Chỉ số làm việc chính của vòi phun là
đường đặc tính của nó. Đó là một hàm thể hiện
sự biến thiên của hiệu số áp suất phía trước và phía sau lỗ phun theo lưu lượng đi qua lỗ kể cả
những thay đổi về tiết diện lưu thông của lỗ và
đường ống dẫn trong vòi phun. Đường cong p = f(Q), trong đó Q là lưu lượng nhiên liệu trong
một giây qua ống phun của vòi phun tính bằng
mm3/s. Đường đặc tính đó có thể lấy trong phòng thí nghiệm, hoặc bằng các công trình tính toán lý thuyết.
Đơn giản nhất là loại vòi phun hở hình 4-15. Trong loại này tiết diện lưu thông của lỗ
phun luôn không đổi và ngoài lỗ phun ra không
còn một tiết diện nào khác gây sức cản lưu động
của dòng nhiên liệu trong vòi phun. Dựa vào
phương trình Bernoulli với đường nhiên liệu trong ống ta có thể viết hàm thể hiện đặc
tính của vòi phun hở.
Nhiên liệu qua tiết diện I-I của ống phun:
2 2 2 2 2 1 p w w p T c T y (4-4)
Ở đây: py - Áp suất phía trước lỗ phun kG/cm2
pc - Áp suất trong buồng cháy kG/cm2
T
- Khối lượng riêng của nhiên liệu kg/m3
w2 - Tốc độ nhiên liệu qua tiết diện II-II f11 - Tiết diện lưu thông của ống phun I-I f22 - Tiết diện lưu thông của vòi phun II-II Vì f11 lớn hơn f22 nhiều nên coi w1 = 0, w1<<w2
Vậy T c y p p w ) ( 2 2 (4-5) Ta lại có: T c y c c c c p p f w f Q . . 2 . , 2.( ) (4-6) Do đó: 2 2 2 / . 2 f kG cm Q p p c c T e y (4-7)
Ở đây: c- Hệ số lưu lượng của lỗ
fc - iết diện lưu thông của lỗ phun
Hình 4-15 giới thiệu sự biến thiên của (py-pc) theo Q.
Trong các loại động cơ ôtô và máy kéo phạm vi biến động số vòng quay của động cơ nằm trong giới hạn rất rộng. Trị số vòng quay tương ứng với công suất cực đại
(15001600)v/ph đến số vòng quay không tải (500600)v/ph. Trong phạm vi ấy áp suất
phun biến động khoảng (1020) lần. Như vậy kể cả trường hợp áp suất phun rất lớn ở
số vòng quay cực đại (py = 1500kG/cm2) vẫn không tránh khỏi những trường hợp làm cho áp suất phun thấp (60150) kG/cm2 ở chế độ không tải. Vì vậy không thể đảm bảo
cho nhiên liệu phun vào động cơ luôn có chế độ phun tốt. Chính vì vậy đã hạn chế việc
sử dụng vòi phun hở vào động cơ diesel cao tốc đặt trên ôtô máy kéo.
Vòi phun hở còn có thêm một khuyết điểm rất trầm trọng là sau khi bơm cao áp đã cắt, không cung cấp nhiên liệu cho vòi phun thì vẫn có thể còn hiện tượng nhỏ giọt
qua lỗ phun. Hiện tượng trên thường xuất hiện trong các trường trong buồng cháy thấp hơn áp suất dư trên đường ống cao áp, hoặc khi xuất hiện dao động áp suất trong hệ
thống nhiên liệu. Phun nhiên liệu nhỏ giọt qua lỗ phun sẽ làm cho nhiên liệu khó cháy
kiệt và dễ kết thành muội than, làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu và tắc lỗ phun.
Hình 4-16a là ba đường đặc tính của loại vòi phun có kim phun (vòi phun kín) xây dựng trên cơ sở các số liệu thí nghiệm cho áp suất bắt đầu cung cấp p = 100, 140 và 180 kG/cm2.
Ngoài các đường cong p' = f(Q) (hình 4-16a) còn đường cong p và x = f(Q).
Trên đồ thị đó ta ký hiệu: p là áp suất bắt đầu cung cấp, p và p'-áp suất nhiên liệu
phía trên kim và áp suất phía sau kim trong ống phun của vòi phun tính bằng kG/cm2; x:
độ nâng kim phun tính bằng phần trăm mm.
Trong sự diễn biến của đường cong p = f(Q) cần chú ý một chi tiết rất quan trọng sau đây, theo đường cong p = f(Q) ta thấy rằng khi tăng mức chi phí nhiên liệu Q trong
một giây thì áp suất phía trên kim sẽ giảm, và đạt tới một trị số cực tiểu với một mức chi phí nào đó gọi là mức chi phí tới hạn. Khi tiếp tục tăng mức chi phí trong một giây áp
Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của giáo sư Calis (người Nga)
chứng tỏ rằng với những chi phí trong một giây nhỏ hơn chi phí tới hạn thì vòi phun làm việc không ổn định, còn với những chi phí lớn hơn chi phí tới hạn thì sẽ ổn định. Giáo
sư Calis giải thích hiện tượng đó như sau: khi vòi phun làm việc với mức chi phí trong
một giây lớn hơn chi phí tới hạn. Trong trường hợp vì những nguyên nhân nào đó, phụ
thuộc vào vòi phun (khi mức cung cấp của bơm không đổi) mức chi phí Q trong một
giây giảm xuống, áp suất sẽ tăng lên đến một trị số làm cho chi phí trong một giây qua
vòi phun sẽ khôi phục được giá trị ban đầu. Khi mức chi phí trong một giây tăng đều giá
trị ban đầu áp suất p sẽ giảm xuống và trở lại trị số trước.
Nếu vòi phun với mức cung cấp của bơm không đổi làm việc với mức chi phí
trong một giây nhỏ hơn mức tới hạn thì khi mức chi phí trong một giây của vòi phun (với mức cung cấp của bơm không đổi) giảm xuống cũng làm cho áp suất tăng. Nhưng không theo hướng tăng Q mà ngược lại (dịch về bên trái đường đặc tính) và như thế sau
hết là làm cho chi phí trong một giây giảm tới không. Vì mức cung cấp của bơm không
bằng không cho nên sau đó vòi phun lại hoạt động và lại làm giảm chi phí trong một
giây tới không, tức là vòi phun làm việc không ổn định, rời rạc, làm tăng độ hao mòn và
ảnh hưởng xấu tới quá trình tạo thành hỗn hợp.
Theo giải thích ở trên, rõ rằng là khi lựa chọn vòi phun và bơm cao áp (trang bị
cho một động cơ đã cho) muốn cho vòi phun làm việc được ổn định, cần thiết phải làm sao cho mức chi phí nhiên liệu trong một giây khi động cơ làm việc với mọi chế độ có
thể phải lớn hơn mức chi phí tới hạn.
Trị số tuyệt đối của mức chi phí trong một giây khi p cực tiểu càng nhỏ tức là trị
số của mức chi phí tới hạn càng nhỏ thì vòi phun đã cho càng vạn năng (về phương diện
làm việc thích hợp với các loại bơm khác).
Theo đường đặc tính của vòi phun ta thấy rằng, muốn vòi phun làm việc ổn định
thì bộ phận giới hạn độ nâng của kim (có trong nhiều vòi phun) phải đặt cho phù hợp
với đường đặc tính của vòi phun.
Ta thấy rằng là muốn có chất lượng tạo thành hỗn hợp đồng nhất trong tất cả các
xylanh của động cơ, cần thiết phải sao cho tất cả các vòi phun không những chỉ có trị số
p như nhau mà phải có cả sự đồng nhất hoàn toàn của đường cong p = f(Q). Trong
trường hợp ngược lại sự làm việc của từng xylanh riêng biệt (với mọi điều kiện khác như nhau) sẽ không giống nhau.
Ta có thể thấy dễ dàng theo đường cong (hình 4-16) phía trên là sự thay đổi sức căng lò xo có một ảnh hưởng quan trọng.
Bằng cách làm tăng sức căng của lò xo, miền làm việc không ổn định của vòi phun mở rộng ra khi áp suất p' thay đổi. Do đó việc làm thay đổi không có căn cứ sức căng của lò xo có thể đặt hệ thống nhiên liệu vào trong những điều kiện làm việc nặng
nề một cách không cần thiết.
Hình 4-16b là đường đặc tính lý thuyết của vòi phun có chốt. Như ta đã thấy trên
đường đặc tính, vòi phun loại kín có chốt không có sự diễn biến đều đặn của đường cong p = f(Q). Đó là vì khi kim của vòi phun có chốt nâng lên, tiết diện đi qua của nhiên liệu fd luôn luôn thay đổi và điều đó có ảnh hưởng đến sự diễn biến của đường đặc tính. Đặc điểm đó làm thay đổi kích thước của chốt có thể làm thay đổi hình nón phun nhiên
Ngoài ra vòi phun có chốt ít bị đóng muội than. Khi so sánh diễn biến của đường đặc tính của các vòi phun có chốt và không có chốt cần chú ý các chi tiết sau:
Ở vòi phun không có chốt, độ tăng áp suất p kể từ pmin (tương ứng với Q tới hạn)
lên rất nhanh, do đó miền làm việcổn định của vòi phun đó rút ngắn lại do áp suất tăng
lên rất cao.
Ở vòi phun có chốt, miền làm việc không ổn định giảm xuống (hình 4-16) còn miền làm việc ổn định được mở rộng ra nhiều với áp suất tăng lên đều đặn.
Hiện tượng trên cho phép ta lắp vòi phun có chốt trên các động cơ diesel có các phương pháp tạo thành hỗn hợp khác nhau khi bơm có khoảng biến thiên của Q rộng, đó là ưu điểm hết sức quan trọng của vòi phun có chốt. Tuy nhiên cũng cần chú ý đến
hiện tượng là những sai lệch nhỏ về kích thước của chốt sẽ ảnh hưởng rất lớn đến diễn
biến của đường đặc tính. Có được sự đồng nhất hoàn toàn về kích thước của chốt là một
Hình 4-16. Đường đặc tính của vòi phun không có chốt và có chốt