của hạt và tốc độ truyền nhiệt từ khơng khí vào hạt nhiên liệu lỏng theo thời gian
Sau khi thốt ra khỏi vịi phun, tia nhiên liệu bị xé thành những hạt nhỏ cĩ đường kính khác nhau. Các hạt nhiên liệu sau đĩ bốc hơi và hịa trộn với khơng khí trước khi cháy. Trong mục này chúng ta sẽ nghiên cứu quá trình lý hĩa diễn ra khi hạt nhiên liệu bốc hơi.
Để biết được quá trình bốc hơi tổng quát của tia, chúng ta hãy khảo sát sự bốc hơi của một hạt nhiên liệu ở nhiệt độ mơi trường được phun vào khối khơng khí ở điều kiện cuối quá trình nén trong động cơ. Cĩ ba hiện tượng ảnh hưởng đến tính chất vật lý của hạt:
1. Giảm tốc độ di chuyển của hạt do lực cản khí động học.
2. Truyền nhiệt từ khơng khí vào hạt nhiên liệu.
Khối lượng Đường kính Nhiệt độ Tốc độ bốc hơi Truyền nhiệt Từ khơng khí Truyền nhiệt cho nhiên liệu
3. Truyền chất do bốc hơi từ hạt nhiên liệu ra khơng khí.
Khi nhiệt độ của hạt tăng lên do truyền nhiệt, áp suất hơi nhiên liệu và tốc độ bốc hơi nhiên liệu cũng tăng. Khi tốc độ truyền chất do bốc hơi của hạt gia tăng thì tỉ lệ truyền nhiệt tới bề mặt hạt giảm. Mặt khác khi tốc độ dịch chuyển của hạt giảm thì hệ số truyền nhiệt đối lưu giữa khơng khí và hạt cũng giảm theo. Tập hợp của những yếu tố này cho ta các đường cong định tính về diễn biến của khối lượng hạt, nhiệt độ, tốc độ, tốc độ bốc hơi, tốc độ truyền nhiệt từ khơng khí vào nhiên liệu theo thời gian (hình 2.12). Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy thời gian bốc hơi của hạt nhiên liệu cĩ đường kính 2m được phun vào khối khơng khí ở các điều kiện tượng tự trong động cơ Diesel cĩ giá trị nhỏ hơn 1ms.
Các phân tích trên áp dụng cho những hạt rời rạc (chẳng hạn như những hạt ngồi rìa của tia). Trong lõi của tia, mật độ hạt rất lớn, quá trình bay hơi chịu ảnh hưởng đáng kể của nhiệt độ và nồng độ hơi nhiên liệu trong khơng khí. Khi nhiên liệu bốc hơi, nhiệt độ khơng khí cục bộ giảm cịn áp suất riêng của hơi nhiên liệu tăng.
Tác động tương hỗ giữa các hạt với nhau một cách trực tiếp thơng qua các va chạm hoặc gián tiếp thơng qua sự bốc hơi làm thay đổi đáng kể nhiệt độ và mật độ hạt. Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy trong điều kiện làm việc bình thường của động cơ Diesel, khoảng 70 đến 90% lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy bốc hơi trước khi quá trình cháy bắt đầu. Cĩ khoảng hơn 90% lượng nhiên liệu bốc hơi trong khoảng 1ms đầu tiên. Tuy nhiên trong khoảng thời gian đĩ chỉ cĩ chừng 10 đến 35% lượng nhiên liệu đã bốc hơi được hịa trộn với khơng khí trong điều kiện bốc cháy ở động cơ Diesel cỡ trung phun trực tiếp. Do vậy quá trình cháy bị giới hạn bởi tốc độ hịa trộn hơn là tốc độ bốc hơi. Dĩ nhiên trong điều kiện khởi động ở trạng thái lạnh, sự bốc hơi trở thành một yếu tố chính.
2.3. Gi i thi u về xốy lốc trong động c diesel[2],[4],[5]
Chuyển động xốy lốc của dịng khí trên động cơ diesel được được tạo ra thơng qua thiết kế cổng nạp tạo ra xốy lốc
Thay đổi tỷ lệ xốy lốc sẽ làm thay đổi quá trình bốc hơi của nhiên liệu và quá trình hịa trộn nhiên liệu và khơng khí. Sự xốy lốc cũng ảnh hưởng đến truyền nhiệt cho thành buồng cháy và vì vậy gây ảnh hưởng đến nhiệt độ mơi chất lúc bắt đầu
phun.
Tỷ lệ xốy lốc được định nghĩa là vận tốc gĩc của luồng khí nạp/vận tốc gĩc của trục khuỷu.
nh hưởng của xốy lốc đến Độ xuyên thâu của tia nhiên liệu
Tốc độ và sự phát triển của tia nhiên liệu trong quá trình xuyên thâu trong
buồng cháy ảnh hưởng quan trọng đến việc sử dụng khơng khí cũng như đến tốc độ hịa trộn nhiên liệu – khơng khí. Mức độ xuyên thâu của tia nhiên liệu trong buồng cháy được thiết kế khơng giống nhau. động cơ buồng cháy kiểu M.A.N, tia nhiên
liệu tráng lên thành buồng cháy nĩng sau khi xuyên qua khối khơng khí xốy lốc. các dạng buồng cháy khác, người ta khơng muốn tia nhiên liệu chạm vào thành. Thật vậy, khi độ xuyên thâu của tia nhiên liệu vượt quá giá trị mong muốn, một bộ phận
nhiên liệu tỏa lên thành buồng cháy nhiệt độ thấp. Kết quả là tốc độ hịa trộn nhiên
liệu – khơng khí giảm, đặc biệt khi buồng cháy khơng cĩ xốy lốc hay xốy lốc yếu, làm gia tăng mức độ phát ơ nhiễm do cháy khơng hồn tồn hay cháy cục bộ. Tuy nhiên, nếu độ xuyên thâu của tia nhiên liệu bé, khả năng sử dụng khơng khí bị hạn chế vì lượng khơng khí quanh thành buồng cháy khơng được tiếp xúc với nhiên liệu. Điều này cũng dẫn đến sự cháy khơng hồn tồn, làm giảm tính năng kinh tế và tăng phát thải ơ nhiễm của độngcơ.
Cĩ nhiều quan hệ dựa trên kết quả thực nghiệm và lý thuyết về tia phun rối đã được thiết lập đối với độ xuyên thâu của tia nhiên liệu. Những biểu thức này cho rằng độ xuyên thâu S của đầu tia phun trong khối khơng khí đứng yên (như trường hợp
động 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 mơ hình hịa trộn của tia phun khí cho kết quả tốt nhất. biểu thức này được viết như sau:
4 1 2 1 4 1 294 07 . 3 g n g td T p S (2.10)
Trong đĩ p [Pa] là hiệu số áp suất giữa trong và ngồi vịi phun; t[s] thời gian kể từ lúc bắt đầu phun; dn[m] đường kính lỗ phun; g[kg/cm3] khối lượng riêng của
khí; Tg[K] nhiệt độ của khí.