp suất khí nén trong xilanh tới chiều dài chùm tia nhiên liệu

Mức độ nhiễu loạn không khí nạp chủ yếu phát sinh trong quá trình tiếtlưu qua cửa nạp động cơ Tiếp tục trong quá trình nén, mức dộ nhiễu loạn giảmxuống Bởi thế khi vòng quay trục khuỷu càng cao, với các điều kiện khác nhưnhau, thì một mặt nhiễu loạn môi chất trong quá trình nạp tăng lên, mặt khác thời

loạn được giữ đến thời điểm phun nhiên liệu Đó là trong các yếu tố chủ yếu đảmbảo chất lượng quá trình công tác đối với động cơ cao tốc.

1.3.1.2.5 Ảnh hưởng của điều kiện khai thác

Cùng với tăng vòng quay trục bơm cao áp, khi các điều kiện là như nhau,tốc độ dịch chuyển pittông bơm cao áp tăng lên nên áp suất phun nhiên liệu cũngtăng lên Nếu giả thiết nhiên liệu là chất lỏng không chịu nén thì áp suất phuncần phải tăng tỷ lệ bình phương với vòng quay trục khuỷu Tuy nhiên, thực tế dotính chịu nén của nhiên liệu và rò lọt nén áp suất tăng lên ở mức độ nhỏ hơn Kếtquả thực nghiệm cho thấy, áp suất cực đại của nhiên liệu trong đầu phun:

trong đó nc vòng quay trục cam nhiên liệu

Cùng với tăng áp suất phun, tốc độ lưu thông nhiên liệu ra khỏi đầu phuntăng lên Kết quả là phun nhiên liệu tốt hơn, chiều dài chùm tia nhiên liệu tănglên

Phụ tải của động cơ cũng ảnh hưởng đến các thông số hòa trộn Khi giảmlượng nhiên liệu cấp cho chu trình thì thời điểm bắt đầu và kết thúc phun dịch lạigần nhau, kết quả là áp suất phun nhiên liệu trung bình giảm xuống Tăng áp suấtbắt đầu hơn là nguyên liệu áp suất phun trung bình, do vậy làm tăng độ phản xạ

độ đồng nhất phun và chiều dài chùm tia nhiên liệu

Tóm lại, điều kiện quan trọng để đảm bảo chất lượng cháy nhiên liệu choxilanh động cơ sở tạo nên hỗn hợp không khí-nhiên liệu đồng đều Để đạt đượcđiều đó, đối với động cơ có đường kính xi lanh lớn yêu cầu đảm bảo sự phù hợpcân đối giữa áp suất phun, đường kính lỗ phun và độ nhớt nhiên liệu, thể tíchbuồng cháy điều kiện khai thác

Các thông số của thiết bị nhiên liệu, kết cấu buồng cháy, cơ cấu nạp, cũngnhư vòng quay động cơ đảm bảo chất lượng phun sương và hòa trộn hỗn hợp tốtđược thiết kế cùng với chế độ làm việc định mức (vòng quay và phụ tải địnhmức) Khi thay đổi chế độ làm việc của động cơ làm cho chất lượng phun sương,hòa trộn hỗn hợp xấu đi, điều đó ảnh hưởng tới tính kinh tế, tính tin cậy và tuổithọ động cơ.

Trong quá trình khai thác động cơ, các thiết bị trong hệ thống nhiên liệu bịmài mòn, trạng thái kỹ thuật xấu đi: khe hở giữa pittông - xilanh bơm cao áp,giữa kim và thân kim phun tăng lên, độ kín khít van xuất nhiên liệu, chất lượng

bề mặt côn giữa kim và đế kim phun giảm xuống, độ cứng lò xo vòi phun yếu đi,

lỗ đầu phun bị mòn tắc…làm giảm chất lượng và số lượng nhiên liệu phun, làmảnh hưởng rõ rệt tới chất lượng hòa trộn hỗn hợp và chất lượng cháy nhiên liệu,nên ảnh hưởng tới các thông số chỉ thị, có ích, ứng suất cơ, nhiệt của động cơ

Do vậy, điều kiện và chất lượng khai thác là một trong các yếu tố đóng vai tròquan trọng tới tính tin cậy, tính kinh tế và tuổi thọ của động cơ

1.3.1.3 Quá trình bay hơi nhiêu liệu( tạo hỗn hợp tinh)

Áp suất môi chất trong xilanh ở cuối quá trình nén cao hơn áp suất tới hạncủa các nguyên tử cacbuahidro có trong thành phần nhiên liệu Sau khi đượcphun vào buồng đốt nhiên liệu cacbuahidro ở dạng hạt thô và không thể hoạtđộng được, mặc dù nhiệt độ môi chất trong buồng cháy tương đối cao Với điềukiện như, sự chuyển đổi pha chỉ thực hiện được bằng cách bay hơi

1.3.1.3.1 Cơ chế bay hơi nhiên liệu

Cơ chế bay hơi nhiên liệu đơn giản nhất được trình bày sau đây Các phần

tử nhiên liệu lỏng có tốc độ chuyển động nhiệt lớn, thắng được sức căng bề mặt

sẽ tách ra khỏi hạt nhiên liệu Nhiệt độ chất lỏng càng cao thì số phần tử có năng

như nhau, sự bay hơi diễn ra với tốc độ càng lớn Khi các phân tử có nhiệt độ caonhất tách ra khỏi hạt nhiên liệu thì nhiệt độ của hạt giảm xuống Bởi thế để bảotoàn và nâng cao cường độ bay hơi thì phải cấp nhiên liệu cho hạt nhiên liệu.

Khi bay hơi diễn ra hiện tượng quay ngược lại, khi đó một số phần tử hơinằm trên mặt chất lỏng va chạm về với về mặt này và lại rơi vào hạt nhiên liệu

Số phần tử hơi trên bề mặt chất lỏng càng lớn thì quá trình quay lại hạt nhiên liệucàng mạnh và quá trình bay hơi diễn ra càng chậm Ở điều kiện xác định, có thểthiết lập trạng thái cân bằng giữa số phân tử tách ra khỏi hạt chất lỏng và quayngược lại, có nghĩa là tạo ra hỗn hợp hơi bão hòa Trong điều kiện này nói chung

sự bay hơi không diễn ra Như vậy, để tăng tốc độ bay hơi cần phải tách hơiđược tạo thành ra khỏi bề mặt hạt nhiên liệu, điều đó thực hiện bằng cách khuếchtán phân tử

Hình 1 8: Sự phụ thuộc đường kính hạt nhiên liệu vào thời gian bay hơi I – sấy nóng hạt; II, III – tăng tốc bay hơi

Từ hình 1.7 thấy rõ, thời gian bay hơi được chia thành ba giai đoạn Giaiđoạn I, hạt nguyên liệu được sấy nóng, kích thước của hạt được tăng lên một ít(hạt giãn nở khi bị sấy nóng ) Trong giai đoạn II, sấy nóng làm tăng tốc độ bayhơi (kích thước hạt bắt đầu giảm xuống rõ rệt) Giai đoạn III đặc trưng bởi sựphụ thuộc tuyến tính(/2=f(x)

1.3.1.3.2 Ảnh hưởng các yếu tố khác nhau dến tính bay hơi hạt nhiên liệu

Khi các điều kiện xác định (ví dụ: trong môi trường tĩnh, các thông số môitrường không thay đổi) thời gian bay hơi hạt nhiên liệu được tính theo công thức:

(1.6)

số khuếch tán phân tử hơi nhiên liệu; đường kính ban đầu của hạt nhiên liệu

Từ công thức trên thấy rõ, thời gian bay hơi một hạt nhiên liệu khi cácđiều kiện khác như nhau tỉ lệ với bình phương kích thước ban đầu của hạt vàgiảm khi tăng, có nghĩa là phụ thuộc loại nhiên liệu, khối lượng riêng càng caothì thời gian bay hơi càng lớn

Số nhiên liệu mới nhất về giá trị hệ số như sau:

Loại nhiên liệu

Giá trị hàm số trong phương trình(1.6) phụ thuộc vào các điều kiện trong

đó diễn ra quá trình báy hơi Ở đây, các yếu tố quan trọng nhất là các thông số vàcường độ rối của môi trường Tăng nhiệt độ môi trường sẽ tăng cường độ traođổi hạt nhiên liệu, khi các điều kiện khác như nhau thì nhiệt độ hạt nhiên liệu

tăng lên nên cường độ bay hơi hạt nhiên liệu cũng tăng lên Kết quả thực nghiệmcho thấy, khi tăng áp suất trong môi trường cũng làm tăng cường độ chuyển đổipha từ hơi sang lòng Như vậy, tăng các thông số môi trường, hằng số trong côngthức (1.6) và giảm xuống

Ảnh hưởng nồng độ C của hơi nhiên liệu trong môi chất đến quá trình bayhơi hạt nhân liệu có thể phân tích theo định luật Fick, theo định luật này dòngkhuếch tán qd tỷ lệ với gradien nồng độ:

(1.7)

-hệ số khuếch tán

-gradien nồng độ hơi nhiên liệu the bán kính r

Khi tăng nồng độ nhiên liệu trong môi chất gradien nồng độ dC/dr giảmxuống, do vậy làm giảm dòng khuếch tán và giảm tốc độ bay hơi Khi bão hòa,nồng độ hơi nhiên liệu trong môi chất và trên bề mặt hạt nhiên liệu giống nhau,gradien nồng độ dC/dr= 0 và sự bay hơi chấm dứt (trường hợp này hằng số bằng

Tăng tốc quá trình trao đổi nhiệt của hạt có thể thực hiện bằng cách xoáylốc luồng khí nạp Nếu như nhờ dụng cụ quán tính nhỏ đo được thông số khí nạptrong buồng cháy động cơ thì có thể xác định được giá trị tức thời của chúng kể

cả khi xung dao động xung quanh giá trị trung bình Giá trị trung bình thay đổichậm phụ thuộc chủ yếu vào các vòng quay trục khuỷu, ta có thể viết :

,- giá trị trung bình và giá trị xung của tốc độ chuyển động và nhiệt độ

Hình 1 9: Sự phụ thuộc của tỷ số lượng nhiệt cấp cho hạt nhiên liệu trong môi trường rối và môi trường tĩnh vào đường kính ban đầu của hạt khi xung tần số tốc độ thay đổi.

Xung rối loạn là tổ hợp hỗn loạn, lộn xộn các chuyển động xoáy của môichất có quy mô khác nhau Nếu bắn một hạt nhiên liệu vào ngôi trường này, dokích thước hạt nhiên liệu nhỏ nên tốc độ của nó nhanh chóng đạt tới tốc độ trungbình của dòng xoáy và công tiêu tốn để thổi hạt nhiên liệu này không lớn Tần sốxung càng nhỏ, kích thước hạt càng nhỏ thì số hạt bị xung rối loạn cuốn đi cònnhiều Điều đó được thể hiện rõ hình 1.8 Trên hình này biểu diễn sự phụ thuộctrong toán tính tỉ số là đường kính hạt và tần số xung tốc độ chuyển động

1.3.1.3.3 Quá tình bay hơi lơ lửng hình thành khi phun nhiên liệu vào xilanh

Quá trình này là hiệu quả tổng cộng của việc chuyển đổi pha của nhiều hạtriêng biệt khi có kích thước ban đầu khác nhau Động học bay hơi hạt lơ lửngphụ thuộc vào kích thước trung bình của hạt, cũng như độ đồng nhất phun Hình1.9 biểu diễn các đường cong toán tính sự bay hơi của các hạt lơ lửng có kích

nhiên liệu bay hơi, thời gian bay hơi hoàn toàn hạt nhiên liệu lơ lửng được phunđồng nhất thời gian tức thời.

Tính toán được tiến hành đối với điều kiện hòa trộn đồng đều hạt theo tỉ

lệ thể tích không khí, nhiệt độ được coi là hằng số

Hình 1 10: Sự phụ thuộc phần nhiên liệu bay hơi của khối lượng hạt không đồng nhất (đường cong 1) và đồng nhất (đường cong 2) vào thời gian bay hơi A là thời điểm bay hơi toàn bộ

Từ hình 1.9 thấy rõ, tại thời điểm ban đầu của hạt không đồng nhất cócường độ bay hơi mạnh hơn (đường 1), tuy nhiên các hạt lơ lửng như vậy yêucầu thời gian lớn để bay hơi toàn bộ, do khi đó đường kính trung bình hạt bằngnhau nhưng vì phun không đồng nhất lên khoảng cách giữa các hạt lớn Sựchuyển đổi pha mạnh nhất khi phun không đồng nhất,trong thời gian đầu do bayhơi các hạt nhỏ mà các hạt này khi phun đồng nhất không có Sự lôi cuốn quátrình bay hơi các hạt lơ lửng không đồng nhất do các hạt kích thước lớn tạo nên,

các hạt này cũng không có khi phun đồng nhất Như vậy, tính không đồng nhấtphun một mặt đảm bảo bay hơi trong giai đoạn đầu nhanh hơn, do vậy khả năngchuẩn bị hỗn hợp nhiên liệu không khí cho bốc cháy sớm hơn, mặt khác lôi cuốn

sự cháy, điều đó là giảm chất lượng quá trình công tác

1.3.1.3.4 Quá trình bay hơi các hạt nhiên liệu phun trong thể tích chùm tia

nhiên liệu.

Trong thể tích chùm tia nhiên thiên nhiên liệu có độ không đồng nhất và

độ không ổn định của nồng độ, nhiệt độ và tốc độ chuyển động Các hạt có thểtách ra khỏi tia ở các thời điểm khác nhau Một số hạt trong số đó được sấy nóng

và bay hơi mạnh, còn một số khác chỉ mới được xây nóng

Trên hình 1.11 và 1.12 biểu diễn một số kết quả thực nghiệm tính toán sựbay hơi chùm tia nhiên liệu Hình 1.11 trước hết quan tâm tới sự là M lạnh nóichùm tia điều đó làm thay đổi đặc tính khí động học và trao đổi nhiệt Hình 1.12biểu diễn sự phân bố nồng độ thể tích hơi theo bán kính chùm tia Sự chuyển đổicực đại nằm bên trái vùng tăng nhiệt độ thể hiện rõ rệt Hiện tượng này do hiệntượng đối lưu cuốn hơi tiết diện trước của chùm tia

Quá trình bay hơi không ảnh hưởng mạnh tới chiều dài chùm tia khi nhiệt

độ kích thước chùm tia không lớn, do thông số đã cho quyết định chủ yếu bởiđộng học lõi chùm tia khi chiều dài chùm tia tương đối lớn nhiệt độ cao đạt đượcsau khi bốc cháy nhiên liệu sự biến đổi pha bắt đầu ảnh hưởng rõ rệt tới độnghọc chùm tia

Hình 1 11: Sự phụ thuộc nhiệt độ môi

trường hơi nhiên liệu – không khí vào tỷ

số bán kính chùm tia với đường kính lỗ

phun khi khoảng cách dọc trục tia tính

từ lỗ phun biểu diễn theo đường kính lỗ

phun: 1-40; 2-80; 3-120; 4-160

Hình 1 12: Sự thay đổi nồng độ thể tích hơi nhiên liệu phụ thuộc vào tỷ số bán kính chùm tia với đường kính lỗ phun khi khoảng cách dọc trục tia tính từ lỗ phun biểu diễn theo đường kính lỗ phun: 1-40;

2-80; 3-120; 4-160.

1.3.2 Buồng cháy động cơ điêden

Buồng cháy động cơ điêden là nơi hòa khí được hình thành và bốc cháy,gây ảnh hưởng lớn tới các chỉ tiêu: công suất, hiệu suất, độ tin cậy của động cơcũng như ô nhiễm mỗi trường của khí xả

Hình dáng buồng cháy, số vòi phun lắp trên nắp xilanh, số lỗ, đường kính

và hường các lỗ của vòi phun phải phù hợp lẫn nhau để đảm bảo phun đồng đều

và điền đầy các hạt nhiên liệu vào buồng cháy, nhưng loại trừ khả năng rơi cáchạt nhiên liệu lên bề mặt pittông, nắp và ống lót xilanh

1.3.2.1 Phân loại buồng cháy động cơ điêden

Người ta phân loại buồng cháy động cơ điêden theo đặc điểm cấu tạo và theonguyên tắc hình thành hòa khí

1.3.2.1.1 Phân loại buồng cháy dựa theo đặc điểm cấu tạo

Phun trực tiếp

- Buồng cháy thống nhất: dạng đĩa nông, dạng nông…

- Buồng cháy khoét lõm sâu đỉnh pittông: dạng cầu, dạng , dạng lõmsâu…

Phun gián tiếp

- Buồng cháy ngăn cách: kiểu xoáy lốc, kiểu dự bị

a Đặc điểm cấu tạo của buồng cháy thống nhất là: khi pittông ở ĐCT giữa

đỉnh pittông và nắp xilanh là một không gian thống nhất, không có hoặc chỉ cómột ít diện tích chèn khí Nắp xilanh có thể hơi lõm hoặc phẳng Đỉnh pittông cóthể hơi lõm, phẳng hoặc hơi lồi (hình 1.13) Vòi phun nhiều lỗ trực tiếp phunnhiên liệu vào mọi khu vực của buồng cháy

c Buồng cháy ngăn cách là loại mà toàn bộ không gian buồng cháy đượcngăn thành hai phần rõ rệt: buồng chính và buồng phụ, giữa hai buồng có cácđường thông nhỏ Dựa vào nguyên tắc lưu động của dòng chảy trong buồng phụhoặc công dụng của buồng phụ mà các buồng cháy ngăn cách được chia thành:buồng xoáy lốc và buồng cháy dự bị.

So sánh về mặt cấu tạo: buồng cháy xoáy lốc thường có đường thông lớn đặttheo hướng tiếp tuyến với buồng cháy phụ, đôi khi còn có thêm một đường thôngnhỏ nhằm cải thiện chất lượng hòa trộn, dung tích buồng cháy phụ khá lớn; cònbuồng cháy dự bị thì dung tích buồng cháy phụ khá nhỏ và có nhiều lỗ thông nhỏnối buồng cháy phụ với buồng cháy chính

1.3.2.1.2 Phân loại buồng cháy dựa theo nguyên tắc hình thành hòa khí

a Hình thành hòa khí kiểu màng dựa trên kết quả phối hợp giữa dòng chảyxoáy lốc của môi chất với màng nhiên liệu được tráng trên thành buồng cháy.Hơi nhiên liệu từ màng bay hơi lên được cuốn theo dòng khí xoáy lốc tạo thànhhòa khí; chất lượng hòa khí phụ thuộc nhiệt độ thành buồng cháy và diện tíchmàng nhiên liệu tráng trên thành Nguyên tắc hình thành hòa khí kiểu màng được

kĩ sư Meurer của hang MAN sáng chế, vì vậy được gọi là quá trình M

Hình 1 15: Phối hợp giữa tia phun và hình dạng buồng cháy

b Hình thành hòa khí kiểu không gian là cách phun tơi nhiên liệu vào hầukhắp không gian buồng cháy để các hạt nhiên liệu được sấy nóng, bay hơi và hòatrộn đều với không khí tạo ra hòa khí (hình 1.15)

Thực ra phân loại buồng cháy theo nguyên tắc hình thành hòa khí không

có tính tuyệt đối vì trong quá trình M có khoảng 20 nhiên liệu được hình thànhhòa khí theo kiểu không gian, và trong các buồng cháy hình thành hòa khí theokiểu không gian cũng có một ít nhiên liệu được hình thành hòa khí theo kiểumàng Vì vậy nếu nói chính xác phải gọi là “nặng về hình thành hòa khí kiểumàng” và “nặng nề hình thành hòa khí kiểu không gian”

1.3.2.2 Buồng cháy thống nhất

Hình thành hòa khí trong buồng cháy thống nhất được dựa trên hai yếu tố

cơ bản: đảm bảo chất lượng phun đều và nhỏ của nhiên liệu, kết hợp hình dạngcác tia nhiên liệu với hình dạng buồng cháy tạo ra hòa khí phân bố đều trongkhông gian (hình 1.15)

Xét về mặt tế vi: sự ma sát giữa tia nhiên liệu và môi chất trong môitrường phun đã gây ra trao đổi động lượng, xé nhỏ các hạt nhiên liệu và tăng tốccho dòng khí, không khí chuyển đông theo chiều mũi tên (hình 1.16) bị cuốn vàotia nhiên liệu Nếu tồn tại chuyển động xoáy trong buồng cháy, dòng khí sẽ từphía sườn của các tia bị cuốn vào, thổi ngang các tia nhiên liệu, tạo ra hòa khí(hình 1.17)

Hình 1 16: Không khí bị cuốn vào tia nhiên

liệu (trường hợp không có chuyển động xoáy

của dòng khí)

Hình 1 17: Không khí thổi ngang qua tia nhiên liệu (trường hợp có chuyển động xoáy của dòng khí)

Với cường độ thích hợp của dòng xoáy có thể bổ khuyết một phần về sựbất cập của chất lượng phun làm tăng tốc độ hình thành hòa khí Nhưng nếucường độ dòng xoáy lớn quá có thể gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng cháy củahòa khí Như vậy cường độ xoáy có một giá trị tối ưu Nói chung dòng xoáytrong buồng cháy xoáy lốc tương đối yếu Đường kính xilanh càng lớn, dòngxoáy càng yếu Cường độ xoáy của dòng khí nạp cũng gây ảnh hưởng tới hiệusuất động cơ

1.3.2.2.1 Những điểm chính của việc hình thành hòa khí trong buồng cháy thống

nhất

Do việc hình thành hòa khí chủ yếu dựa vào chất lượng phun và sự phốihợp giữa hình dạng các tia nhiên liệu với hình dạng buồng cháy nên muốn tạođược hòa khí đạt chất lượng tốt, cần đặc biệt lưu ý những điểm sau về chất lượngphun

a.Dùng vòi phun nhiều lỗ, đảm bảo cho các tia nhiên liệu được phân bốkhắp không gian buồng cháy Số lỗ phun từ 4 đến 12 lỗ, phần lớn là 10 lỗ tùythuộc vào cường độ chuyển động của dòng xoáy trong buồng cháy Góc côn củacác tia nhiên liệu trước khi cháy vào khoảng 20 o, sau khi cháy tăng lên tới 35o.Nếu nhiều lỗ phun quá sẽ gây hiện tượng can thiệp giữa các tia phun, ảnh hưởngtới quá trình cháy Nếu tồn tại dòng xoáy trong buồng cháy có thể giảm bớt số lỗphun.

b.Áp suất phun phải lớn – Muốn có chất lượng phun hạt nhỏ và đều đểtăng tốc độ hình thành hòa khí, cần có áp suất phun lớn Nói chung áp suất bắtđầu nâng kim phun pΦ 20 40 Mpa, áp suất phun cực đại có thể tới 100 MPa

c.Độ xuyên sâu L/S (L-hành trình tia phun trong thời gian cháy trễ, S –khoảng cách từ lỗ phun đến thành buồng cháy) Lúc bắt đầu cháy nếu L/S < 1thì độ xuyên sâu không đủ, ngược lại nếu L/S > 1 thì độ xuyên sâu quá lớn Cảhai trường hợp đều ảnh hưởng xấu tới hiệu suất và độ khói của động cơ Trườnghợp độ xuyên sâu không đủ, phần lớn không khí nằm sát thành xilanh khôngđược hòa trộn với nhiên liệu, nếu độ xuyên sâu quá lớn sẽ có nhiều nhiên liệuphun lên thành buồng cháy lạnh, khó bay hơi, không kịp cháy ở khu vực gầnĐCT

Tổng hợp những số liệu thực nghiệm Ricardo đưa ra kiến nghị sau: nếu không códòng xoáy không khí thì L/S 0,85; nếu có dòng xoáy L/S = 1,05 Để thỏa mãn

độ chuyên sâu kể trên, khi đường kính xilanh càng lớn thì hành trình L của tianhiên liệu trước khi bốc cháy phải càng dài, muốn vậy phải tăng đường kính lỗphun (hình 1.18) Các số liệu thực nghiệm trên đồ thị: tốc độ trục cam nc = 800vòng/phút; áp suất nâng kim phun pΦ = 20 MPa

Hình 1 18: : Mối quan hệ giữa đường kính dc của lỗ phun và hành trình L của tia nhiên liệu.

1- sau 0,001s; 2- sau 0,003s.

d.Góc kẹp của tia nhiên liệu

(góc kẹp của đường tâm lỗ phun trên

mặt phẳng chứa đường tâm xilanh)

Hình 1.19 giới thiệu hướng chuyển

động của mũi tia nhiên liệu sau khi

bốc cháy, trong trường hợp không có

dòng xoáy của không khí Hướng a

mở rộng sang hai bên mép ngoài;

hướng b đi vòng lên vào tâm xilanh;

hướng c đi lên mở rộng ra ngoài

Góc kẹp của tia nhiên liệu vào

khoảng 120 1600, dạng nông vào

khoảng 1500, còn pittông đỉnh bằng

vào khoảng 1400

Hình 1 19: Chuyển động của mũi tia sau khi bốc cháy

1.3.2.2.2 Đặc tính buồng cháy thống nhất

Buồng cháy thống nhất không có dòng xoáy mạnh của không khí, tỷ số

Fim/Vc (Fim – diện tích thành buồng cháy; Vc thể tích buồng cháy) rất nhỏ, nên tổnthất nhiệt ít, hiệu suất cao, ứng suất nhiệt của nắp xilanh và đỉnh pittông nhỏ, dễkhởi động lạnh Buồng cháy thống nhất có yêu cầu cao đối với hệ thống nhiênliệu Nếu thay đổi chế độ hoạt động chất lượng phun sẽ thay đổi, ví dụ nếu độxuyên sâu hợp lý ở tốc độ lớn thì khi giảm tốc độ quay, độ chuyên sâu không cònphù hợp, vì vậy tính thích ứng của buồng cháy với chế độ hoạt động của động cơ

bị hạn chế Hình thành hoà khí trong buồng cháy thống nhất chủ yếu dựa vàochất lượng phun nhiên liệu nên thường chỉ có thể sử dụng 60 % không khí trongbuồng cháy Động cơ điêden không tăng áp, dùng buồng cháy thống nhất thườngchạy không êm vì bị áp suất cực đại pz và tốc độ tăng áp suất khi cháy p/ tươngđối lớn

1.3.2.3 Buồng cháy khoét sâu trên đỉnh pittông

Loại buồng cháy này thường tạo được dòng xoáy tiếp tuyến của khí nạp vàdòng xoáy hướng kính của khí chèn khí nén, kết hợp với vòi phun nhiều lỗ nên

dễ tạo ra hòa khí tốt Khi có dòng xoáy (hình 1.17) không khí từ sườn tia thổiphần nhiên liệu đã bay hơi ra ngoài, khiến những hạt nhiên liệu còn lại trong tia

dễ bay hơi, tăng tốc độ hình thành hoà khí, mặt khác còn sử dụng không khítrong không gian giữa các tia tham gia hoà trộn ngay khi nhiên liệu chưa cháy.Những phần hòa khí đá cháy do giãn nở nên mật độ giảm, còn phần hòa khí chưacháy mật độ lớn, dưới tác dụng của dòng xoáy tạo ra các lực ly tâm khác nhau:phần hòa khí chữa cháy chưa theo quỹ đạo xoắn ốc mở ra ngoài; còn phần đãcháy chạy theo quỹ đạo xoắn ốc cụp vào trong, mở rộng phần “hỗn hợp nóng”(hình 1.20a) nhờ đó đã làm tăng tốc độ hình thành hoà khí và tốc độ cháy Nếu

mà còn làm giảm độ xuyên sâu của tia nên hòa khí chỉ bốc cháy ở khu vực trungtâm buồng cháy tạo ra tác dụng “hóa nhiệt” (hình 1.20b).

Hình 1 20: Tác dụng của “hỗn hợp nóng”

1.3.2.3.1 Những điểm quan trọng của buồng cháy khoét sâu trên đỉnh pittông

a.Hình dạng, kích thước, đường kính miệng của phần khoét lõm (hình1.21) có tác dụng lớn tới cường độ dòng xoáy hướng kính, qua đó cải thiện điềukiện hình thành hòa khí và điều kiện cháy Cường độ dòng xoáy hướng kính tỷ lệthuận với 2 (D-đường kính xilanh; d- đường kính miệng phần khoét lõm); d càngnhỏ dòng xoáy càng mạnh, nhưng sẽ làm chiều sâu h của phần khoét lõm cànglớn Thông thường d = (0,35 0,65)D; d/h = 2:1 4:1

Ở tải lớn, ứng suất nhiệt tại miệng phần khoét lõm (đỉnh góc ) thường lớn, muốngiảm ứng suất nhiệt kể trên cần phải làm cho vách phấn khoét lõm thẳng đứng.Theo kinh nghiệm của công ty Ricardo chỉ cần phối hợp tốt giữa đặc tính tiaphun, dòng xoáy khí nạp với hình dạng buồng cháy, còn hình dạng đáy phầnkhoét lõm không gây ảnh hưởng gì tới tính năng của động cơ