v. Phương pháp nghiên cứu
2.3.HÌNH THÀNH HỖN HỢP TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL
Cũng giống như động cơ xăng, hình thành hòa khí trong động cơ điêzen gồm 3 quá trình cơ bản là xé nhỏ, bay hơi nhiên liệu và hòa trộn tạo thành hòa khí. Ba quá trình này xảy ra đan xen có tác dụng tương hỗ với nhau, trong đó quá trình bay hơi diễn ra suốt quá trình hình thành hòa khí.
Sự hình thành hòa khí trong động cơ điêzen có đặc thù riêng với vai trò quyết định của việc phun nhiên liệu vào xi lanhtrong cuối quá trình nén.
2.3.1. Chất lượng tia phun và các nhân tố ảnh hưởng
Chất lượng phun biểu thị bằng độ phun nhỏ (phun tơi) và độ phun đều.
Độ phun nhỏ được đánh giá bằng đường kính trung bình của hạt rtb. Giả thiết các
hạt đều có dạng cầu. Khi xác định đường kính trung bình của hạt cần đảm bảo điều kiện thời gian bay hơi của hạt trung bình giả định và của toàn bộ các hạt trong tia là như nhau mà thời gian này phụ thuộc vào tỉ số giữa diện tích xung quanh và thể tích hạt nhiên liệu. Điều kiện trên thể hiện qua biểu thức:
∑ ∑ = = i i F V r F V n n tb tb tb 1 1 . 3 . 3 Với: 3 4 3 tb tb r V = π : thể tích hạt trung bình. Ftb =4πrtb2: Diện tích hạt trung bình.
∑Vn i
1
: Tổng thế tích mặt ngoài của tất cả các hạt ∑Fn i
1
: Tổng diện tích mặt ngoài của tất cả các hạt.
Độ phun đều là đại lượng đặc trưng cho mức độ đồng đều về kích thước hạt. đối với phương pháp hòa khí hỗn hợp thể tích yêu cầu độ phun nhỏ và độ phun đều cũng phải cao. Trên đồ thị đặc tính phun nhiên liệu, trục hoành biểu thị bán kính hạt r, trục tung biểu thị giá trị hàm f là tỉ lệ (%) số hạt có bán kính r trên tổng số tất cả các hạt .
Hình 2.6. Các đường đặc tính phun nhiên liệu
Đường 1: Thể hiện vừa nhỏ vừa đều. Đường 2: Không nhỏ và không đều. Đường 3: Không nhỏ nhưng đều.
Như vậy, hai nhánh của đặc tính càng dốc hoặc hiệu số giữa rmin và r max càng nhỏ
thì độ phun đều càng tốt, đỉnh đặc tính càng gần trục tung thì độ phun nhỏ càng cao. Đặc tính phun cũng có thể biểu thị thông qua đường đặc tính tổng tương đối thể hiện tỉ số tương đối e =
t i
i
, với i là tổng số hạt có bán kính từ 0 đến r và it là tổng số tất cả
các hạt (đường 1 hình 2.6) và đường đặc tính tần suất tương đối biểu thị đạo hàm e'=
dr de
(đường 2 hình 2.6).
Chất lượng phun chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố ảnh hưởng như áp suất phun, tính chất vật lý của môi trường phun và của nhiên liệu, kết cấu và kích thước lỗ phun. Khi áp suất phun càng lớn thì tốc độ lưu động của nhiên liệu qua lỗ phun càng lớn, nhiên liệu càng được xé nhỏ và đều, chất lượng phun càng tốt. Trong hệ thống nhiên liệu conmon rail, áp suất phun có thể lên tới 2000 bar nên hạt rất nhỏ và đều.
Tăng mật độ không khí làm tăng sức cản nên nhiên liệu bị xé nhỏ và đêu hơn. Tuy nhiên áp suất trong buồng cháy động cơ điêzen cuối kỳ nén chỉ thay đổi trong phạm vi 30 ÷ 50 bar nên ít ảnh hưởng tới chất lượng phun.
Sức căng mặt ngoài, độ nhớt của nhiên liệu càng lớn làm cho lực cản khi xé nhỏ tăng nên độ phun nhỏ và độ phun đều càng giảm.
Đường kính lỗ phun càng nhỏ mép lỗ phun sắc cạnh thì hạt càng nhỏ và đều.
Khi tăng tốc độ động cơ tốc độ nhiên liệu qua lỗ phun nhỏ và đều. Đối với hệ thống nhiên liệu điều khiển lượng nhiên liệu cung cấp tại bơm cao áp, khi đó áp suất phun cũng tăng nên chất lượng phun càng được cải thiện
2.3.2. Cấu trúc và sự phát triển của tia phun nhiên liệu
Hình 2.7. Cấu tạo của tia nhiên liệu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
a. Mật độ dọc tia b. Hình dạng tia
c. Mật độ trong tiết diện ngang của tia
d. Tốc độ trong tiết diện ngang
Sau khi ra khỏi lỗ phun, dòng nhiên liệu bị xé nhỏ và tạo thành tia. Những phần tử nhiên liệu ra đầu tiên gặp sức cản khí động rất lớn nên tốc độ của nó giảm rất nhanh. Những phần tử nhiên liệu ra sau chịu sức cản nhỏ hơn nên tốc độ giảm chậm và đuổi kịp và gạt những phần tử đi trước sang hai bên để đi vào mũi tia. Vì vậy, về cấu trúc tia nhiên liệu chia thành hai phần là lõi và vỏ tia.
Phần lõi 2 có kích thước hạt lớn và phần
vỏ 1 có mật độ và kích thước nhỏ, hình 2.7b
và 2.7c. Phần lõi gặp sức cản ít hơn nên có tốc
độ lớn hơn phần vỏ, hình 2.8d. Đồng thời,
nhiên liệu cũng thay đổi mật độ theo chiều trục tia và tập trung nhiều vào khu vực mũi tia,
hình 2. 7a.
Hình dạng tia phun được biểu thị bằng chiều dài tia Lt , chiều rộng tia Bt và góc côn
t
Hình 2.8. Sự thay đổi các thông số của tia nhiên liệu theo thời gian
phun
Trong quá trình phun, các thông số hình dọc của tia đều biến đổi, trong đó mức đọ tăng chiều dái Lt được biểu thị bằng tốc độ vận động của mũi tia Wt. Hình 2.8 biểu thị sự thay đổi của Lt, Bt và Wt. theo thời gian phun t.
Theo đó trong khi Lt, tăng dần như theo quy
luật parabôn thì Wt giảm rất nhanh do sức cản khí động của môi trường còn Bt thì ít thay đổi. Nói chung quy luật phát triển của tia phun phụ thuộc nhiều yếu tố như áp suất phun, kết cấu và kích thước lỗ phun.
Hình 2.9. Ảnh hưởng của áp suất đến chiều dài tia phun
Khi tăng áp suất phun tốc độ nhiên liệu
lưu động qua lỗ phun tăng nên Lt tăng nhanh
hơn. Khi tăng áp suất môi trường phun, sức cản khí động tăng lên Wt và Lt giảm, đồng thời at và Bt tăng. Nếu tăng đường kính lỗ phun mà giữ nguyên áp suất phun và áp suất môi trường thì Lt tăng vì phần lõi tia khi ấy có kết cấu chặt chẽ hơn nên có động năng lớn hơn. Ngoài ra, vận động rối của không khí trong buồng cháy cũng ảnh hưởng đến hình dạng và sự phát triển của tia và có vai trò rất quan trọng trong các loại buồng cháy tận dụng rối của không khí để tạo thành hoà khí như buồng cháy thống nhất hỗn hợp thể tích màng, hỗn hợp màng và buồng cháy ngăn cách.
2.3.3. Các phương pháp hình thành hòa khí trong động cơ diesel
Yêu cầu đối với quá trình tạo hoà khí là phải tạo được sự phân bố nhiên liệu theo thời gian và không gian trong buồng cháy một cách tốt nhất để nhiên liệu cháy đúng lúc, cháy hoàn toàn, đạt được chỉ tiêu kinh tế (ge nhỏ ) và hiệu quả cao (pe lớn) nhưng áp suất cực đại (pz ) và tốc độ tăng áp suất (
ω
∆ ∆p
) không quá lớn, đồng thời sinh ít độc hại trong khí thải.
Để tạo thành hoà khí, người ta sử dụng các biện pháp:
Kết hợp chặt chẽ giữa số lượng, hình dạng và sự phân bố tia nhiên liệu với hình dạng buồng cháy.
Sử dụng chuyển động xoáy lốc mạnh của không khí trong buồng cháy được tạo ra trong quá trình nạp và nén. Tuỳ từng loại buồng cháy cụ thể mà các biện pháp trên được áp dụng riêng lẻ hay phối hợp với nhau ở mức độ cao hay thấp. Theo sự phân chia về không gian, buồng cháy được phân thành hai loại buồng cháy thống nhất và buồng cháy ngăn cách.
Như vậy, nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ đốt trong là một công việc hết sức khó khăn, phức tạp, đòi hỏi phải có kiến thức sâu, rộng về nhiệt động học, hoá học,.. và phải được trang bị những thiết bị nghiên cứu chuyên dùng. Các biện pháp thí nghiệm thực hiện tại các nhà máy hoặc phòng thí nghiệm thông thường chỉ cho phép đánh giá chất lượng quá trình cháy một cách gián tiếp thông qua các thông số chung của chu trình công tác như: áp suất chỉ thị trung bình, áp suất có ích trung bình, suất tiêu hao nhiên liệu riêng, mầu sắc và thành phần hoá học của khí thải,. . Những thông số này không chỉ phụ thuộc vào chất lượng quá trình cháy mà còn phụ thuộc vào mức độ tổn thất nhiệt, tổn thất cơ học trong động cơ và chất lượng các quá trình khác của chu trình. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chương III: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG HIỆN ĐẠI