CHƯƠNG II : ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL
2.2 Đặc điểm phun nhiên liệu
Các đặc tính phun nhiên liệu diesel quan trọng nhất có thể được phân loại: • Các đại lượng vĩ mô như:
o Độ thâm nhập của đầu phun o Góc nón
• Các đại lượng hiển vi như: o Kích thước giọt
Tất cả các đặc tính phun nhiên liệu (Hình 2.21) ảnh hưởng đến quá trình đốt cháy và do đó nền kinh tế và đặc điểm sinh thái và hiệu suất động cơ (Hiroyasu và Arai 1990; Kegl 2004; Soid và Zainal 2011).
Độ thâm nhập của đầu phun nhiên liệu Lp được định nghĩa là khoảng cách tối đa đo được từ kim phun đến đầu phun. Nó đại diện cho chiều dài thâm nhập tối đa đạt được bởi các giọt ở trung tâm của phun.
Góc hình nón phun θ được xác định là góc giữa hai đường thẳng xuất phát từ lối ra lỗ của vòi phun và tiếp tuyến với đường viền phun. Góc này thường dao động từ 5 đến 30. Kích thước giọt thường được đo trên cơ sở trung bình bằng đường kính trung bình của các giọt d32, được gọi là đường kính trung bình Sauter. Số lượng này có thể được sử dụng để ước tính chất lượng nguyên tử hóa của nhiên liệu.
Sự thâm nhập của nhiên liệu phun được xác định bởi sự cân bằng của hai yếu tố: động lượng tuyến tính của nhiên liệu được bơm vào và lực cản của chất lỏng làm việc (hoặc khí hoặc chất lỏng) trong thể tích kiểm soát. Do ma sát, động năng của nhiên liệu được chuyển dần sang chất lỏng làm việc. Sự chuyển giao năng lượng này giảm liên tục động năng của các giọt cho đến khi chuyển động của chúng chỉ phụ thuộc vào chuyển động của chất lỏng làm việc. Một số nghiên cứu cho thấy rằng sự xâm nhập của phun vượt qua điều đó của một giọt duy nhất. Điều này là do các giọt phía trước tăng tốc chất lỏng xung quanh, làm cho các giọt sau có ít khí động học hơn kháng thuốc (Hiroyasu và Arai 1990;
Gao và cộng sự 2009a, b). Người ta phải nhấn mạnh rằng bình xịt nhiên liệu diesel có xu hướng thuộc loại nhỏ gọn, điều này khiến chúng có thâm nhập lớn
Sự thâm nhập của tia phun nhiên liệu diesel phụ thuộc rất nhiều vào áp suất phun, đặc tính nhiên liệu và hình học vòi phun.
Bằng cách tăng áp suất phun, vận tốc thâm nhập của nhiên liệu được tăng lên. Điều này có nghĩa là động lượng nhiên liệu tăng lên và độ thâm nhập của tia phun lớn hơn. Thuộc tính nhiên liệu như mật độ, độ nhớt, và sức căng bề mặt cũng ảnh hưởng đáng kể đến độ thâm nhập của phun. Tuy nhiên, khi thực hiện ước tính thô, mật độ nhiên liệu thường được sử dụng làm ảnh hưởng đến tài sản. Trong bối cảnh này, điều đáng chú ý là mật độ nhiên liệu của nhiên liệu đã cho có thể thay đổi, ví dụ, do sự thay đổi của nhiệt độ nhiên liệu. Tăng nhiệt độ nhiên liệu thường làm giảm mật độ nhiên liệu, dẫn đến ngắn hơn sự xâm nhập của phun (Hiroyasu và Arai 1990; Gao và cộng sự 2009a, b).
Góc hình nón chủ yếu bị ảnh hưởng bởi các đặc điểm hình học của vòi phun, nhiên liệu và mật độ không khí, và số Reynolds của nhiên liệu. Hơn nữa, góc hình nón tăng bằng cách tăng áp suất phun và bằng cách giảm nhiệt độ chất lỏng làm việc (Desantes và cộng sự 2006; Hiroyasu và Arai 1990).
Đường kính của các giọt phụ thuộc vào áp suất phun, vào chất lỏng làm việc nhiệt độ và các đặc tính của nhiên liệu (Pogorevc và cộng sự 2008; Desantes và cộng sự 2006; Zhang và cộng sự. 2012). Đường kính của các giọt có xu hướng trở nên nhỏ hơn khi áp suất phun tăng lên. Hơn nữa, nhiệt độ chất lỏng làm việc và nhiên liệu tính chất ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi, điều này cũng ảnh hưởng đến kích thước giọt.
Cụ thể, khi tăng nhiệt độ, tốc độ bay hơi tăng lên. Do đó, các giọt có đường kính nhỏ có xu hướng bay hơi hoàn toàn trong một khoảng thời gian khá ngắn. Mặt khác, các giọt có đường kính lớn hơn duy trì dạng hình học ổn định trong một thời gian cho đến khi chúng bay hơi hoàn toàn.
Trong một lần phun nhiên liệu, các giọt nhiên liệu bay hơi khi chúng đi ra khỏi vòi phun. Khoảng cách tối đa, đạt được bởi các giọt trước khi tất cả chúng bay hơi, được gọi là chiều dài chất lỏng. Sau khi đạt đến độ dài chất lỏng, nhiên liệu bay hơi tiếp tục xuyên qua khí xung quanh và phạm vi của nó được ký hiệu là chiều dài hơi. Người ta phát hiện ra rằng chiều dài chất lỏng có xu hướng ổn định sau một lần phun ngắn thời gian phát triển và sau đó gần như không đổi. Mặt khác, trong khung thời gian phun dầu diesel điển hình (vài mili giây), độ dài hơi không đạt được trạng thái ổn định.
24Hình 2.21 Đặc điểm phun nhiên liệu
Sự hình thành chất lỏng phun là một quá trình vật lý khá phức tạp, bắt đầu từ sự phân hủy của lõi chất lỏng thành các giọt, ngay sau khi vòi phun thoát ra, được gọi là sự chia tay chính. Trong giai đoạn thứ hai, các giọt hình thành sẽ vỡ ra thành các giọt nhỏ hơn giọt, được gọi là sự tan vỡ thứ cấp (Hình 2.22)
2.2.1: Kỹ thuật thực nghiệm
Các kỹ thuật được sử dụng trước đây để đo kích thước giọt có thể được phân loại vào các phương pháp cơ học (bắt giọt, tác động theo tầng, thả đông lạnh và phương pháp sáp và kỹ thuật lắng), phương pháp điện (Wickse Dukler kỹ thuật, đầu dò dây tích điện và máy đo gió dây nóng), và quang học các phương pháp (nhiếp ảnh, ảnh ba chiều, nhiễu xạ laze, đo gió bằng laze, và nhiều phương pháp khác nhau các kỹ thuật khác dựa trên sự tán xạ ánh sáng) (Soid và Zainal 2011; Leng và cộng sự 2010;
Myong và cộng sự. Năm 2008; Andreassi và cộng sự. Năm 2007; Payri và cộng sự. 2005). Kỹ thuật quang học thường được sử dụng để phun nhiên liệu vĩ mô và vi mô và đốt cháy đặc điểm. Tuy nhiên, những kỹ thuật này thường khó thực hiện và chúng tương đối đắt.
Các thông số vĩ mô như góc hình nón và độ xuyên của đầu nhọn có thể được xác định thông qua các phương pháp trực quan (Hình 2.23), nơi phun dầu diesel tiêm có thể được nghiên cứu trong một tế bào nhiệt độ và áp suất cao. Phun nhân giống có thể được theo sau bằng cách sử dụng, ví dụ, hai thiết bị kết hợp tích điện tăng cường máy ảnh với các tùy chọn khung hình kép. Máy đo bóng đèn flash hai chiều, sự tán xạ đàn hồi của laze, và sự phát quang hóa học có thể được sử dụng để khảo sát nhiên liệu nhân giống (Soid và Zainal 2011; Payri và cộng sự 2005; Myong và cộng sự 2008).
Các thông số vi mô như kích thước giọt ngày nay có thể được đo bằng cách sử dụng kỹ thuật PIV hoặc PDPA. Hình 2.24 cho thấy thử nghiệm thiết bị cho thí nghiệm LIF-PIV (Soid và Zainal 2011; Moon và cộng sự 2010; Andreassi và cộng sự. 2007). Một tia laser Nd: YAG xung kép được sử dụng để thu được hình ảnh huỳnh quang của các giọt chất
đánh dấu. Một tấm ánh sáng được tạo ra bằng cách sử dụng một tấm máy phát điện được trang bị một thấu kính hình trụ bên trong nó. Khi các giọt đánh dấu được phát quang bởi ánh sáng laze, hình ảnh được chụp bởi một thiết bị tích điện (CCD) máy ảnh. Một bộ lọc thông dài, truyền các bước sóng dài hơn 560 nm, phải được lắp đặt phía trước máy ảnh CCD để thu được ánh sáng huỳnh quang tín hiệu của các giọt đánh dấu. Các áp suất bên trong bình thể tích không đổi và bình chứa chất đánh dấu có thể được kiểm soát bằng bộ điều chỉnh áp suất. Hai máy phát điện trễ phải được sử dụng để đồng bộ hóa việc phun lần vết, phun nhiên liệu, bắn tia laze, và thời gian chụp ảnh. Thời gian chụp ảnh và thời gian phơi sáng là được xác định bởi thời gian bắn laser và thời lượng bắn.
25H ình
2.22 Sự phá vỡ phun nhiên liệu
Sự hình thành chất lỏng phun là một quá trình vật lý khá phức tạp, bắt đầu từ sự vỡ của lõi chất lỏng thành các giọt, ngay sau khi vòi phun thoát ra, được gọi là sự chia tay chính. Trong giai đoạn thứ hai, các giọt hình thành sẽ vỡ ra thành các giọt nhỏ hơn giọt, được gọi là sự tan vỡ thứ cấp (Hình 2.22).
2.2.2 Mô hình hóa và mô phỏng toán học
Bình phun nhiên liệu diesel luôn là một thách thức đối với các nhà mô hình chất lỏng kể từ khi thuốc xịt thường bao gồm một số lượng rất lớn các giọt. Mỗi giọt có các thuộc tính duy nhất và chịu sự tương tác phức tạp là một chức năng của các thuộc tính đó. Cho đến nay, hầu hết các chiến lược, được xây dựng trên số năm để giải quyết vấn đề này, rơi vào Eulerian – Eulerian hoặc Eulerian– Công thức kiểu Lagrangian
Công thức Eulerian – Eulerian sử dụng cho dạng xịt một mô hình hai chất lỏng và giải các phương trình trường Eulerian cho cả pha lỏng và khí để có được sự thâm nhập của pha lỏng. Trong văn học, người thân tính đơn giản và tính độc lập của lưới điện thường được liệt kê là những ưu điểm chính của điều này cách tiếp cận. Tuy nhiên, cách tiếp cận này không thể mô hình hóa dễ dàng sự tương tác giữa các giai đoạn. Hơn nữa, vận tốc
của chất khí và chất lỏng được giả định là như nhau và sự hỗn loạn trong pha lỏng được giả định là theo sau sự hỗn loạn của pha khí (Iyer và cộng sự 2002; Tatschl và cộng sự 2002; Gidaspow 1994).
26Hình 2.23 Thiết lập hình ảnh phun
Công thức Eulerian – Lagrangian sử dụng cách tiếp cận Lagrangian cho pha lỏng bằng cách mô hình hóa các giọt dưới dạng các hạt rời rạc. Vị trí của những các hạt được theo dõi trong không gian và thời gian bằng cách giải các phương trình Newton về cử động. Pha khí được xử lý theo phương pháp Eulerian. Trong văn học, mô hình hóa tương đối dễ dàng về sự tương tác giữa các giai đoạn bằng cách sử dụng các mô hình con cho nguyên tử hóa, phân tán giọt, va chạm, hợp nhất, tan rã và hóa hơi thường được liệt kê là những ưu điểm chính của phương pháp này. Những hạn chế có liên quan phụ thuộc vào lưới, thời gian tính toán và yêu cầu bộ nhớ (Dukowicz Năm 1980; Sazhina và cộng sự. 2000)
27Hình 2.24 Thiết bị thí nghiệm cho LIF-PIV
Hiện tại, mô tả Eulerian – Lagrangian phổ biến nhất dựa trên - Phương pháp giọt rời rạc Lagrangian (Tatschl và cộng sự 2002; Dukowicz 1980). Trong khi giai đoạn khí liên tục được mô tả bằng bảo toàn Eulerian tiêu chuẩn phương trình, sự vận chuyển của pha phân tán được tính toán bằng cách theo dõi quỹ đạo của một số hạt tính toán đại diện nhất định, được gọi là bưu kiện. Một bưu kiện bao gồm một số giọt và người ta giả định rằng tất cả các giọt trong một lô đất có cùng tính chất vật lý và hoạt động như nhau khi chúng di chuyển, vỡ ra, va vào tường hoặc bay hơi. Sự kết hợp giữa chất lỏng và các pha khí đạt được bằng sự trao đổi hạn nguồn lấy khối lượng, động lượng, năng lượng và sự hỗn loạn. Các mô hình phụ khác nhau giải thích cho các tác động của phân tán hỗn loạn (Gosman và Ioannides 1983), hợp nhất (O’Rourke 1980), bốc hơi (Dukowicz 1979), tương tác với tường (Naber và Reitz 1988), và giọt chia tay (Liu và Reitz 1993).
Trong số tất cả các hiện tượng liên quan đến sự phát triển phun, chẳng hạn như bay hơi hoặc va chạm giọt nước, quá trình chia tay được công nhận rõ ràng là quan trọng nhất và ngày nay vẫn chưa được giải quyết hoàn toàn (Battistoni và Grimaldi 2012; Lee và Park
Năm 2002; Pogorevc và cộng sự. 2008). Trong thực tế triển khai, tỷ lệ chia nhỏ giọt là thường được tiếp cận thông qua vận tốc mất bán kính giọt rd, được biểu thị bằng
trong đó rs là bán kính ổn định và tb là thời gian phân hủy đặc trưng.
Do áp suất phun rất cao trong động cơ diesel, nó không được khuyến nghị để xử lý thống nhất toàn bộ quá trình chia tay. Do đó, hiện tượng chia tay xảy ra gần lối ra vòi phun, nơi cột chất lỏng ban đầu được phân hủy thành dây chằng hoặc giọt, được tính bằng các mô hình phá vỡ chính, trong khi dự đoán về quá trình chia tay tiếp theo, bắt đầu từ những giọt ban đầu, được xử lý bởi các mô hình chia tay thứ cấp (Hình 2.25) (Battistoni và Grimaldi 2012; Lee và Park Năm 2002; Pogorevc và cộng sự. 2008).
Trong mô hình lai KH-RT, giả định rằng sự phân chia sơ cấp chủ yếu xảy ra bởi KH không ổn định trong khi sự không ổn định của RT gây ra sự phá vỡ thứ cấp như được hiển thị trong Hình 2.25. Trong vùng A, một giọt tách ra khỏi lõi chất lỏng nguyên vẹn bởi KH không ổn định. Khi giọt được tách ra khỏi tấm nguyên vẹn, thứ cấp sự chia tay xảy ra do sự bất ổn KH và RT cạnh tranh trong khu vực B.
Mô hình ngắt động cơ diesel chính (mô hình KH — mô hình Kelvin – Helmholtz) dựa trên phương pháp tiếp cận tỷ lệ và nhằm mục đích nắm bắt sự kết hợp của cơ chế khí động học, được mô hình hóa thông qua phương pháp tiếp cận sóng và sự nhiễu loạn cơ chế với các hiệu ứng cavitation bao gồm. Chiều dài vỡ chất lỏng L, (Hình 2.25) được tính toán bởi
trong đó C3 là hằng số, dnh là đường kính lỗ vòi phun và We là Weber số lượng nhiên liệu.
28Hình 2.25 Mô hình phân tán sơ cấp và thứ cấp
Trong quá trình phân tán, bán kính giọt rd giảm thành bán kính tới hạn rKH, crit với tỷ lệ đồng nhất. Trong trường hợp này, bán kính giọt tới hạn rKH, crit và thời gian chia tay tKH được đưa ra bởi
trong đó C1 và C2 là hằng số mô hình phân tách chính, ΩKH và ΛKH là tần số và bước sóng tương ứng của sóng KH phát triển nhanh nhất, rd là bán kính giọt, ρf là mật độ nhiên liệu, σf là sức căng bề mặt nhiên liệu, Z là số Ohnesorge, T là số Taylor và Re là số Reynolds:
Ở đây, vrel là vận tốc tương đối giữa giọt và khí xung quanh, μf là độ nhớt của nhiên liệu, và ρa là mật độ khí xung quanh.
Bởi vì sự phá vỡ chính xảy ra với tốc độ giảm bán kính đồng đều, bán kính giọt mới rnew có thể được tính như
Mô hình ngắt động cơ diesel thứ cấp (mô hình RT — mô hình Rayleigh – Taylor) là dựa trên mô hình sóng. Ở đây, kích thước ban đầu của đường kính giọt được cho là bằng với bước sóng của phát triển nhanh nhất hoặc không ổn định có thể xảy ra nhất sóng bề mặt. Bước sóng ΛRT của sóng phát triển nhanh nhất có thể được tính bằng
trong đó C4 là hằng số mô hình phân tách thứ cấp, KRT là số sóng, và g và a là gia tốc có hướng di chuyển do trọng lực và lực cản lực tương ứng. Nếu sóng phát triển dài hơn thời gian chia tay tRT, giọt bị tách thành những giọt nhỏ có bán kính rRT, crit. Trong cuộc chia tay thứ cấp, tRT và rRT, crit được định nghĩa bởi
trong đó C5 là hằng số mô hình ngắt thứ cấp và ΩRT là tần số của làn sóng phát triển nhanh nhất.
Thông thường, nhiên liệu phun vào xi lanh ban đầu được giả định là tạo thành chất lỏng. cột di chuyển với tốc độ bằng tốc độ phun nhiên liệu cho đến khi nhiên liệu bị phá vỡ thời gian trôi qua. Nếu giả định rằng dòng chảy qua mỗi vòi là gần như ổn định, không thể nén được, và một chiều, tốc độ dòng chảy khối lượng m_ lượng nhiên liệu phun vào thông qua vòi phun được đưa ra bởi (Rad et al. 2010; Heywood 1988):
trong đó CD là hệ số phóng điện, An là diện tích mặt cắt ngang của kim, ρf là mật độ nhiên liệu, và Δp là chênh lệch áp suất giữa áp suất phun pinj và áp suất môi trường xung quanh pa (áp suất trong xi lanh).
Đối với các điều kiện không xảy ra hiện tượng xâm thực, hệ số phóng điện CD có thể được tính toán từ
trong đó ci là hệ số tổn thất đầu vào, f là hệ số ma sát, lnh là đầu phun chiều dài, và dnh là đường kính lỗ vòi phun. Hệ số ma sát có thể được tính như